激光快速成形與鍛造TC4鈦合金力學(xué)行為對比研究

向文麗，徐 媛，孫 坤

(楚雄師范學(xué)院 材料制備及力學(xué)行為研究所，云南 楚雄 675000)

由于優(yōu)良的力學(xué)、物理與化學(xué)性能，TC4鈦合金在航空航天、武器裝備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛. 傳統(tǒng)上通常采用鍛造方法生產(chǎn)鈦合金，但由于生產(chǎn)成本及大型結(jié)構(gòu)件的加工困難，近30年發(fā)展起來的激光快速成形方法迅速成為鈦合金等難加工金屬材料的常用制備方法. 對傳統(tǒng)鍛造方法生產(chǎn)的TC4鈦合金，國內(nèi)外學(xué)者對其力學(xué)行為進行了廣泛而深入的研究[1-3]，對激光快速成形TC4鈦合金，Thijs[4]，Vrancken[5]， Hollander[6]， Parthasarathy[7]等 制 備 了激光快速成形Ti?6Al?4V合金，并分別研究了激光掃描參數(shù)及掃描方式對其微結(jié)構(gòu)演化的影響、幾種熱處理方式對其微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響、沉積態(tài)及經(jīng)退火處理后的材料的靜態(tài)力學(xué)和結(jié)構(gòu)性能. Murr等[8-9]采用電子束熔化及激光選區(qū)熔化的分層制造技術(shù)制備了簡單幾何形狀的Ti?6Al?4V樣品，研究了其微結(jié)構(gòu)和靜態(tài)力學(xué)性能，并與傳統(tǒng)鍛造及用鑄造方法制備的Ti?6Al?4V的微結(jié)構(gòu)與靜態(tài)力學(xué)性能進行了對比. 陳靜等[10]研究了激光快速成形Ti?6Al?4V合金的力學(xué)性能，相比于鍛造件，激光快速成形沉積態(tài)Ti?6Al?4V合金的拉伸性能具有高強低塑特點和更顯著的各向異性.王濤等[11]對不同取向激光熔覆制備的TC4鈦合金試樣的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能進行了比較研究. 結(jié)果表明，X向試樣的抗拉強度和屈服強度均高于Z向試樣.而Z向試樣的斷后伸長率和斷面收縮率明顯高于X向試樣. 樊偉剛等[12]研究了激光快速成形Ti?6Al?4V合金沉積態(tài)和其退火態(tài)合金的顯微組織和拉伸性能,并與傳統(tǒng) TC4 合金的進行了對比. 結(jié)果表明，沉積態(tài)和退火態(tài)激光立體成形合金的拉伸性能均優(yōu)于傳統(tǒng)退火態(tài)TC4 合金的拉伸性能. 朱遠(yuǎn)志等[13]對比研究了激光快速成形技術(shù),鍛造和鑄造方法制備的TC4鈦合金試樣的組織與拉伸力學(xué)性能，結(jié)果表明，3種方法制備的樣品抗拉強度和延伸率均有所區(qū)別，不同成型方式樣品力學(xué)性能的差異來自于其形成的不同微觀組織和晶粒大小. 激光快速成形TC4鈦合金樣品會在其成型快速冷卻過程中形成網(wǎng)籃組織，且晶粒非常細(xì)小，約為2～3 μm. 鍛造樣品成型時形成等軸組織，晶粒尺寸約為10 μm，且微觀組織比3D打印和鑄態(tài)合金更加均勻，因而具有更高的延伸率.

目前，針對激光快速成形鈦合金與傳統(tǒng)鍛造生產(chǎn)鈦合金對比研究主要從靜態(tài)力學(xué)行為差異進行比較，而動態(tài)力學(xué)行為方面對比研究還鮮有報道.本文利用MTS萬能材料試驗機和分離式Hopkinson Bar技術(shù)，分別對激光快速成形與傳統(tǒng)鍛造TC4鈦合金進行了準(zhǔn)靜態(tài)及動態(tài)壓縮試驗，研究2種制備方法生產(chǎn)TC4鈦合金的力學(xué)行為，為激光快速成形生產(chǎn)鈦合金提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)參考，為工程應(yīng)用選材提供可靠的數(shù)據(jù)支持，具有重要的工程應(yīng)用價值.

