熱處理制度對(duì)激光增材制造TA15鈦合金力學(xué)性能的影響

（海裝沈陽(yáng)局駐沈陽(yáng)地區(qū)第一軍事代表室，沈陽(yáng) 110031）

鈦合金具有高比強(qiáng)、耐高溫、抗疲勞等優(yōu)異性能，大型復(fù)雜鈦合金整體構(gòu)件用量的高低，是衡量航空裝備技術(shù)先進(jìn)性的重要指標(biāo)[1]。采用整體鍛造等傳統(tǒng)方法制造大型鈦合金構(gòu)件工藝復(fù)雜，材料利用率低，周期長(zhǎng)，成本高。增材制造技術(shù)成形大型復(fù)雜鈦合金構(gòu)件具有數(shù)字化、精確化、設(shè)計(jì)-材料-制造一體化等明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[2]。大型金屬構(gòu)件的激光逐層熔化沉積增材制造過程，實(shí)際上是激光冶金高溫熔池在固體金屬基底快速導(dǎo)熱、溫度梯度超高、冷卻速度超快條件下的快速凝固及逐層堆積的過程。構(gòu)件的冶金組織、力學(xué)性能呈現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)和工藝過程狀態(tài)變化的高度敏感性及復(fù)雜多變性，給構(gòu)件內(nèi)部冶金組織一致性和力學(xué)性能穩(wěn)定性控制帶來(lái)巨大困難，國(guó)際公認(rèn)構(gòu)件的內(nèi)部質(zhì)量控制是增材制造技術(shù)在飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)之一[3]。

鈦合金的力學(xué)性能強(qiáng)烈受控于其宏微觀組織結(jié)構(gòu)特征。典型沉積態(tài)宏觀組織由貫穿多個(gè)熔覆層呈外延生長(zhǎng)的粗大β 柱狀胞晶組成，晶內(nèi)微觀組織是由極少量針狀α 板條、大量的魏氏α 板條及一定體積分?jǐn)?shù)的板條間β相組成[4]。雖然沉積態(tài)增材制造鈦合金強(qiáng)度優(yōu)于/相當(dāng)于鍛件，但受粗大晶粒組織影響，其變形協(xié)調(diào)能力較差，表現(xiàn)為塑性較低（低于/稍高于鍛件的最低值）[5-7]。通過控制熱處理動(dòng)力學(xué)過程優(yōu)化顯微組織是提高鈦合金力學(xué)性能的有效方法之一[8]。席明哲等[9]指出將激光快速成形TA15 鈦合金在α+β 兩相區(qū)溫度退火，初生α相顯著長(zhǎng)大而體積分?jǐn)?shù)減少，同時(shí)在初生α相板條間的β 轉(zhuǎn)變組織體積分?jǐn)?shù)增加，該β轉(zhuǎn)變組織由二次析出的α相薄片和殘余β 相薄片組成，這種顯微組織表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。張霜銀[10-11]、Dinda[12]和Brandl[13]等亦發(fā)現(xiàn)經(jīng)熱處理后沉積態(tài)TC4 內(nèi)α片層厚度增加，材料拉伸強(qiáng)度降低而塑性提高。

擴(kuò)大激光增材制造鈦合金關(guān)鍵主承力構(gòu)件的應(yīng)用范圍已成為航空裝備減輕結(jié)構(gòu)重量，提升性能指標(biāo)的重要手段[14]。北京航空航天大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[15-17]通過熱處理主動(dòng)控制激光增材制造TA15 鈦合金的固態(tài)相變形核和長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)過程，獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，率先實(shí)現(xiàn)激光增材制造飛機(jī)鈦合金大型整體主承力構(gòu)件。本文基于增材制造鈦合金結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用積累的性能數(shù)據(jù)，分析熱處理制度對(duì)激光增材制造TA15 鈦合金綜合力學(xué)性能的影響，為進(jìn)一步優(yōu)化熱處理制度，降低構(gòu)件研發(fā)成本，擴(kuò)大增材制造結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)及方法

本試驗(yàn)所研究的熱處理TA15 鈦合金板材來(lái)自北京航空航天大學(xué)大型金屬構(gòu)件增材制造國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室。沉積工藝為：采用LMD-V型激光成形系統(tǒng)，保護(hù)氣體為氬氣，激光功率4～6kW，光斑直徑6～8mm，掃描速度15～20mm/s，單層厚度1～1.5mm，送粉速度600～1000g/h。激光增材制造沉積過程如圖1所示，沉積增高方向?yàn)閆軸所示方向，激光束掃描方向?yàn)閄向，垂直于沉積方向和激光掃描方向的為Y向，相應(yīng)的各個(gè)截面分別為XOZ、YOZ和XOY截面。試樣成形后，采用金相法測(cè)試得到激光增材制造TA15鈦合金的β 相變點(diǎn)為1010℃。熱處理工藝：普通退火熱處理制度為700～800℃/1～4h，空冷；雙重退火熱處理制度為950～1000 ℃/0.5～1.5h，空冷或風(fēng)冷+700℃～800℃/1～4h，空冷，其中普通退火熱處理工藝目的是去除構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力，熱處理溫度低于800℃，對(duì)TA15合金組織不造成影響[18-19]。

