TC4合金支架的激光選區(qū)熔化工藝研究

周冠男，薛麗媛，董文啟，任慧嬌，馬慧君

中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 遼寧沈陽(yáng) 110043

1 序言

TC4是一種中等強(qiáng)度的α-β型兩相鈦合金（含6%α穩(wěn)定元素Al和4%β穩(wěn)定元素V），具有優(yōu)異的綜合性能，可在400℃下長(zhǎng)時(shí)間工作，被廣泛用于航空航天，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域[1]。由于其具有良好的工藝塑性和超塑性，適用于各種壓力加工成形，因此現(xiàn)有航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部支架零件均采用TC4合金制備。為進(jìn)一步滿足新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)減重提質(zhì)的需求，對(duì)于支架零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也向鏤空、拓?fù)涞葮O限輕量化方向開(kāi)展，這對(duì)傳統(tǒng)制造技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。

激光選區(qū)熔化成形技術(shù)（SLM）作為新型制造技術(shù)，相較傳統(tǒng)鍛造、鑄造技術(shù)，有著具備成形空間任意結(jié)構(gòu)、快速、高性能的優(yōu)勢(shì)[2-5]，雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)TC4合金激光選區(qū)熔化技術(shù)作了一定的研究，但都不系統(tǒng)，僅具有一定的借鑒意義。本文通過(guò)選取典型結(jié)構(gòu)支架零件，開(kāi)展激光選區(qū)熔化成形工藝研究，并對(duì)TC4合金激光選區(qū)熔化成形組織及性能進(jìn)行分析，驗(yàn)證了支架零件采用激光選區(qū)熔化成形技術(shù)的可行性。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)用原材料

基于激光選區(qū)熔化成形工藝原理，試驗(yàn)采用的原材料為超細(xì)TC4合金粉末（粒度組成為15～63μm），該粉末是利用電極感應(yīng)氣體霧化（EIGA）工藝獲取?；瘜W(xué)成分見(jiàn)表1，粉末顆粒形貌如圖1所示，粉末外觀呈銀灰色，未出現(xiàn)明顯氧化色的顆粒，球形度較好，視場(chǎng)內(nèi)未見(jiàn)空心粉，僅存在少量的衛(wèi)星粉。

表1 TC4合金粉末和隨艙試棒化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1 TC4合金粉末掃描電鏡照片

2.2 試驗(yàn)用設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用鑫精合激光科技發(fā)展（北京）有限公司自主研制的TSC-X350C激光選區(qū)熔化成形設(shè)備，該設(shè)備是鑫精合公司第三代產(chǎn)品，經(jīng)改進(jìn)后設(shè)備相對(duì)穩(wěn)定，其實(shí)際成形尺寸為250mm×250mm×280mm（長(zhǎng)×寬×高），設(shè)備激光采用IPG公司500W光纖激光器，掃描振鏡系統(tǒng)采用ScanLab公司的高精度三軸掃描振鏡，成形室采用雙缸體下送粉機(jī)構(gòu)，設(shè)備外觀如圖2所示。

圖2 激光選區(qū)熔化成形設(shè)備照片

為保證項(xiàng)目研究順利開(kāi)展，重新更換了新的濾芯，并將設(shè)備進(jìn)行了嚴(yán)格的清理，盡可能地保證了設(shè)備成形室和內(nèi)部管路的潔凈?？紤]到鈦合金為活性金屬，該設(shè)備使用的惰性氣體為高純氬（氬氣純度≥99.999%，滿足GB/T 4842—2017《氬》的要求）。

2.3 工藝方法

（1）工藝參數(shù) 激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)主要包括激光功率、鋪粉層厚、填充方式和掃描策略[6]，經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后，本試驗(yàn)采用的具體工藝參數(shù)見(jiàn)表2。依據(jù)此工藝參數(shù)成形支架零件及隨艙試棒，其中隨艙試棒主要用于理化及力學(xué)性能分析。

表2 TC4合金激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)