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料及處理方法實驗用激光快速成形TC4（Laser rapid forming TC4,以下簡稱 LRF TC4）鈦合金由西北工業(yè)大學(xué)凝固國家重點實驗室生產(chǎn)，其工藝參數(shù)參閱文獻[14]. 由激光快速近凈成形技術(shù)形成的TC4沉積態(tài)原始微觀組織如圖1（a）所示，由于快速熔融和快速冷卻緣故，其組織為細(xì)小針狀網(wǎng)籃組織，平均板條寬約為0.2 μm.

鍛態(tài)TC4鈦合金是西北有色金屬研究院生產(chǎn)的直徑為Φ35的棒材，其成分如表1所示. 通過表2所示熱處理工藝，獲得該材料的等軸及網(wǎng)籃組織.等軸組織中等軸α相呈現(xiàn)鍛造變形拉長態(tài)，晶粒平均尺寸約為10～20 μm，網(wǎng)籃組織的α板條平均寬約為 0.35 μm，2 種組織的微觀形貌分別如圖 1（b）、圖 1（c）所示.

1.2 力學(xué)測試采用楚雄師范學(xué)院材料制備及力學(xué)行為研究所100 kN微機控制MTS萬能材料試驗機，對LRF TC4材料沉積態(tài)及鍛造TC4鈦合金1#(forging TC4?1#)、鍛造 TC4 鈦合金 2#（forging TC4?2#）進行室溫準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗，試驗應(yīng)變率為0.001 s?1；采用楚雄師范學(xué)院材料制備及力學(xué)行為研究所的Φ14.5 mm高溫、高應(yīng)變率耦合分離式Hopkinson壓桿系統(tǒng)，分別對上述3種材料Φ5×5 mm圓柱試樣進行室溫高應(yīng)變率動態(tài)壓縮試驗，試驗條件為：室溫，200 mm撞擊桿，應(yīng)變率分別為2 200 s?1和 3 400 s?1.

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)響應(yīng)圖2為3種試樣在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力?應(yīng)變曲線，其中圖2（a）為3種試樣準(zhǔn)靜態(tài)下的壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線，圖 2（b）～（d）圖為 3 種試樣分別在不同高應(yīng)變率下的動態(tài)壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線.

圖 1 試驗材料微觀組織Fig. 1 Microstructure of test material

表 1 TC4 合金的主要化學(xué)成分 (w/%)Tab. 1 Chemical constitution of TC4 alloy (w/%)

表 2 鍛造 TC4 的熱處理方法Tab. 2 Methods of heat treatment of forging TC4 alloy

圖 2 TC4鈦合金3種試樣分別在4種應(yīng)變率下的應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig. 2 Stress?strain curves of three kinds of morphology of TC4 titanium alloy under four kinds of strain rate

從圖2（a）可看出，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮變形下，3種試樣中，鍛造TC4?1#表現(xiàn)出最好的塑性及強度，且在準(zhǔn)靜態(tài)變形中呈現(xiàn)出應(yīng)變強化效應(yīng). 鍛造TC4?2#及 LRF TC4 在準(zhǔn)靜態(tài)條件下壓縮時，表現(xiàn)出相同的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律：強度、塑性相當(dāng)，應(yīng)變強化效應(yīng)較弱.

圖2（b）～（d）為3種試驗材料在應(yīng)變率分別為2 200、2 800、3 400 s?1動態(tài)壓縮時的應(yīng)力?應(yīng)變曲線. 3種試樣在高應(yīng)變率變形中，其應(yīng)力?應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)出振蕩的特點. 由于材料在高應(yīng)變率加載條件下的變形過程時間極短，由塑性功轉(zhuǎn)化來的熱量引起的熱軟化效應(yīng)與應(yīng)變增大時由位錯增殖引起的加工硬化效應(yīng)及由應(yīng)變率增大引起的應(yīng)變率硬化效應(yīng)共存，軟化效應(yīng)和硬化效應(yīng)相互競爭導(dǎo)致材料塑性變形階段呈現(xiàn)振蕩特征. 試驗結(jié)果與材料在高應(yīng)變率條件下的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)的經(jīng)典公式吻合[15]. 同時，2種生產(chǎn)工藝制備的3種試樣也呈現(xiàn)出不同的動態(tài)力學(xué)性能，鍛造TC4?1#等軸組織試樣具有最高的動態(tài)流變應(yīng)力及應(yīng)變，強度和塑性綜合性能最佳，鍛造 TC4?2#網(wǎng)籃組織和 LRF TC4 沉積態(tài)網(wǎng)籃組織塑性相當(dāng)，但前者的動態(tài)流變應(yīng)力高于后者.

