不同熱處理工藝下激光增材制造TC4鈦合金組織與性能研究進(jìn)展*

王普強(qiáng)，吳夢(mèng)杰，王豫躍，解瑞東，張安峰

（1. 西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049； 2. 西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054； 3. 西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048）

Ti–6Al–4V（TC4）鈦合金由于擁有優(yōu)異的耐腐蝕性能，而且比強(qiáng)度和屈強(qiáng)比較高[1]，目前被廣泛應(yīng)用于航空航天、航海與生物醫(yī)療[2–4]等行業(yè)。但是對(duì)于形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，傳統(tǒng)加工工藝繁瑣復(fù)雜，使得材料利用率低、制造成本很高。而經(jīng)濟(jì)性好、制造周期短和性能優(yōu)越是未來(lái)TC4合金零件制造行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，采用激光增材制造（Laser Additive Manufacturing，LAM）TC4合金構(gòu)件兼具成本低、周期短、性能高等優(yōu)勢(shì)[5]。然而，由于LAM過(guò)程中快速加熱冷卻的特點(diǎn)，使得LAM TC4合金沉積態(tài)組織與傳統(tǒng)TC4合金鑄鍛件組織在尺度、形態(tài)和分布等方面都有較大區(qū)別[6]。傳統(tǒng)TC4鈦合金組織形態(tài)主要包括魏氏組織、網(wǎng)籃組織、雙態(tài)組織、等軸組織，以及Zhou等[7]通過(guò)近β鍛造發(fā)展起來(lái)的三態(tài)組織，不同組織形態(tài)、不同相的比例及分布對(duì)于合金力學(xué)性能有很大影響。而LAMTC4合金顯微組織主要由貫穿整個(gè)熔覆層的粗大β柱狀晶以及晶界的初生α板條組成，柱狀晶內(nèi)亞顯微組織組成比較復(fù)雜，受加工參數(shù)影響較大，一般為針狀α'馬氏體、α魏氏組織等。通過(guò)對(duì)LAM TC4合金零件進(jìn)行合理的熱處理從而優(yōu)化其組織結(jié)構(gòu)，是目前提升LAM TC4合金力學(xué)性能的有效手段。根據(jù)加熱溫度，TC4合金的熱處理通常分為兩類(lèi)。當(dāng)加熱溫度高于Tβ（α→β轉(zhuǎn)變溫度，約995℃）[8]時(shí)的熱處理稱(chēng)為超臨界熱處理，在低于Tβ的溫度下進(jìn)行的熱處理稱(chēng)為亞臨界熱處理[9]。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者相繼對(duì)此展開(kāi)了諸多研究。本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外近年來(lái)LAM TC4合金熱處理工藝的最新研究成果，以期能夠?yàn)長(zhǎng)AM TC4合金熱處理工藝的進(jìn)一步優(yōu)化，獲得具備更加優(yōu)異綜合力學(xué)性能的LAM TC4合金提供借鑒。

金屬LAM技術(shù)原理及 特點(diǎn)

目前金屬LAM技術(shù)主要包括以同步送粉為特點(diǎn)的激光熔覆沉積（Laser Cladding Deposition，LCD）技術(shù)以及以粉床鋪粉為特點(diǎn)的選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)[10]。由于TC4合金在高溫下極易氧化，因此整個(gè)制造過(guò)程需在真空環(huán)境或干燥惰性氬氣氛保護(hù)下完成。

1 LCD技術(shù)

LCD 技術(shù)結(jié)合了增材制造技術(shù)中“疊層累加”沉積原理和激光熔覆技術(shù)，通過(guò)分層軟件將建立的CAD三維數(shù)據(jù)模型離散為一組二維圖形，即分層切片，通過(guò)編程形成加工路徑以控制激光頭掃描路徑[11]。同時(shí)以高能激光束作為熱源，送粉器將金屬粉末經(jīng)同軸送粉噴嘴同步送進(jìn)，從而將同步送給的金屬粉末進(jìn)行逐層熔化、快速凝固、逐層沉積，最終獲得近凈成形三維實(shí)體零件。

