選區(qū)激光熔化成形TA15 鈦合金的組織與拉伸性能

文/張 潔 程宗輝 蔡小葉 范 朝（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠）

TA15 鈦合金(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)屬于高鋁當(dāng)量α型合金，因具有良好的比強(qiáng)度、高溫抗蠕變能力、熱穩(wěn)定性、耐蝕性等被應(yīng)用于飛機(jī)關(guān)鍵承力構(gòu)件和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中。制備TA15 大型復(fù)雜零件大多采用鍛造加機(jī)械加工的傳統(tǒng)技術(shù)，工序繁多、加工周期長(zhǎng)、材料利用率低、成本高，很多大型零件的制備對(duì)鍛造設(shè)備要求也很高，這些都制約了TA15 鈦合金在國(guó)防軍工領(lǐng)域的應(yīng)用。

金屬增材制造技術(shù)（俗稱“金屬3D 打印”）是在快速原型技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，集計(jì)算機(jī)、數(shù)控、激光、金屬材料等技術(shù)于一體，從CAD 三維模型設(shè)計(jì)到實(shí)際原型/零件的高性能“近凈”成型加工的新型制造技術(shù)，具有柔性程度高、響應(yīng)速度快、材料利用率高、成型復(fù)雜零件不增加成本等優(yōu)點(diǎn)，為復(fù)雜難加工構(gòu)件的快速制備提供了新思路，在航空航天等國(guó)防軍工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。金屬增材制造技術(shù)主要分為激光熔化沉積技術(shù)和選區(qū)激光熔化成形技術(shù)，目前關(guān)于激光熔化沉積TA15鈦合金的研究比較多，美國(guó)Aeromet 公司及北京航空航天大學(xué)已成功實(shí)現(xiàn)激光熔化沉積TA15 鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)上的應(yīng)用。但是關(guān)于選區(qū)激光熔化成形TA15 鈦合金的報(bào)道還比較少。

本文以TA15 鈦合金粉末為研究對(duì)象，采用選區(qū)激光熔化成形制備TA15 鈦合金試樣件，利用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）等方法研究選區(qū)激光熔化成形的顯微組織和拉伸性能，并與板材進(jìn)行對(duì)比，為其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用提供必要的試驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

一、試驗(yàn)過(guò)程

1.試驗(yàn)材料

TA15 鈦合金，批次號(hào)2019ZFGA009，具體技術(shù)要求與檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

2.主要儀器與設(shè)備

AM500E 選區(qū)激光熔化成形設(shè)備，英國(guó)Renishaw 公司；電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，德國(guó)ZWICK/Roell 集團(tuán)；SIGMA300掃描電鏡，德國(guó)沃弗本公司；Leica DVM6 光學(xué)顯微鏡，德國(guó)徠卡公司。

表1 選區(qū)激光熔化成形TA15 鈦合金粉末規(guī)格

3.試樣制備

選區(qū)激光熔化成形在AM500E 設(shè)備上進(jìn)行，制備10mm×10mm×10mm 的試樣塊，用于金相觀察，制備標(biāo)準(zhǔn)直徑5mm、長(zhǎng)71mm 的拉伸試樣件，用于室溫和高溫拉伸試樣，并觀察斷口。

選區(qū)激光熔化成形主要參數(shù)：激光功率160～200W，曝光時(shí)間50μs，曝光間距65～85μm，單層鋪粉厚度30μm。

4.性能檢測(cè)

各項(xiàng)性能均按照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)GB/T 228.1—2010 進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，根據(jù)GB/T 228.2—2015進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)。