（2）支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為減小成形應(yīng)力，保證成形質(zhì)量及精度，總結(jié)前期多次迭代試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。本試驗(yàn)中采用兩種支撐結(jié)構(gòu)混合添加的方式進(jìn)行，如圖3所示。其中，圖3中黃色部分為實(shí)體支撐、藍(lán)色部分為網(wǎng)格支撐。該支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理如下：實(shí)體支撐一般采用與主體零件相同的工藝參數(shù)制造，該結(jié)構(gòu)主要對(duì)零件的變形控制發(fā)揮主導(dǎo)作用，用于零件在激光選區(qū)熔化成形過(guò)程中整體的剛性支撐，需要后序采用線切割、砂輪切割等機(jī)械加工的方式去除；網(wǎng)格支撐一般采用較低的激光能量對(duì)粉末進(jìn)行燒結(jié)，使粉末呈現(xiàn)半熔融狀態(tài)，未達(dá)到完全的冶金結(jié)合，其在激光選區(qū)熔化成形后強(qiáng)度較低、脆性較大，易于后期去除（一般采用手工鉗修即可，去除難度較低）。網(wǎng)格支撐主要作用為承托零件實(shí)體上懸空部位，如在無(wú)支撐狀態(tài)下，粉末燒結(jié)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)塌陷、破碎等情況，導(dǎo)致激光選區(qū)熔化成形過(guò)程終止或失敗，同時(shí)該結(jié)構(gòu)有一定的控制變形的作用，對(duì)于抑制局部變形有顯著效果。

圖3 支架零件模型支撐添加方案

本試驗(yàn)中為了進(jìn)一步減少激光選區(qū)熔化成形過(guò)程中應(yīng)力的累積，對(duì)實(shí)體支撐進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，添加了鏤空、柵格等特殊結(jié)構(gòu)，在保證實(shí)體支撐對(duì)零件有足夠的承托和抗變形能力的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)實(shí)體支撐體積的最小化。該結(jié)構(gòu)不但可以顯著減少應(yīng)力，而且能在一定程度上縮短制造時(shí)間、節(jié)約成本。

（3）熱處理 本試驗(yàn)參考GJB 3763A—2004《鈦及鈦合金熱處理》推薦退火參數(shù)范圍（700～850℃保溫60～12min，空冷或更慢）內(nèi)選取兩種退火工藝進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，分別為750℃退火和800℃退火，并采用真空爐進(jìn)行熱處理，具體熱處理工藝如下。

1）750℃退火工藝：以10℃/min升溫至750℃，保溫135min，保溫結(jié)束后隨爐冷至500℃充氬氣0.2MPa，再冷至80℃以下出爐。

2）800℃退火工藝：以10℃/min升溫至800℃，保溫135min，保溫結(jié)束后隨爐冷至500℃充氬氣0.2MPa，再冷至80℃以下出爐。

很長(zhǎng)一段日子里，我們沒(méi)有在一起玩。轉(zhuǎn)眼到了秋季，在一個(gè)秋風(fēng)瑟瑟的夜晚，你打電話約我到老地方見(jiàn)面。當(dāng)我來(lái)到時(shí)，見(jiàn)你靠在一棵梧桐樹(shù)下，雙眼垂著淚水，仿佛心里有千言萬(wàn)語(yǔ)要對(duì)我說(shuō)。我走到你身邊時(shí)，你抱著我親了下我的額頭，苦笑著對(duì)我說(shuō)：“我要回老家了！我知道你的愛(ài)情故事很感人，可惜我不是她，無(wú)法與你共度一生！”說(shuō)完轉(zhuǎn)身三步一回頭地離我而去。

2.4 理化性能及力學(xué)性能檢測(cè)

檢測(cè)試棒的取樣規(guī)則如圖4所示，由圖中可以看出，激光選區(qū)熔化成形制件生長(zhǎng)方向?yàn)榭v向（Z向），垂直于生長(zhǎng)方向?yàn)闄M向（X、Y向），本試驗(yàn)中僅對(duì)橫向和縱向兩個(gè)成形方向的性能作對(duì)比分析。

圖4 力學(xué)性能試樣取樣方向

利用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行室溫拉伸性能、高溫拉伸性能和高溫持久性能測(cè)試；利用化學(xué)成分檢測(cè)儀進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試；利用金相顯微鏡對(duì)腐蝕后的金相試塊進(jìn)行高倍和低倍觀察，金相腐蝕劑采用凱勒試劑，其體積配比為VHF：VHNO3：VH2O＝1 : 2 : 7。