LCD 技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是不受零件成形尺寸限制，可實(shí)現(xiàn)大尺寸零件一體化直接制造；可對(duì)失效和受損零件實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)，并可實(shí)現(xiàn)定向組織的修復(fù)與制造。但是成本較高，效率低下，制造精度相對(duì)較低[10,12]。

2 SLM技術(shù)

SLM技術(shù)同樣要進(jìn)行建模分層，編程形成加工路徑以控制激光頭掃描路徑。同時(shí)在高能激光束的輻照下，選擇性地熔化鋪粉層的金屬粉末形成熔池，然后快速凝固。當(dāng)前鋪粉層掃描完成后，將基臺(tái)降低與層厚度相等的量，并用刮刀鋪上一層新的粉末，層層疊加，從而實(shí)現(xiàn)零件一體化成形[3]。

SLM成形零件精度及粉末利用率較高，但是成形零件尺寸受到基臺(tái)和工作箱尺寸的限制，不適合成形大尺寸零件，也不適合對(duì)失效零件進(jìn)行修復(fù)[10]。

不同熱處理工藝下LAM TC4鈦合金組織與性能 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1 國(guó)外研究進(jìn)展

ALi等[13]發(fā)現(xiàn)將打印基板預(yù)熱到570oC能顯著降低SLM TC4合金構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，提升屈服強(qiáng)度和塑性。在該溫度下，打印過(guò)程中α'馬氏體組織直接分解成平衡α+β微觀組織,與基板未預(yù)熱狀態(tài)下打印相比，屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別提高了3.2%和66.2%。

Sabban等[14]采用氬氣氛保護(hù)重復(fù)熱循環(huán)處理工藝，熱處理溫度Ta接近但低于Tβ，使得α相球化，最終獲得由球化α相與β轉(zhuǎn)變基體中的片層α相組成的雙態(tài)組織，實(shí)現(xiàn)了不需要借助塑性變形[15]，單純通過(guò)熱處理使得板條組織球化，從而將SLM TC4合金的伸長(zhǎng)率和韌性分別提高了80%和66%，產(chǎn)生雙態(tài)組織的詳細(xì)熱處理工藝1（Heat Treatment 1，HT1）：在875～975℃之間的熱循環(huán)，加熱速率為2.5℃/min，冷卻速率為1℃/min，持續(xù)24h，然后空冷（Air Cooling，AC），如圖1所示[14]。相關(guān)力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示[14]。

試驗(yàn)分別采取了平行于激光掃描方向的水平方向H和垂直于激光掃描方向的垂直方向V兩種取樣方式，試樣拉伸方向與取樣方向一致，以評(píng)估打印方向?qū)αW(xué)性能的影響。該研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)研究了在熱處理后α相球化機(jī)理。在熱循環(huán)過(guò)程中由于冷速較慢，α相和β相的體積分?jǐn)?shù)振蕩與α相外延生長(zhǎng)協(xié)同作用導(dǎo)致α相球化。而晶界分裂無(wú)法實(shí)現(xiàn)α相完全球化，邊緣球化并非α相球化的原因[15]。

圖1 熱處理工藝1Fig.1 Heat treatment 1

龍老虎等[16]通過(guò)總結(jié)試驗(yàn)規(guī)律發(fā)現(xiàn)，材料屈強(qiáng)比在0.80～0.85范圍內(nèi)，材料的綜合力學(xué)性能會(huì)比較好，有利于提高材料的韌性和低周疲勞性能。文獻(xiàn)[14]通過(guò)使α片層球化所獲得的雙態(tài)組織TC4合金屈強(qiáng)比比較符合0.80～0.85范圍，因而其綜合力學(xué)性能較好，可以預(yù)測(cè)其低周疲勞性能也應(yīng)該較為理想。

Kumar等[17]實(shí)現(xiàn)了在不顯著降低拉伸強(qiáng)度的情況下，單獨(dú)通過(guò)退火熱處理工藝來(lái)提高SLM TC4合金斷裂韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展抗力的可能性。圖2所示為分別采用氬氣氛保護(hù)單步冷卻（HT1，HT3）與兩步冷卻（HT2，HT4）熱處理工藝，研究了在4種不同SLM參數(shù)下SLM TC4合金力學(xué)性能的變化。研究表明，將SLM TC4沉積態(tài)試樣在實(shí)際加熱溫度Ta＞Tβ的條件下（HT3和HT4）進(jìn)行退火，可以完全消除原始β柱狀晶微觀結(jié)構(gòu)，但會(huì)導(dǎo)致粗大等軸β晶的出現(xiàn)。對(duì)于SLM TC4沉積態(tài)合金，屈服強(qiáng)度可超過(guò)1000MPa，且I型斷裂韌性（KIc）在50 MPa·m?左右。而采用Ta

