冷卻速度對(duì)電弧增材制造TC4組織性能的影響

劉祥宇 柳晉 徐國(guó)建

摘要：電弧增材制造（WAAM）技術(shù)兼具生產(chǎn)效率高和成本低的特點(diǎn)，但為保證其生產(chǎn)的零部件的綜合性能，往往需要進(jìn)行后續(xù)的熱處理。文中采用WAAM技術(shù)制備了TC4試樣，利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀、拉伸試驗(yàn)機(jī)及硬度儀研究了冷卻速度（950 ℃/2 h/WC水冷、950 ℃/2 h/AC空冷、950 ℃/2 h/FC爐冷）對(duì)TC4組織與性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，WC、AC及FC冷卻方式下TC4試樣的組織均由初生α相和β相組成，其中WC冷卻方式得到的β相較多;TC4試樣的組織由下至上均呈現(xiàn)逐漸粗化的傾向;隨著冷卻速度的降低，初生α相有粗化趨勢(shì)，TC4試樣抗拉強(qiáng)度降低，塑性提高; 950 ℃/2 h/AC WAAM TC4試樣力學(xué)性能超越了鑄件國(guó)標(biāo)要求;拉伸試樣斷口形貌均為塑性斷裂。

關(guān)鍵詞：電弧增材制造;TC4;顯微組織;力學(xué)性能;冷卻速度

0? ? 前言

目前，激光增材制造（LDM）TC4零部件受到研究者的廣泛關(guān)注， LDM技術(shù)生產(chǎn)的零部件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域 [1-7]。隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)LDM技術(shù)的進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率是制約LDM技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的主要問(wèn)題。近年來(lái)，電弧增材制造（WAAM）技術(shù)受到研究者青睞，是解決上述兩大瓶頸問(wèn)題的有效措施之一。但是WAAM過(guò)程中，由于熱輸入量大、難以獲得較好成形、殘余應(yīng)力大及使用性能較低等特點(diǎn)，成形后的零部件往往需要后續(xù)處理（熱處理及熱等靜壓等）以提高其綜合性能[8-12]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)熱處理對(duì)LDM鈦合金零部件的組織與性能的影響展開(kāi)了一系列研究，結(jié)果表明[13-15]，對(duì)沉積態(tài)的鈦合金進(jìn)行熱處理可以有效地提高鈦合金零部件的綜合性能。另外，由于LDM過(guò)程中具有快速加熱并迅速冷卻的特點(diǎn)，沉積態(tài)鈦合金零部件中容易得到較為細(xì)小的組織[15]。而與LDM相比，WAAM具有熱輸入量大的特點(diǎn)，因此較易得到粗化的微觀組織，且零件成形較差[8-12]。鑒于LDM與WAAM工藝角度的巨大差別，可認(rèn)為兩種工藝制造的零部件后續(xù)熱處理制度不能相互套用，因此，針對(duì)WAAM制造的鈦合金零件熱處理制度仍有待進(jìn)一步深入研究。Bermingham[8]等人發(fā)現(xiàn)WAAM制造的鈦合金零部件冷卻速度較慢，使β相向α相的轉(zhuǎn)變較為完全，冷卻至室溫時(shí)幾乎沒(méi)有β相存在。Brandle[16]等人研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)WAAM技術(shù)制造的TC4樣件，進(jìn)行熱處理（843 ℃/4 h/FC），可以在不損失強(qiáng)度的情況下，顯著提高TC4的塑性;600℃/4 h/FC熱處理制度可以有效提高TC4的抗拉強(qiáng)度，但塑性有明顯下降。綜上所述，對(duì)WAAM技術(shù)制造的 TC4零部件進(jìn)行熱處理可以有效改善其組織和性能。但截止目前，針對(duì)WAAM TC4熱處理過(guò)程中的冷卻速度對(duì)其零部件組織與性能影響的報(bào)道仍相對(duì)較少。

本文基于WAAM 技術(shù)制備了三組TC4試樣，并根據(jù)王文博等人的研究[7]，對(duì)沉積態(tài)的TC4在950 ℃進(jìn)行固溶處理，可獲得較好的綜合性能，因此文中對(duì)三組TC4試樣進(jìn)行了950 ℃保溫2 h的熱處理，之后分別對(duì)三組試樣進(jìn)行水冷（WC）、空冷（AC）及爐冷（FC），對(duì)比分析熱處理過(guò)程中不同冷卻速度下TC4試樣的組織與性能變化規(guī)律，為低成本、高效率的WAAM技術(shù)在鈦合金制造領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用直徑1.2 mm的TC4焊絲作為電弧增材制造的原材料，選用熱軋供貨狀態(tài)的TC4板材作為試驗(yàn)基板（尺寸100 mm×100 mm×20 mm），焊絲與基板的化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)在密封艙內(nèi)進(jìn)行，以純度為99.99%的氬氣作為保護(hù)氣體，密封艙內(nèi)水氧含量≤20×10-6。

