電子束熔絲增材制造TC11鈦合金顯微組織及力學(xué)性能研究

王寧寧 韓 冬 吳 軍 高世凱

（西安航天動力機械有限公司，西安710025）

1 引言

TC11 鈦合金，名義成分為TI-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si，是一種綜合性能優(yōu)異的馬氏體型α+β兩相熱強鈦合金，室溫強度1030MPa，長時使用溫度可達550℃，具有良好的抗蠕變性能、熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性能，主要用作發(fā)動機葉片、壓力機盤、離心葉輪等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的材料[1，2]。然而，傳統(tǒng)的鈦合金加工方式——“鍛造+機械加工”，已無法滿足現(xiàn)代武器裝備大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件整體制造的要求。

采用電子束增材制造技術(shù)在已有的鍛件毛坯上局部成形，尤其適合于鈦合金等難加工高性能合金大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的短周期、低成本制造[3]。國內(nèi)外對于鈦合金電子束增材制造的研究很多，主要集中在電子束增材制造鈦合金組織和力學(xué)性能、缺陷形成機理及增材制造工藝研究，對電子束熔絲增材制造鈦合金與基板結(jié)合處性能及成形后熱處理的研究較少。探討熱處理后電子束熔絲增材制造TC11 鈦合金顯微組織和力學(xué)性能，對電子束快速成形鈦合金后續(xù)處理及生產(chǎn)具有重要意義，為鈦合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和工藝經(jīng)驗，以滿足未來新一代固體火箭發(fā)動機對減重、高效、低成本的要求。

2 試驗原理及方法

2.1 電子束熔絲增材制造原理

電子束熔絲增材制造技術(shù)是最近幾十年發(fā)展起來的三維一體化制造技術(shù)，具有功率大、材料利用率高、真空環(huán)境無污染等優(yōu)點，能實現(xiàn)大型復(fù)雜零件的“近凈”成形，特別適合在太空環(huán)境下工作的鈦合金大/中型復(fù)雜部件的制造，成形原理如圖1所示。熱源電子束固定不動，送絲設(shè)備向熔池傳輸絲材的同時，工作臺按照CAD 模型各層截面的加工路徑移動，絲材在熱源作用下在基體上熔化并與上一層形成冶金結(jié)合，金屬逐層熔化逐層堆積最終成型三維實體。

圖1 電子束熔絲增材制造原理圖

2.2 電子束熔絲增材制造試樣件成形

本試驗成形過程在電子束增材制造設(shè)備上進行，該設(shè)備主要包括高壓電源、電子槍系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、觀察系統(tǒng)、三維工作臺、送絲系統(tǒng)以及綜合控制系統(tǒng)。試驗使用的絲材為某公司提供的Φ1.6mm TC11鈦合金絲材，化學(xué)成分見表1。試驗前使用無塵布蘸無水乙醇清理絲材，清理后的絲材在烘箱內(nèi)烘干。試驗使用的基材為退火態(tài)TC11 鈦合金鍛件基板，尺寸為 100mm×60mm×40mm 。試驗前在銑床上將100mm×60mm 的增材金屬堆積面的粗糙度加工到3.2μm 以上，并用酒精擦洗干凈。

表1 TC11絲材化學(xué)成分 ω%

表2 電子束熔絲增材制造工藝參數(shù)

試驗時先進行單道單層熔積試驗，探索各工藝參數(shù)對成形質(zhì)量的影響并優(yōu)化工藝參數(shù)。電子束增材制造實體的成形使用單道單層試驗優(yōu)化工藝參數(shù)進行，增材實體試驗使用的工藝參數(shù)如表2所示。

試驗時，定義熔池移動方向為X方向，熔池寬度方向為Y方向，打印實體高度增加方向為Z方向。為防止每一層的第一道成形時基體溫度低和“弧線下滑”現(xiàn)象，堆疊軌跡采用蛇形軌跡，即采用多層多道雙向堆積方式，第一層X正向移動，第二層X負向移動，第三層X正向移動，以此類推。電子束熔絲增材得到打印實體如圖2所示，共15 層，每層8 道，尺寸70mm×45mm×70mm。