在熱處理后，試樣的拉伸行為和穩(wěn)態(tài)疲勞裂紋擴(kuò)展行為與原始β微觀結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，而斷裂韌性與之相關(guān)，合金的強(qiáng)度趨于各向同性。但是熱處理后仍然存在原始β柱狀晶結(jié)構(gòu)的合金，其斷裂韌性具有明顯的各向異性，而穩(wěn)態(tài)疲勞裂紋擴(kuò)展速率（Fatigue Crack Growth，F(xiàn)CG）與傳統(tǒng)方法制造的同種合金的FCG相當(dāng)。疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值△K0有所提升，這是由于網(wǎng)籃組織的產(chǎn)生導(dǎo)致在△K0值附近時(shí)裂紋擴(kuò)展由穿晶轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐?，從而產(chǎn)生了較高的裂紋擴(kuò)展路徑曲折度。

圖2 4種不同熱處理工藝Fig.2 Four different heat treatment processes

表1 SLM TC4沉積態(tài)和進(jìn)行HT1熱處理后試樣的拉伸性能Table 1 Tensile properties of SLM TC4 samples before and after HT1

表2 經(jīng)過(guò)HT2熱處理后SLM TC4合金試樣的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of SLM TC4 samples after HT2

Vrancken等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在真空（10–2Pa）條件下分別進(jìn)行780℃/2h/爐冷（Furnace Cooling，F(xiàn)C）和843℃/2h/FC兩種熱處理后，α'馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢应?β組織，但保持原始β柱狀晶微觀結(jié)構(gòu)特征。熱處理溫度越高，α相粗化越明顯，β相體積分?jǐn)?shù)越高，越多的β柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒。試驗(yàn)表明，熱處理溫度對(duì)微觀組織的影響最大。同時(shí)研究了940℃/1h/FC+650℃/2h/AC和940℃/2～20h/FC兩種熱處理工藝，發(fā)現(xiàn)在α+β高溫區(qū)保溫時(shí)間的影響更顯著，α晶粒尺寸受到β晶粒尺寸的限制，該試驗(yàn)表明在940℃/1h/FC+650℃/2h/AC工藝下試樣綜合力學(xué)性能最好。隨后又研究了在850℃保溫2h，分別進(jìn)行了FC、AC和WC，依次得到α+β片層組織、α魏氏組織或網(wǎng)籃組織以及α'馬氏體組織。并且片層間距隨冷卻速率的增大而減小。說(shuō)明通過(guò)控制冷卻速率可以得到不同的微觀組織形態(tài)。

Longhitano等[18]對(duì)SLM TC4合金試樣進(jìn)行氬氣保護(hù)熱處理，發(fā)現(xiàn)在850℃/1h/FC、950℃/1h/FC兩種熱處理工藝下，微觀結(jié)構(gòu)由針狀α/α'相和圍繞在α相周?chē)摩孪嘟M成。在較高溫度下（＜Tβ）進(jìn)行的熱處理因?yàn)閂的偏析使α相周?chē)纬搔孪?。此外，?50℃/1h/FC工藝下，由于加熱溫度較高，導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)發(fā)生粗化。而在超過(guò)Tβ的1050℃/1h/FC工藝下，獲得單一β相，原始β柱狀晶微觀結(jié)構(gòu)特征消失，形成粗大β晶，冷卻后獲得粗化α+β片層組織，研究發(fā)現(xiàn)，緩慢的冷卻速率有利于α相的形核，α相優(yōu)先在β相界處生長(zhǎng)。冷卻后，β相存在于α板條之間。