為全面表征普通退火和雙重退火兩種熱處理狀態(tài)的影響，進(jìn)行了兩種熱處理狀態(tài)下顯微組織表征和力學(xué)性能測(cè)試，具體試驗(yàn)項(xiàng)目和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。顯微組織觀察采用的是縱截面YOZ試樣，腐蝕液為體積比為1∶6∶43的HF∶HNO3∶H2O 混合溶液，腐蝕時(shí)間約5～8s。顯微組織分析中α相體積含量和尺寸采用Image J 軟件進(jìn)行測(cè)量，體積含量測(cè)量來(lái)自3 張掃描照片的平均值，而α片層寬度測(cè)量來(lái)自3 張掃描照片共約30個(gè)α片層的平均值。

圖1 激光增材制造TA15鈦合金增材制造系統(tǒng)與取樣方向示意圖Fig.1 Schematic of laser additive manufacturing process of TA15 alloy and layout of C(T) specimen in sample

表1 普通退火和雙重退火態(tài)激光增材制造TA15鈦合性能測(cè)試試驗(yàn)內(nèi)容Table1 Performance test of laser additive manufactured TA15 titanium alloy under ordinary annealing and double annealing

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

普通退火態(tài)和雙重退火態(tài)激光增材制造TA15 鈦合金宏觀組織如圖2所示，兩種熱處理制度宏觀組織沒有明顯差異，均為沿著沉積方向外延生長(zhǎng)的粗大原始β柱狀晶組織，柱狀晶的寬度在幾百μm 到mm 級(jí)，柱狀晶的長(zhǎng)度貫穿多個(gè)沉積層達(dá)幾cm。

普通退火態(tài)和雙重退火態(tài)激光增材制造TA15 鈦合金顯微組織如圖3所示，兩種熱處理制度顯微組織顯著不同。普通退火態(tài)激光增材制造TA15 鈦合金為細(xì)片層α+β 超細(xì)網(wǎng)籃組織，α相體積含量約為78.1%±2.1%，平均α片層厚度約為（1.05±0.11）μm。雙重退火態(tài)激光增材制造TA15 鈦合金為端部帶根須狀形貌的初生α相+超細(xì)β 轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成的特種雙態(tài)組織，初生α相體積含量約為40.5%±7.4%，初生α相片層寬度平均值為（2.45±0.23）μm。

2.2 靜力性能

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010 要求，采用棒狀試樣對(duì)普通退火態(tài)和雙重退火態(tài)激光增材制造TA15 鈦合金室溫拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析見表2，可知，普通退火態(tài)縱向、橫向的抗拉強(qiáng)度Rm為992MPa、1022MPa；縱向、橫向的屈服強(qiáng)度Rp0.2為904MPa、945MPa；縱向、橫向的斷后伸長(zhǎng)率為13.3%、9.5%；雙重退火態(tài)縱向、橫向抗拉強(qiáng)度平均值為973MPa、984MPa；縱向、橫向的屈服強(qiáng)度為910MPa、882MPa；縱向、橫向的斷后伸長(zhǎng)率平均值為14.7%、10.4%；兩種熱處理狀態(tài)下室溫拉伸均呈現(xiàn)一定各向異性，橫向較縱向強(qiáng)度略高，塑性低；與雙重退火態(tài)相比，普通退火態(tài)激光增材制造TA15 鈦合金強(qiáng)度略高，但塑性略低。這是因?yàn)橥ǔＧ闆r下，合金不同方向上的力學(xué)性能差異主要是由晶粒形貌、織構(gòu)、α相含量及其板條寬度造成，比較退火態(tài)和雙重處理態(tài)組織可以看出，其晶粒形貌、織構(gòu)等均相同，但α相含量及其板條寬度存在較大差異，Zhang[23]及Ren[24]等的研究表明，隨著α相片層尺寸的增加及含量降低，均能導(dǎo)致合金的強(qiáng)度下降，塑性提升。本試驗(yàn)中雙重退火態(tài)的α相板條寬度明顯厚于退火態(tài)，且導(dǎo)致其強(qiáng)度低于退火態(tài)，但塑性提升。

圖2 普通退火態(tài)和雙重退火態(tài)激光增材制造TA15鈦合金宏觀組織Fig.2 Macro- morphology of TA15 titanium alloy produced by laser AM under ordinary annealing and double annealing process

圖3 激光增材制造TA15鈦合金顯微組織Fig.3 Microstructure of TA15 titanium alloy manufactured by laser AM