二、結(jié)果與討論

1.顯微組織

圖1(a)為選區(qū)激光熔化成形TA15 鈦合金平行于沉積方向（規(guī)定為L(zhǎng) 向）的金相組織，圖1(b)為選區(qū)激光熔化成形TA15 鈦合金垂直于沉積方向（規(guī)定為T 向）的金相組織，圖1(c)為選區(qū)激光熔化成形鈦合金晶粒內(nèi)部的顯微組織。由圖1 可見(jiàn)，平行于沉積方向的高倍組織晶粒為外延生長(zhǎng)形態(tài)，垂直于沉積方向的高倍組織為等軸狀。這主要是因?yàn)樵谶x區(qū)激光熔化過(guò)程中熔池內(nèi)上部的異質(zhì)形核和底部的外延生長(zhǎng)兩種形核長(zhǎng)大機(jī)制相互競(jìng)爭(zhēng)決定的晶粒形貌，在沉積下一層時(shí)，將本層的異質(zhì)形核部分重熔，出現(xiàn)了沿沉積方向不斷外延生長(zhǎng)的細(xì)長(zhǎng)條狀晶粒形貌。圖1(c)為晶粒內(nèi)部析出的細(xì)長(zhǎng)片狀α 相，長(zhǎng)度約為50μm，寬度約為3μm，從圖中能明顯看出晶界為半連續(xù)的α 相。

圖1 選區(qū)激光熔化成形TA15 鈦合金組織

2.室溫拉伸性能

選區(qū)激光熔化成形TA15 鈦合金室溫拉伸性能見(jiàn)表2。由表2 可知，L 方向抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與T 方向很接近，說(shuō)明選區(qū)激光熔化成型的TA15 鈦合金橫縱向的性能差異不明顯，呈現(xiàn)各向同性，抗拉強(qiáng)度略高于40mm厚板材的性能。L 方向的延伸率和斷面收縮率略高于T方向，這是因?yàn)長(zhǎng) 方向是不斷外延生長(zhǎng)的細(xì)長(zhǎng)柱狀晶，晶界比T 方向少，與40mm 厚板材塑性在同一個(gè)水平。

表2 室溫拉伸性能測(cè)試結(jié)果

圖2 選區(qū)激光熔化成形TA15 室溫拉伸斷口

圖2 為選區(qū)激光熔化成形TA15 鈦合金的室溫拉伸斷口的掃描照片，圖2（a）為平行于沉積方向，圖2（b）為垂直于沉積方向。由圖2 可知：以α 相的解理斷裂為主，分布有較為均勻的等軸狀小韌窩，L 向韌窩相對(duì)于T 向略微密集，這也說(shuō)明了L 向的塑性略高于T 向。

3.高溫拉伸性能

選區(qū)激光熔化成形TA15 鈦合金高溫拉伸性能見(jiàn)表3。由表3 可知，選區(qū)激光熔化成形的TA15 鈦合金具有很好的高溫拉伸性能。高溫拉伸性能的橫縱向之間的差異不明顯，且與40mm 厚板材的性能較為接近。

圖3 為選區(qū)激光熔化成形TA15 鈦合金的高溫拉伸斷口電子掃描照片，從圖中可以明顯看出，分布著較為均勻的等軸狀的小韌窩，宏觀表現(xiàn)為韌性斷裂，塑性良好。存在α 片層發(fā)生滑移形成高低不平的解理斷裂平面，韌性和準(zhǔn)解理相混合。片層狀的α 相為選區(qū)激光熔化成形過(guò)程中析出的初生α 相，在后續(xù)熱循環(huán)下長(zhǎng)大形成的。

三、結(jié)論

（1）選區(qū)激光熔化成形TA15 鈦合金沿著沉積方向不斷外延生長(zhǎng)，組織呈現(xiàn)連續(xù)的柱狀晶，晶內(nèi)析出細(xì)針狀和片層狀的α 相。板材原始的β 晶粒被充分破碎，不存在連續(xù)的、平直的晶界，α 相形貌不規(guī)則。

表3 高溫拉伸性能測(cè)試結(jié)果

圖3 選區(qū)激光熔化成形TA15 高溫拉伸斷口

（2）選區(qū)激光熔化成形TA15 鈦合金室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到1000MPa、屈服強(qiáng)度在900MPa 以上，塑性良好，達(dá)到40mm 厚板材的水平。

（3）選區(qū)激光熔化成形TA15 鈦合金具有很好的高溫拉伸性能，500℃高溫抗拉強(qiáng)度接近700MPa、屈服強(qiáng)度超過(guò)500MPa，塑性較高，達(dá)到40mm 厚板材的水平。