Yan等[19]研究了在真空（低于10–3Pa）條件下進(jìn)行不同的熱處理以及熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，HIP）后SLM TC4–ELI試樣的顯微組織和力學(xué)性能變化。研究對(duì)比了沉積態(tài)以及在HIP和900℃/2h/FC工藝3種狀態(tài)下試樣的疲勞性能后發(fā)現(xiàn)，沉積態(tài)試樣表現(xiàn)出最低的疲勞強(qiáng)度；而在900℃/2h/FC工藝下，試樣在107循環(huán)周次下的疲勞強(qiáng)度較之于沉積態(tài)提高超過(guò)40MPa；HIP處理后試樣疲勞強(qiáng)度的提升最顯著，如圖3所示[19]。HIP處理后疲勞行為的改善可能歸因于孔隙被壓實(shí)，并且α'的分解可以提升伸長(zhǎng)率，同時(shí)使試樣具有更好的應(yīng)變硬化能力，而試樣應(yīng)變硬化能力的改善有利于限制缺陷附近的裂紋形核。作者認(rèn)為在低周疲勞體系中，延展性比固有缺陷對(duì)低周疲勞行為影響更大。而在高循環(huán)周次下微觀結(jié)構(gòu)對(duì)殘余孔隙等缺陷更敏感。對(duì)應(yīng)熱處理工藝下的力學(xué)性能參數(shù)如表3所示[19]。

圖3 不同狀態(tài)下的SLM TC4合金試樣的S–N曲線Fig.3 S-N curves of SLM TC4 samples for different conditions

表3 不同狀態(tài)下的SLM TC4合金試樣的拉伸性能Table 3 Tensile properties of SLM TC4 samples for different conditions

Vilaro等[21]在真空（1.33×10–3Pa）條件下對(duì)SLM TC4 合金分別進(jìn)行了730℃/2h/AC低溫?zé)崽幚砗透邷責(zé)崽幚恚òǜ邷毓倘芴幚硪约案邷毓倘?回火處理）。并通過(guò)分別測(cè)試V和H兩個(gè)取樣方向的力學(xué)性能，來(lái)評(píng)估加工過(guò)程中產(chǎn)生的各向異性。研究發(fā)現(xiàn)，在低溫?zé)崽幚項(xiàng)l件下，觀察到α'馬氏體分解為α+β相，硬度降低，伸長(zhǎng)率略微增加，但各向異性仍然較大。而超臨界高溫?zé)崽幚砗?，?qiáng)度降至與鑄件相近，伸長(zhǎng)率提升最大，但仍低于10%，同時(shí)各向異性大幅降低。作者認(rèn)為熱處理后伸長(zhǎng)率較低是由于試樣內(nèi)部存在缺陷導(dǎo)致。在1050℃/1h/WC+（700～750℃）/2h/AC熱處理?xiàng)l件下，顯微組織由α'+β+α相組成。在1050℃/1h/WC+（750～850℃）/2h/AC熱處理?xiàng)l件下，生成較軟的α''斜方馬氏體相；而在1050℃/1h/WC+（＞850℃）/2h/AC條件下，形成α'+βr（貧礬β相） +α相，導(dǎo)致硬度升高。

Nicoletto等[22]在真空條件下將4組SLM TC4合金試樣分別在740℃、900℃、1200℃保溫1h以上，在大于1h時(shí)間里爐冷至530℃，然后在氬氣氛中冷至室溫，以及在740℃保溫大于1h后在氬氣氛中冷至室溫，發(fā)現(xiàn)在900℃下抗拉強(qiáng)度在1000MPa以上，伸長(zhǎng)率最大，超過(guò)16%，并且低周疲勞性能在4種熱處理方法中最好；1200℃溫度下抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率最低，但高周疲勞性能最好，而在740℃保溫完成后直接在氬氣氛中冷卻試樣疲勞性能最差。

2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

Zhao等[23]對(duì)LCD TC4合金進(jìn)行氬氣氛保護(hù)980℃/1h/FC+920℃/1h/AC +600℃/4h/AC的亞臨界三重?zé)崽幚恚⊿ubcritical Triple Heat Treatment，STHT），如圖4所示[23]，實(shí)現(xiàn)了LCD TC4–ELI（Extra Low Interstitial TC4）合金的優(yōu)異延展性，并研究了該合金中α片層球化機(jī)理。