圖2 電子束熔絲增材制造實體圖

熱處理試驗在SGM2853H 型人工智能箱式電阻爐內(nèi)進行，采用的熱處理制度為950℃/2h/AC+530℃/8h/AC。分別在電子束熔絲增材制造試樣的基材部位、熔覆金屬部位、基材與熔覆金屬結(jié)合部位三個位置取金相試樣、拉伸試樣和沖擊試樣，試樣由電火花線切割加工。金相試樣尺寸為12mm×15mm×15mm，采用DMI3000M 型金相圖像分析儀觀察材料的內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)。金相試樣的處理流程：清潔、鑲樣、研磨、拋光。使用丙酮清洗掉試樣上殘留的污垢和油漬；采用鑲樣機和金相專用鑲嵌料對試樣進行鑲嵌；研磨時，先使用粗砂紙粗磨，然后依次使用200#、400#、600#、700#砂紙精磨去除較深的劃痕；拋光，需要使用研磨膏和冷卻液，將觀察面拋光至鏡面；腐蝕，腐蝕劑為Kroll 腐蝕劑（5%HF+15%HNO3+80%H2O），腐蝕時間是4～6s。拉伸試樣和沖擊試樣分別在基材、打印件X方向、結(jié)合部位取樣，每組試驗重復(fù)3件試樣。拉伸試驗參照GB/T2652《焊縫及熔覆金屬拉伸試驗方法》在CMT5305 型電子萬能試驗機上測試電子束熔絲增材TC11 鈦合金的拉伸性能。沖擊試驗按照GB /T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行。

3 結(jié)果分析

3.1 顯微組織分析

TC11 鈦合金的β轉(zhuǎn)變溫度在1000℃左右，α+β兩相區(qū)溫度范圍在810～980℃。圖3和圖4顯示了電子束熔絲增材制造TC11 鈦合金打印件實體的金相組織，亮白色的α相和灰黑色的β相清晰可見[4～8]。

由圖3a、圖3b 可以看到鍛件基材組織為等軸組織，組織構(gòu)成為基體β相+初生等軸α相+次生針狀α′相，初生等軸α相含量約為80%?；逵捎陔x熱源距離較遠在金屬熔覆過程中熔融金屬傳導(dǎo)熱量有限，溫度幾乎不發(fā)生變化，后續(xù)熱處理950℃保溫2h，低于β轉(zhuǎn)變溫度，經(jīng)530℃保溫8h 獲得等軸組織。

圖3 基材不同放大倍數(shù)下的顯微組織

圖4 電子束增材TC11 鈦合金不同放大倍數(shù)下的顯微組織

圖3c、圖3d 所示組織為結(jié)合處基材熱影響區(qū)組織，明顯觀察到斷續(xù)的α相晶界，初始α相在熱循環(huán)作用下部分轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，等軸α相發(fā)散的向β相基體生長，β相基體內(nèi)析出針狀α′并伴有少量α′相集束，形成由等軸組織向魏氏組織過渡的近似等軸組織。

圖4a、圖4b 為電子束熔絲增材制造結(jié)合處增材金屬組織，可以清晰地觀察到原始β相晶界，β相基體內(nèi)次生α相沿β相特定晶面析出且呈粗片狀平行排列，整個β晶粒內(nèi)全部轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮摩?β集束，結(jié)合部位組織是典型的魏氏組織。在結(jié)合部位和增材打印金屬底部形成魏氏組織是由于結(jié)合與底層部位在增材打印過程中上層金屬循環(huán)熔化傳熱，底部不斷進行熱循環(huán)并積累熱量，溫度不斷上升，導(dǎo)致溫度在一段時間內(nèi)保持在β相區(qū)內(nèi)，且底部熱量無法快速散失，冷卻速度慢，次生α′相不斷生長粗化。