1.2 WAAM工藝參數(shù)

WAAM裝置由TIG焊槍?zhuān)ㄦu極直徑φ3.2 mm）、焊機(jī)、送絲機(jī)、密封艙、水氧分析儀、水冷機(jī)及六軸機(jī)器人等組成， WAAM示意圖及試驗(yàn)取樣位置如圖1所示。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)獲得了最佳TC4 WAAM工藝參數(shù)：焊接電流160 A、送絲速度1.4 m/min、機(jī)器人移動(dòng)速度8 mm/s、搭接率50%。采用上述工藝參數(shù)獲得的TC4試樣實(shí)物與拉伸試樣尺寸如圖2所示。

1.3 熱處理工藝參數(shù)

在具有氬氣氛圍保護(hù)熱處理爐中進(jìn)行TC4試樣的熱處理，加熱溫度精度為±1 ℃，加熱速度為6 ℃/min。為研究冷卻速度對(duì)TC4試樣組織與性能的影響，熱處理制度分別制定為950 ℃/2 h/WC、950 ℃/2 h/AC、950 ℃/2 h/FC。

1.4 組織分析和性能測(cè)試

WAAM TC4試樣尺寸約60 mm×60 mm×60 mm，分析試樣的取樣位置如圖1所示。金相試樣的取樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的正方體，鑲嵌后用二氧化硅懸浮液進(jìn)行拋光，再用腐蝕液（HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶7）進(jìn)行約15 s的腐蝕。使用光學(xué)顯微鏡觀察與分析TC4試樣的微觀組織，采用X射線衍射儀分析試樣的相組成，測(cè)試范圍為20°～90°，掃描速度4°/min。用HVS-5維氏硬度儀對(duì)不同冷卻速度得到的TC4試樣進(jìn)行硬度表征，載荷200 g，保持時(shí)間10 s。使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試室溫抗拉性能，拉伸速率1 mm/min。采用掃描電子顯微鏡分析室溫拉伸試樣的斷口形貌。

2 結(jié)果和討論

不同冷卻速度（WC、AC、FC）下，WAAM制造的TC4試樣X(jué)射線衍射分析結(jié)果如圖3所示。由圖可知，三種冷卻方式下TC4試樣均由α相和β相組成，與空冷和爐冷得到的試樣的X射線衍射結(jié)果相比，水冷方式得到的TC4試樣中β相衍射峰的高度較高，說(shuō)明水冷方式得到的試樣中含有較多的β相。這是由于水冷具有較大的冷卻速度，使得TC4中β相向α相的轉(zhuǎn)變不完全，冷卻至室溫時(shí)殘留的β相較多。

熱處理?xiàng)l件為950 ℃/2 h/WC時(shí)，WAAM制造的TC4試樣不同位置的微觀組織形貌如圖4所示。結(jié)合圖3的XRD結(jié)果，可確定試樣的顯微組織主要由大量針狀初生α相及少量β相組成，其中β相存在于針狀初生α之間的（α+β）組織中[7]。這是由于WC具有較快的冷卻速度，作為非平衡凝固，使得室溫下TC4中有一定含量的殘留β相，同時(shí)，過(guò)飽和的α相會(huì)部分轉(zhuǎn)變?yōu)棣?馬氏體，殘留β相部分轉(zhuǎn)變?yōu)棣?馬氏體[17]。另外，下、中及上部的針狀初生α相的平均尺寸（長(zhǎng)×寬）分別為9.35 μm×2.26 μm、17.45 μm×3.38 μm及36.74 μm×3.64 μm。且在試樣中由下至上，針狀初生α相具有粗化加長(zhǎng)的趨勢(shì)。這是由于WAAM過(guò)程中，每沉積一層，多余的熱輸入會(huì)對(duì)熔合線下方金屬產(chǎn)生一次熱處理作用，使熔合線下方組織細(xì)化，而樣件上部受到這一影響的次數(shù)少于下部，最終使得整體成型樣件上部的組織相對(duì)下部粗化。上述試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明950 ℃/2 h/WC熱處理?xiàng)l件不能完全改變WAAM TC4試樣的原始組織形態(tài)。

950 ℃/2 h/AC下WAAM制造的TC4試樣的微觀組織形貌如圖5所示。由圖可知，在僅改變冷卻方式的情況下，TC4試樣的組織演化規(guī)律基板與950 ℃/2 h/WC熱處理制度相同，即由下至上，針狀初生α相逐漸變粗變長(zhǎng)（針狀初生α相平均尺寸分別約為18.38 μm×3.28 μm、27.7 μm×3.59 μm及52.7 μm×5.44 μm）。與水冷相比，空冷得到的TC4試樣三個(gè)區(qū)域的針狀初生α相尺寸均增大。這是由于相較水冷，空冷的冷卻速度較小，在冷卻過(guò)程中β相向α相的轉(zhuǎn)變更加完全，促進(jìn)了初生α相的長(zhǎng)大。