試驗(yàn)測(cè)得沉積態(tài)試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為855.6MPa、932.3MPa和12.5%。通過(guò)對(duì)沉積態(tài)試樣采用STHT，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度略微降低至829.3MPa和905.8MPa。然而，伸長(zhǎng)率大大提高到25.1%，與沉積態(tài)試樣相比伸長(zhǎng)率提升了105%。在二次等軸αe相中連續(xù)出現(xiàn)的位錯(cuò)滑移和剪切變形被證明可以顯著提高合金伸長(zhǎng)率。超細(xì)的二次αs片層和等軸αe相中的位錯(cuò)纏結(jié)是產(chǎn)生可觀屈服強(qiáng)度的主要原因。研究發(fā)現(xiàn)，α片層的球化機(jī)制是由于固有位錯(cuò)在亞臨界退火時(shí)多邊形化形成亞晶界而導(dǎo)致的。

Tao等[24]研究發(fā)現(xiàn)在真空（1×10–3Pa）條件下對(duì)SLM TC4試樣采用800～900℃/2～4h/FC熱處理工藝，然后在920℃/100MPa條件下進(jìn)行HIP處理2h后α'馬氏體會(huì)轉(zhuǎn)化為α+β片層組織，材料力學(xué)性能存在的各向異性可能會(huì)被消除。在800℃/2h/FC工藝下，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均略有下降，但與采用去應(yīng)力退火的試樣相比,伸長(zhǎng)率明顯增加。伸長(zhǎng)率增加是由于馬氏體完全分解成細(xì)小的α+β平衡相。另外，熱處理溫度相對(duì)較低，因此顯微組織的粗化不明顯。當(dāng)在800℃/4h/FC工藝下，屈服強(qiáng)度降幅不明顯，但總伸長(zhǎng)率增幅較大。此時(shí)伸長(zhǎng)率增加可歸因于長(zhǎng)時(shí)間退火后合金元素再分布。研究發(fā)現(xiàn)，即使在HIP處理后，成形件表面的損傷也會(huì)導(dǎo)致伸長(zhǎng)率急劇下降。SLM TC4合金試樣不同處理狀態(tài)下拉伸性能各向異性見(jiàn)表4[24]（Dr表示拉伸性能的差異比）。

圖4 三重?zé)崽幚砉に嘑ig.4 Triple heat treatment process

表4 不同狀態(tài)下的SLM TC4合金試樣拉伸性能的各向異性Table 4 Anisotropy of tensile properties of SLM TC4 samples for different conditions %

Zhang等[25]發(fā)現(xiàn)在氬氣氛環(huán)境下，當(dāng)加熱溫度升至950℃時(shí)，SLMTC4合金組織中的板條長(zhǎng)寬比進(jìn)一步下降，并且微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出球化的趨勢(shì)。部分α板條的球化程度不斷增加，形態(tài)各向異性消失。因此，研究認(rèn)為可以利用低于Tβ的高溫亞臨界退火處理來(lái)減少LAM期間引發(fā)的微觀結(jié)構(gòu)各向異性。但是這種減少各向異性的效果僅對(duì)于遠(yuǎn)小于α相域尺度的結(jié)構(gòu)特征是顯著的，而其他幾何特征等于或大于原始β柱狀晶尺度的微觀結(jié)構(gòu)各向異性則大部分被保留了下來(lái)。在850℃/2h/FC或900℃/2h/FC熱處理后獲得屈服強(qiáng)度、極限抗壓強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的最佳匹配。

Fan等[26]研究發(fā)現(xiàn)，SLM TC4合金試樣經(jīng)真空950℃/1h/AC + 540℃/4h/AC工藝處理后，微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)籃組織，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為1206MPa和1122MPa，伸長(zhǎng)率達(dá)到13.42%。而在真空950℃/1h/FC工藝下，組織中的一些α相球化，另一部分仍具有網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)特性，微觀結(jié)構(gòu)變?yōu)殡p態(tài)組織。試樣的強(qiáng)度略有增加，但伸長(zhǎng)率降低至2.42%，明顯低于沉積態(tài)。圖5[26]顯示了經(jīng)過(guò)不同熱處理的TC4合金的金相顯微組織。對(duì)于沉積態(tài)TC4合金，金相組織是以針狀α'馬氏體為主的魏氏組織。研究認(rèn)為，魏氏組織的塑性和沖擊韌性較差，但抗蠕變性能較好；網(wǎng)籃組織的塑性、沖擊韌性和高溫蠕變性能較好，雙態(tài)組織強(qiáng)度較高，塑性較差。