無論是準(zhǔn)靜態(tài)還是動態(tài)條件下變形，鍛造TC4?1#均具有最高的強度及塑性，表明組織形貌對材料力學(xué)性能影響巨大. 由于鍛造TC4?1#中等軸α相呈球狀，取向任意，變形協(xié)調(diào)性好，同時等軸α相具有較強的抗裂紋萌生的能力，有利于TC4鈦合金塑性和沖擊性能的提高，故鍛造TC4?1#等軸組織表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性，而持續(xù)的塑性變形將使位錯大量增殖，使材料強度持續(xù)不斷增大，直至斷裂. 而鍛造 TC4?2#及 LRF TC4 沉積態(tài)組織均為網(wǎng)籃組織，其組織相互交織且沿一定位向排列，變形過程中的變形協(xié)調(diào)性較差使其塑性也相對較差，易過早斷裂，因而其強度也較鍛造 TC4?1#差. 鍛造 TC4?2#及 LRF TC4 沉積態(tài)在準(zhǔn)靜態(tài)下強度、塑性相當(dāng)，而動態(tài)條件下，鍛造 TC4?2#強度較LRF TC4沉積態(tài)好，可能與鍛態(tài)組織較為密實，而激光快速成形由于快熔快冷使成形材料中存在孔洞及搭接缺陷有關(guān)[16]. 圖3為鍛造TC4?2#及LRF TC4 的 SEM 形貌，圖 3（a）顯示了鍛造 TC4?2#材料緊湊密實形貌，而LRF TC4則由于激光快速熔融及快速冷卻過程中的溫度不均勻性，造成了材料中搭接處出現(xiàn)了裂紋及孔洞，對材料的力學(xué)性能造成了不利影響,一定程度上導(dǎo)致激光快速成形LRF TC4沉積態(tài)網(wǎng)籃組織試樣的動態(tài)力學(xué)性能稍次于鍛造TC4?2#網(wǎng)籃組織試樣.

2.2 應(yīng)變率效應(yīng)圖 4為3種材料分別在不同應(yīng)變率下應(yīng)力?應(yīng)變曲線. 從圖中可看出，當(dāng)應(yīng)變率從 10?3（準(zhǔn)靜態(tài)壓縮）變化到 103（動態(tài)壓縮）數(shù)量級時，3種材料的流變應(yīng)力顯著提高；當(dāng)應(yīng)變率為103（動態(tài)壓縮），應(yīng)變率分別為 2 200、2 800、3 400 s?1時，3種試樣流變應(yīng)力也呈逐漸增加的趨勢，當(dāng)應(yīng)變率為 3 400 s?1時，試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線整體高度均在 2 200 s?1和 2 800 s?1上方，即流變應(yīng)力最大，呈現(xiàn)最大的強度，當(dāng)應(yīng)變率為 2 800 s?1時，試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線整體高度次于 3 400 s?1曲線，介于3 400 s?1和 2 200 s?1之間，即其流變應(yīng)力和強度次于3 400 s?1并大于 2 200 s?1時對應(yīng)的流變應(yīng)力和強度，而應(yīng)變率為 2 200 s?1時最弱. 由此可見，激光快速成形與傳統(tǒng)鍛造TC4鈦合金試樣均表現(xiàn)出較強的應(yīng)變率強化效應(yīng)，均為應(yīng)變率敏感材料，即應(yīng)變率越大，流變應(yīng)力越大的規(guī)律.

圖 3 試驗材料 SEM 形貌Fig. 3 SEM microstructure of test material

圖 4 TC4 鈦合金 3 種試樣不同應(yīng)變率下的應(yīng)力?應(yīng)變對比圖Fig. 4 Stress-strain curves of three kinds of morphology of TC4 titanium alloy under different kinds of strain-rate

為了量化比較激光快速成形與傳統(tǒng)鍛造TC4鈦合金試樣的應(yīng)變率效應(yīng)，采用式（1）定義的應(yīng)變率敏感因子m對3種試樣在高應(yīng)變率加載條件下的應(yīng)變率效應(yīng)進行定量分析[17]：

式中σD和σS分別代表高應(yīng)變率下的流變應(yīng)力和準(zhǔn)靜態(tài)下的流變應(yīng)力.

根據(jù)式 (1)，計算了 3 種材料在應(yīng)變率 2 200 s?1且不同規(guī)定應(yīng)變時的應(yīng)變率敏感因子. 3種材料應(yīng)變率敏感因子m隨應(yīng)變的變化曲線如圖5所示.