950 ℃/2 h/FC時(shí)TC4試樣下、中及上部的顯微組織如圖6所示。組織演化規(guī)律與950 ℃/2 h/WC熱處理制度下基本相同。從試樣的下部、中部至上部，針狀初生α相具有變粗變長(zhǎng)的趨勢(shì)，針狀初生α相平均尺寸（長(zhǎng)×寬）分別為34.34 μm×4.34 μm、40.68 μm×7.65 μm及85.38 μm×10.65 μm。與空冷方式相比較，爐冷得到的TC4試樣不同位置的針狀初生α相尺寸均增大，初生α相進(jìn)一步粗化。這是由于與空冷相比，爐冷具有更低的冷卻速度，使β相向α相的轉(zhuǎn)變更加完全，同時(shí)初生α相具有更長(zhǎng)的長(zhǎng)大時(shí)間。

不同冷卻方式熱處理得到WAAM制造的TC4試樣維氏硬度分布情況如圖7所示?？梢钥闯?，相較于空冷與爐冷的試樣，水冷得到的TC4試樣的維氏硬度較高。這是由于與空冷和爐冷相比，水冷試樣不同位置的初生α相平均寬度均較小，說(shuō)明較快的冷卻速度可以獲得較細(xì)的組織，而組織細(xì)化可以在一定程度上可提高硬度[18]。另外，硬度試驗(yàn)結(jié)果表明，WC、AC及FC狀態(tài)下試樣的硬度值隨沉積高度的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由于隨著增材制造的進(jìn)行，多余熱輸入產(chǎn)生的熱積累導(dǎo)致冷卻速度降低。

不同冷卻方式（水冷、空冷及爐冷）得到WAAM制造的TC4試樣室溫抗拉性能測(cè)試結(jié)果如圖8所示。由圖可知，水冷試樣的拉伸強(qiáng)度約為910 MPa、屈服強(qiáng)度約為850 MPa、延伸率約為2%、斷面收縮率約為3%;空冷試樣的拉伸強(qiáng)度約為850 MPa、屈服強(qiáng)度約為810 MPa、延伸率約為5%、斷面收縮率約為6%;爐冷試樣的拉伸強(qiáng)度約為750 MPa、屈服強(qiáng)度約為660 MPa、延伸率約為7%、斷面收縮率約為8%。分析室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著冷卻速度的降低，室溫抗拉強(qiáng)度也隨之降低，而延伸率和斷面收縮率則有所提高。與鑄件相比，950 ℃/2 h/AC WAAM TC4試樣力學(xué)性能達(dá)到了TC4鑄件國(guó)標(biāo)的要求，即抗拉強(qiáng)度835 MPa、屈服強(qiáng)度765 MPa、延伸率5%。

950 ℃/2 h/WC、950 ℃/2 h/AC及950 ℃/2 h/FC的WAAM拉伸試樣的斷口形貌如圖9所示。由圖可知，斷口存在明顯韌窩分布，均呈現(xiàn)為塑性斷裂。按水冷、空冷及爐冷的順序，拉伸試樣斷口韌窩更均勻、更深，與前文隨著冷卻速度的降低，拉伸試樣的塑性逐漸提高相符。

3 結(jié)論

950 ℃/2 h/WC、950 ℃/2 h/AC及950 ℃/2 h/FC的WAAM TC4試樣的組織主要由大量α相及少量β相組成。并且隨著冷卻速度的降低，殘留β相的數(shù)量逐漸減少。950 ℃/2 h/WC條件下，下、中及上部的初生α相尺寸（長(zhǎng)×寬）分別為9.35 μm×2.26 μm、17.45 μm×3.38 μm及36.74 μm×3.64 μm;950 ℃/2 h/AC條件下，下、中及上部的初生α相尺寸（長(zhǎng)×寬）分別為18.38 μm×3.28 μm、27.7 μm×3.59 μm及52.7 μm×5.44 μm;950 ℃/2 h/FC條件下，下、中及上部的初生α相尺寸（長(zhǎng)×寬）分別為34.34 μm×4.34 μm、40.68 μm×7.65 μm及85.38 μm×10.65 μm。按著WC/AC/FC順序，WAAM TC4試樣從下部到上部，其初生α相尺寸逐漸增大;冷卻速度降低，α相逐漸粗化，而殘留β相逐漸減少。

950 ℃/2 h/WC條件下TC4試樣拉伸強(qiáng)度約為910 MPa、屈服強(qiáng)度約為850 MPa、延伸率約為2%、斷面收縮率約為3%;950 ℃/2 h/AC條件下TC4試樣拉伸強(qiáng)度約為850 MPa、屈服強(qiáng)度約為810 MPa、延伸率約為5%、斷面收縮率約為6%;950 ℃/2 h/FC條件下TC4試樣的拉伸強(qiáng)度約為750 MPa、屈服強(qiáng)度約為660 MPa、延伸率約為7%、斷面收縮率約為8%?？梢?jiàn)，隨著冷卻速度的降低，拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸降低，延伸率和斷面收縮率逐步提高。與鑄件相比，950 ℃/2 h/AC TC4試樣力學(xué)性能達(dá)到了鑄件國(guó)標(biāo)要求;拉伸試樣斷口形貌均為塑性斷裂。

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