李文賢等[27]研究了7種不同的氬氣氛保護(hù)熱處理工藝對(duì)于SLM TC4合金組織性能的影響。發(fā)現(xiàn)在800℃/2h/FC工藝下進(jìn)行熱處理后由于在高溫保溫時(shí)間較短，因此所獲得的組織較細(xì)，并且冷卻速率較慢，組織主要由α+β平衡相組成，因此伸長(zhǎng)率達(dá)到20.5%。不同熱處理工藝下試樣相應(yīng)的力學(xué)性能指標(biāo)如圖6所示[27]。

Wu等[28]對(duì)SLM TC4合金在300～1020℃進(jìn)行氬氣氛保護(hù)熱處理后水冷，并總結(jié)了顯微組織形態(tài)隨熱處理溫度變化的4個(gè)階段：當(dāng)加熱溫度低于600℃時(shí)，原始的針狀形態(tài)僅少部分分解，沉積態(tài)和熱處理后的試樣顯微組織沒(méi)有明顯差別；當(dāng)在750～900℃時(shí)，原始的針狀α'馬氏體明顯地分解成α片層和周?chē)摩孪?；?00～990℃，之前占主要部分的α'相在920℃時(shí)明顯轉(zhuǎn)變成為穿晶α+β片層，而且片層長(zhǎng)寬比隨溫度增加而不斷減?。怀^(guò)Tβ后，α相體積分?jǐn)?shù)不斷降低，馬氏體體積分?jǐn)?shù)不斷增加，細(xì)長(zhǎng)的原始β柱狀晶徹底轉(zhuǎn)變成為粗大的等軸β晶，水冷后晶粒內(nèi)部為新形成的馬氏體。馬氏體由原始的集束狀轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)籃狀。

圖5 不同狀態(tài)下的SLM TC4合金試樣的微觀結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstructure of SLM TC4 samples for different conditions

圖6 不同狀態(tài)下的SLM TC4合金試樣拉伸性能Fig.6 Tensile properties of SLM TC4 samples for different conditions

Huang等[29]對(duì)SLM TC4 合金分別進(jìn)行氬氣氛保護(hù)亞臨界熱處理，超臨界固溶熱處理以及超臨界固溶+亞臨界混合熱處理3類(lèi)熱處理手段。研究發(fā)現(xiàn)，在不改變?cè)贾鶢瞀戮螒B(tài)的情況下，亞臨界熱處理導(dǎo)致網(wǎng)籃組織的產(chǎn)生。超臨界固溶處理產(chǎn)生片層狀結(jié)構(gòu)和等軸β晶粒。混合熱處理獲得了結(jié)合亞臨界熱處理和超臨界固溶熱處理兩種特征的顯微組織結(jié)構(gòu)。對(duì)應(yīng)熱處理工藝下合金相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)如表5所示[29]?？梢钥闯?，在3類(lèi)熱處理手段中，亞臨界熱處理能夠獲得很好的強(qiáng)塑性匹配，800℃/2h/AC熱處理工藝效果最佳。

Cao等[30]通過(guò)控制熱處理溫度和保溫時(shí)間來(lái)控制SLM TC4合金中α'馬氏體的分解程度，進(jìn)而探究α'馬氏體分解對(duì)于SLM TC4合金試樣拉伸性能的影響。研究分別制定了4種真空熱處理工藝，冷卻方式均為爐冷。當(dāng)熱處理溫度為800℃且保溫時(shí)間在6h以上時(shí)，α'馬氏體完全分解，隨著熱處理溫度的升高，α片層的寬度在增加，同時(shí)β相體積分?jǐn)?shù)也在增加。如圖7所示[30]，在800℃時(shí)進(jìn)行退火熱處理使得塑性與強(qiáng)度匹配較好。在800℃/6h/FC和800℃/12h/FC兩種熱處理工藝下，試樣的伸長(zhǎng)率增加至18%以上，相對(duì)于800℃/2h/FC熱處理工藝，試樣的屈服強(qiáng)度僅下降2%，抗拉強(qiáng)度仍在1000MPa以上，下降幅度較小。