從圖 5 可看出，應(yīng)變率 2 200 s?1條件下加載時，激光快速成形與傳統(tǒng)鍛造TC4鈦合金試樣應(yīng)變率敏感因子m均隨應(yīng)變的增大而下降，即應(yīng)變率敏感性均隨應(yīng)變的增大而下降，這是因為：如前所述，高應(yīng)變率加載條件下，應(yīng)變硬化效應(yīng)和溫度熱軟化效應(yīng)相互競爭，隨應(yīng)變增大，材料中熱軟化效應(yīng)增強，應(yīng)變強化效應(yīng)減弱，使得3種組織的動態(tài)流變應(yīng)力均有不同程度的下降（σD↓）所致.

圖 5 TC4合金3種組織應(yīng)變率敏感因子m隨應(yīng)變的變化曲線Fig. 5 Variation curves of strain?rate sensitivity factor m with strain for three kinds of morphology of TC4 titanium alloy

從圖5可同時可看出3種試樣應(yīng)變率效應(yīng)不同，應(yīng)變率敏感性隨應(yīng)變增大而下降的程度不一樣，鍛造TC4?2#網(wǎng)籃組織試樣應(yīng)變率整體曲線最高，鍛造TC4?1#等軸組織試樣曲線居于鍛造TC4?2#和LRF TC4之間，激光快速成形TC4網(wǎng)籃組織試樣最低. 即鍛造TC4?2#試樣顯示了最高的應(yīng)變率敏感性，LRF TC4試樣應(yīng)變率敏感性最弱，鍛造TC4?1#試樣敏感性居于二者之間.

3 結(jié)論

采用MTS試驗機及霍普金森壓桿，對鍛造和激光快速成形TC4鈦合金圓柱形試樣進行了準(zhǔn)靜態(tài)及動態(tài)壓縮試驗，對比分析了2種不同生產(chǎn)方式制備的TC4鈦合金試樣的力學(xué)行為，結(jié)論如下：

（1）激光快速成形和傳統(tǒng)鍛造2種不同方法形成的顯微組織和晶粒尺寸有所區(qū)別，鍛造TC4?1#(forging TC4?1#)為等軸組織，晶粒平均尺寸約為10～20 μm，尺寸最大，鍛造 TC4?2#(forging TC4?2#)網(wǎng)籃組織，平均寬約為0.35 μm，激光快速成形TC4（LRF TC4）為細(xì)小針狀網(wǎng)籃組織，平均板條寬約為0.2 μm，尺寸最小，材料中搭接處有裂紋及孔洞.

（2）激光快速成形 LRF TC4、鍛造 TC4?1#、鍛造TC4?2#準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)性能有所差異，不同成型方法產(chǎn)生的試樣組織形貌和晶粒尺寸的差異一定程度上造成其力學(xué)性能的差異.

（3）在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮變形下，鍛造TC4?1#等軸組織試樣表現(xiàn)出最好的塑性及強度，且呈現(xiàn)出較強的應(yīng)變強化效應(yīng). 鍛造 TC4?2#網(wǎng)籃組織及 LRF TC4沉積態(tài)網(wǎng)籃組織試樣強度、塑性相當(dāng)，應(yīng)變強化效應(yīng)較弱.

（4）在動態(tài)壓縮變形下，鍛造TC4?1#等軸組織試樣具有最高的流變應(yīng)力及應(yīng)變，鍛造TC4?2#網(wǎng)籃組織和LRF TC4激光快速沉積態(tài)網(wǎng)籃組織塑性相當(dāng)，但前者的動態(tài)流變應(yīng)力高于后者. LRF TC4快熔快冷溫度不均勻性對材料的力學(xué)性能造成了不利影響,一定程度上導(dǎo)致LRF TC4沉積態(tài)網(wǎng)籃組織試樣的動態(tài)力學(xué)性能不及鍛造TC4?2#網(wǎng)籃組織試樣.

（5）鍛造 TC4?1#、鍛造 TC4?2#和 LRF TC4 均為應(yīng)變率敏感材料，但應(yīng)變率效應(yīng)不同；3種材料中，鍛造TC4?2#網(wǎng)籃組織試樣顯示了最高的應(yīng)變率敏感性，LRF TC4網(wǎng)籃組織試樣應(yīng)變率敏感性最弱，鍛造TC4?1#等軸組織試樣敏感性居于二者之間.