圖4c、圖4d 所示為電子束熔絲增材TC11 鈦合金增材部位組織，如編織網(wǎng)籃的形狀，是典型網(wǎng)籃組織，由基體β相+次生針狀α′相構(gòu)成。形成這種組織的主要原因是增材打印金屬中上部熱積累相對較少，溫度較低，冷卻速度較慢，α相在β相晶粒內(nèi)大量形核且由于晶體結(jié)構(gòu)與位相關(guān)系形核后生長方向不同，隨著溫度降低α相向不同方向形核長大形成重復(fù)交錯的網(wǎng)籃組織。

3.2 力學(xué)性能分析

3.2.1 拉伸性能

拉伸試樣在基材、電子束熔絲增材熔覆金屬X方向、結(jié)合部位取樣，每組試驗重復(fù)3 件試樣，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 電子束熔絲增材制造TC11鈦合金室溫拉伸性能

分析表3可知基材的拉伸性能最好，增材打印金屬次之，結(jié)合部位拉伸性能較差?；褰M織為等軸組織，具有良好的綜合力學(xué)性能，抗拉強度達到1037MPa。增材金屬與基板結(jié)合處的拉伸性能明顯低于鍛件基板和增材金屬，強度比鍛件低90MPa，比增材熔覆金屬低51MPa。結(jié)合處由于熱循環(huán)積累溫度高于β轉(zhuǎn)變溫度，形成的魏氏組織晶粒粗大且有大量的α+β集束，拉伸性能差。增材熔覆金屬的抗拉強度為993MPa 與鍛件基板抗拉強度差距不大，這是由于增材熔覆金屬的網(wǎng)籃組織內(nèi)有大量α相晶界對位錯運動有阻礙作用，極大地提高了金屬抗拉強度，且晶粒越細，強度越高。屈服強度與抗拉強度一致，屈服強度一定程度上取決于α相的尺寸，α相晶粒越小，屈服強度越大[9]。

由圖5可知，增材打印金屬的伸長率和斷面收縮率明顯低于基材與結(jié)合部，電子束增材打印金屬的網(wǎng)籃組織內(nèi)大量重復(fù)交錯α+β相的晶界阻礙位錯運動，降低材料塑性。結(jié)合部位的斷面收縮率與基材相當(dāng)，伸長率較低，塑性較差。

圖5 電子束熔絲增材制造TC11 鈦合金不同部位拉伸性能

3.2.2 沖擊性能

表4 電子束熔絲增材制造TC11鈦合金沖擊性能

沖擊試驗結(jié)果如表4所示，結(jié)合處沖擊韌性明顯低于增材金屬和基材，出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是結(jié)合處粗大的α相集束組織性能差，沖擊韌性明顯減小。

4 結(jié)束語

a.電子束熔絲增材制造實體成形過程中熔覆金屬不斷熔化再凝固，經(jīng)歷了多重?zé)嶙饔?，其組織與鑄造組織和鍛造組織皆不相同。從鍛件基材到增材熔覆金屬的組織變化依次為：等軸組織—魏氏組織—網(wǎng)籃組織?；娘@微組織由初生等軸α相、少量針狀α′相以及基體β相組成；基材與增材金屬結(jié)合部位顯微組織由粗大片狀α相集束和β相組成；增材金屬中上部由重復(fù)交錯的α相網(wǎng)籃組織和β相組成。

b.電子束熔絲增材制造TC11 鈦合金不同部位拉伸性能排序：鍛件基材＞電子束增材金屬＞基板與增材金屬結(jié)合處。電子束增材金屬的力學(xué)性能表現(xiàn)為高強低塑高韌，鍛件+增材結(jié)合處魏氏組織嚴重影響材料的力學(xué)性能，后續(xù)可進行熱處理優(yōu)化工藝研究。