Liang等[31]研究了5種不同的氬氣氛保護(hù)熱處理方法對(duì)SLM TC4合金的組織和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，隨著熱處理溫度的升高，α'相逐漸分解成為片層α+β組織，在800℃/4h/AC熱處理工藝下基本完全分解；而在950℃/2h/WC+540℃/4h/AC工藝下，由于水冷而形成了相較于沉積態(tài)α'相稍微粗化的新α'相。從圖8[31]可以看出，當(dāng)熱處理溫度在800℃以及850℃時(shí)試樣的伸長(zhǎng)率超過(guò)了12%，而抗拉強(qiáng)度也超過(guò)1000MPa；綜合力學(xué)性能較好。

Yu等[32]發(fā)現(xiàn)采用氬氣氛保護(hù)下 的920℃/2h/FC（HT–920）以及850℃/2h/WC+550℃/4h/AC（HT–850–550）兩種熱處理工藝均會(huì)導(dǎo)致 SLM TC4 合金內(nèi)α片層發(fā)生不同程度的粗化。隨著熱處理溫度從850℃升高到920℃，試樣冷卻后α/α'晶寬度逐漸增加。進(jìn)行HIP處理后試樣綜合力學(xué)性能在3種熱處理中最好。從圖9[32]中可以發(fā)現(xiàn)，和沉積態(tài)試樣相比，3種熱處理方式均使得試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低，但伸長(zhǎng)率超過(guò)了鍛造退火態(tài)試樣。圖10[32]表明熱處理后試樣的高周疲勞強(qiáng)度明顯提高，HIP處理后試樣的疲勞性能改善最顯著，可與鍛造退火態(tài)試樣媲美。

討論

隨著LAM技術(shù)的日益成熟以及LAM TC4合金突出的優(yōu)勢(shì)，LAM TC4合金的加工工藝參數(shù)也在不斷被優(yōu)化與豐富。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)進(jìn)行研究分析總結(jié)如下：

圖7 不同狀態(tài)下的H方向取樣SLM TC4 合金試樣的拉伸性能Fig.7 Tensile properties of SLM TC4 samples H direction for different conditions

表5 不同狀態(tài)下的SLM TC4 合金試樣的力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of SLM TC4 samples for different conditions

（1） 影響沉積態(tài)LAM TC4合金原始組織性能的LAM工藝參數(shù)主要包括激光能量密度、掃描速度、搭接率、層厚及層間角度等。在其他參數(shù)相同的情況下，激光能量密度較高時(shí)，在LAM過(guò)程中熱積累更加顯著，導(dǎo)致冷卻速率降低，無(wú)法形成馬氏體，轉(zhuǎn)而形成粗化的魏氏α集束組織，使得沉積態(tài)試樣強(qiáng)度降低，塑性有所提升；隨著LAM過(guò)程中冷卻速率的增加，微觀組織由粗化魏氏α集束向網(wǎng)籃組織轉(zhuǎn)變，網(wǎng)籃組織塑性較魏氏組織稍好，但韌性稍差，強(qiáng)度適中，各向異性較小；隨著冷卻速率進(jìn)一步增加，形成針狀馬氏體組織，其塑性差，強(qiáng)度高；當(dāng)激光能量密度足夠高，會(huì)形成等軸晶組織，其塑性好，但強(qiáng)度低，各向異性最小。

（2）通過(guò)對(duì)比LCD與SLM兩種LAM技術(shù)發(fā)現(xiàn)，一般SLM所用激光功率較小，但能量密度較高，同時(shí)鋪粉厚度也較小，在增材制造過(guò)程中合金內(nèi)部冷卻速率很快，導(dǎo)致馬氏體組織的形成；而LCD技術(shù)所用激光功率一般較大，并且可調(diào)節(jié)范圍大，同時(shí)成形尺寸不受限，因此可以通過(guò)合理的控制工藝參數(shù)如冷卻速率等來(lái)獲得不同的組織。