本文分析了激光增材制造TA15 鈦合金普通退火態(tài)與雙重退火態(tài)L向室溫拉伸斷口形貌，如圖4所示。兩種熱處理態(tài)試樣均為杯錐狀斷口，具有中心纖維區(qū)和四周剪切唇區(qū)，雙重退火態(tài)試樣的剪切唇區(qū)比例大。高倍下能看到明顯的韌窩形狀，普通退火態(tài)與雙重退火態(tài)的橫縱向斷裂機(jī)制均為韌性斷裂，但雙重退火態(tài)試樣的韌窩形貌更深更大，說明其塑性更好。

表2 普通退火和雙重退火態(tài)激光增材制造TA15鈦合金室溫拉伸性能Table2 Tensile properties of laser additive manufactured TA15 titanium alloy under ordinary annealing and double annealing

圖4 普通退火態(tài)和雙重退火態(tài)激光增材制造TA15鈦合金L向室溫拉伸斷口形貌Fig.4 Fractography of laser additive manufactured TA15 titanium alloy under ordinary annealing and double annealing

2.3 疲勞性能

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3075—2008 要求，采用棒狀試樣對(duì)普通退火態(tài)和雙重退火態(tài)激光增材制造TA15 鈦合金應(yīng)力集中系數(shù)Kt=1 光滑試樣和Kt=3 缺口試樣室溫高周疲勞性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件為，應(yīng)力比R=0.1，頻率f=120Hz，正弦波加載，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。可見，激光增材制造TA15 鈦合金普通退火態(tài)的疲勞性能顯著優(yōu)于雙重退火態(tài)。普通退火態(tài)縱向光滑試樣（Kt=1）條件疲勞極限（N=107）為605MPa，較雙重退火態(tài)的537.5MPa 高67.5MPa（約13%）；縱向缺口試樣（Kt=3）條件疲勞極限（N=107）為400MPa，較雙重退火態(tài)的322.5MPa 高77.5MPa（約24%）。合金的疲勞性能主要受初生α片層的寬度影響，片層寬度越小，其疲勞性能越好[23]，普通退火態(tài)合金的片層寬度明顯窄于雙重退火態(tài)，因此其疲勞性能更優(yōu)。

圖5 激光增材制造TA15鈦合金不同試樣的疲勞S-N曲線Fig.5 S-N curves of different samples for TA15 titanium alloy by laser addictive manufacturing

表3 普通退火和雙重退火態(tài)激光增材制造TA15鈦合金平面應(yīng)變斷裂韌性Table3 Plane strain fracture toughness of ordinary annealed and double annealed TA15 titanium alloy produced by AM

2.4 斷裂韌性

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4161—2007 要求，采用緊湊拉伸C(T)試樣對(duì)普通退火態(tài)和雙重退火態(tài)激光增材制造TA15 鈦合金平面應(yīng)變斷裂韌性KIC，取樣方向包括T-L和L-T方向，試驗(yàn)件厚度35mm。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，可見，普通退火態(tài)和雙重退火態(tài)激光增材制造TA15 鈦合金平面應(yīng)變斷裂韌性KIC均表現(xiàn)出一定的各向異性，L-T方向的平面應(yīng)變斷裂韌性KIC稍高于T-L方向。雙重退火態(tài)激光增材制造TA15 鈦合金表現(xiàn)出優(yōu)異的斷裂韌性，其平面應(yīng)變斷裂韌性KIC顯著高于普通退火態(tài)。Shi 等[25]的研究發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展與網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)中α片層的寬度相關(guān)，片層寬度的增加會(huì)增加裂紋擴(kuò)展的阻力，提高其斷裂韌性，Guo 等[26]也發(fā)現(xiàn)α片層寬度以及集束尺寸的增加會(huì)加大裂紋擴(kuò)展的阻力從而提高斷裂韌性。本試驗(yàn)中雙重退火態(tài)的α片層寬度明顯寬于普通退火態(tài)，使得其斷裂韌性更優(yōu)。

3 結(jié)論

本文對(duì)普通退火態(tài)和雙重退火態(tài)激光增材制造TA15 鈦合金顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

（1）兩種熱處理狀態(tài)下激光增材制造TA15 鈦合金顯微組織明顯不同。普通退火態(tài)為細(xì)片層α+β 超細(xì)網(wǎng)籃組織，雙重退火態(tài)為端部帶根須狀形貌的初生α相+超細(xì)β 轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成的特種雙態(tài)組織。

（2）普通退火態(tài)激光增材制造TA15 鈦合金極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和疲勞極限均優(yōu)于雙重退火態(tài)。

（3）雙重退火態(tài)激光增材制造TA15 鈦合金具有較好的塑性和優(yōu)異的斷裂韌性。

致謝

感謝北京航空航天大學(xué)大型金屬構(gòu)件增材制造國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室為本文提供試驗(yàn)件和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。