（3）對(duì)于內(nèi)部以針狀馬氏體為主的LAM TC4沉積態(tài)試樣，在退火條件下，當(dāng)Ta>Tβ并保溫一定時(shí)間后，β柱狀晶結(jié)構(gòu)消失，隨著保溫時(shí)間的增加，晶粒等軸化程度不斷增加并且不斷粗化，冷卻至室溫后，強(qiáng)度大幅降低，塑性有較大提升；而當(dāng)Ta

圖8 沉積態(tài)(AF)、退火態(tài)(AT) 和固溶時(shí)效(QAT) 試樣的力學(xué)性能Fig.8 Mechanical properties of as-fabricated (AF) samples, annealing-treated (AT) samples and quenching-aging-treated (QAT) samples

圖9 不同狀態(tài)下的SLM TC4合金試樣的拉伸性能Fig.9 Tensile properties of SLM TC4 samples for different conditions

圖10 不同狀態(tài)下的SLM TC4合金試樣的疲勞性能Fig.10 Fatigue performances of SLM TC4 samples for different conditions

（4） 一般加熱溫度在900℃～Tβ范圍被用來(lái)進(jìn)行固溶處理，為后面的時(shí)效處理做準(zhǔn)備，在該溫度段內(nèi)，隨著固溶溫度的升高，更多的α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，冷卻后形成新的粗化馬氏體，在時(shí)效之后,α+β片層層間距減小，α板條長(zhǎng)度增加，導(dǎo)致位錯(cuò)滑移程增加，同時(shí)β轉(zhuǎn)變基體當(dāng)中析出細(xì)小的二次α相，組織從α+β片層向網(wǎng)籃組織再到粗化魏氏α集束組織轉(zhuǎn)變，強(qiáng)度不斷增加，塑性大幅下降。根據(jù)已有研究，選擇920℃進(jìn)行固溶，時(shí)效后可以獲得較好的強(qiáng)塑性匹配，此時(shí)合金強(qiáng)塑性匹配較好，各向異性也較小，目前已有研究人員通過(guò)將退火與固溶時(shí)效結(jié)合起來(lái)，獲得了很好的強(qiáng)塑性匹配。

（5） 熱等靜壓后的組織一般為α+β片層組織或網(wǎng)籃組織，同時(shí)由于合金內(nèi)部的孔隙等缺陷被焊合，合金強(qiáng)度、塑性以及低周疲勞性能均較好，各向異性稍高于等軸組織。

結(jié)論

近些年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)LAM TC4合金熱處理后組織形態(tài)與強(qiáng)度、塑性之間關(guān)系的內(nèi)在機(jī)理不斷深入的研究，目前LAM TC4合金通過(guò)熱處理已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)很好的強(qiáng)塑性匹配。但是對(duì)于如何通過(guò)熱處理使強(qiáng)塑性、韌性以及疲勞性能均比較理想，同時(shí)明晰其內(nèi)在機(jī)理的研究比較少，而恰恰韌性以及疲勞性能對(duì)于合金零件安全性能以及壽命至關(guān)重要，因此進(jìn)一步深入研究LAM TC4合金組織結(jié)構(gòu)對(duì)于其強(qiáng)韌性以及疲勞性能影響的內(nèi)在機(jī)理，并且通過(guò)熱處理改善其組織，進(jìn)而提升韌性與疲勞性能會(huì)是未來(lái)該研究領(lǐng)域的關(guān)鍵點(diǎn)。與此同時(shí)，LAM工藝參數(shù)對(duì)于熱處理后LAM TC4合金的性能影響比較顯著，通過(guò)合理匹配LAM工藝參數(shù)與熱處理方法是獲得優(yōu)異力學(xué)性能合金的最佳選擇。但目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)于能夠獲得優(yōu)異綜合力學(xué)性能 LAM TC4鈦合金的工藝參數(shù)與熱處理制度之間的對(duì)應(yīng)機(jī)理與規(guī)律的研究還比較少，導(dǎo)致在不同LAM工藝參數(shù)下，即使采用同種熱處理工藝得到的結(jié)果差異還是較大。因此應(yīng)該盡快制定完善LAM TC4合金熱處理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與手冊(cè)，以便為將來(lái)該項(xiàng)技術(shù)能夠廣泛普及與應(yīng)用起到指導(dǎo)性作用。