按GB/T 4698《海綿鈦、鈦及鈦合金化學(xué)分析方法》（所有部分）規(guī)定，對(duì)TC4合金原材料粉末和激光選區(qū)熔化成形件隨艙試棒進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)定；按GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)隨艙制造的金相試塊進(jìn)行高低倍檢查；按GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》對(duì)隨艙制造的力學(xué)性能試棒進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試；按GB/T 228.2—2015《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第2部分：高溫試驗(yàn)方法》對(duì)隨艙制造的力學(xué)性能試棒進(jìn)行400℃拉伸測(cè)試；按GB/T 2039—2012《金屬拉伸蠕變及持久試驗(yàn)方法》對(duì)隨艙制造的力學(xué)性能試棒分別進(jìn)行350℃和400℃持久測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 成形質(zhì)量

激光選區(qū)熔化成形后的支架零件以及隨艙試棒實(shí)物外觀形貌如圖5所示，由圖5可以看出，零件及隨艙試棒成形質(zhì)量良好，目視檢查后，無(wú)可見(jiàn)的裂紋、孔洞、穿透性缺陷及殘留粉末，支撐結(jié)構(gòu)未見(jiàn)裂紋、破裂等問(wèn)題。

圖5 支架零件激光選區(qū)熔化成形后實(shí)物照片

3.2 化學(xué)成分分析

通過(guò)對(duì)TC4合金原材料粉末和激光選區(qū)熔化成形件隨艙試棒進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)定，其結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，Al、V、Fe等主要合金元素含量微量降低，O、N、H等雜質(zhì)元素含量微量升高。

經(jīng)分析認(rèn)為，激光選區(qū)熔化工藝過(guò)程是由激光作為熱源對(duì)金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)，當(dāng)高能激光燒結(jié)金屬粉末時(shí)，部分熔點(diǎn)低的元素瞬時(shí)氣化，產(chǎn)生了一定的揮發(fā)，導(dǎo)致Al、V、Fe元素在合金成分中出現(xiàn)含量降低的情況；同時(shí)，粉末中的空心粉及微小的粉末間隙存在包裹空氣的可能，雖然粉末置于設(shè)備中處于氬氣保護(hù)氣氛下，但不能100%規(guī)避O2、N2、H2等氣體的影響，同時(shí)原材料粉末中也包含一定成分比例的O、N、H等雜質(zhì)元素，且鈦合金作為活性金屬，極易與O2、N2、H2等氣體發(fā)生反應(yīng)，在激光作用的激烈熔池反應(yīng)過(guò)程中吸收O、N、H等雜質(zhì)元素，最終導(dǎo)致了O、N、H等雜質(zhì)元素含量升高的情況。

3.3 顯微組織分析

通過(guò)對(duì)隨艙制造的金相試塊進(jìn)行高低倍檢查，其金相照片如圖6所示。由圖6可以看出，兩塊金相試塊分別為750℃熱處理試塊和800℃熱處理試塊，其中750℃熱處理試塊有2處孔洞缺陷，未見(jiàn)裂紋、未熔合等線性缺陷；800℃熱處理試樣未見(jiàn)孔洞、裂紋、未熔合等線性缺陷。通過(guò)對(duì)750℃熱處理試塊中孔洞缺陷進(jìn)行尺寸測(cè)量，其圓形缺陷尺寸直徑約為0.1mm，長(zhǎng)形缺陷沿長(zhǎng)方向長(zhǎng)度值約為0.4mm，其成形件致密度必然不能達(dá)到100%，存在一定氣孔缺陷屬于正常情況。

圖6 金相試塊照片

TC4屬于α＋β型T鈦合金，其性能與組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。密排六方結(jié)構(gòu)的α相和體心立方結(jié)構(gòu)的β相構(gòu)成了TC4合金的基本相，兩相的比例、形狀和尺寸直接決定著TC4合金的力學(xué)性能。TC4合金沉積態(tài)微觀組織形貌主要取決于成形工藝過(guò)程中的冷卻速率，冷卻速率越高，組織越細(xì)化，其一般是由分布均勻的針狀α′馬氏體和少量β相組成，隨著對(duì)其進(jìn)行退火熱處理，其微觀組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣粒禄旌辖M織，其微觀形貌呈現(xiàn)不同取向相互交叉的α板條與板條間β相組成，但尚未形成清晰的交錯(cuò)編織排列的網(wǎng)籃狀組織，這是由于退火溫度低于β相轉(zhuǎn)變溫度和再結(jié)晶溫度，在退火過(guò)程中β→α相擴(kuò)散轉(zhuǎn)變較慢，當(dāng)退火時(shí)間較短時(shí)，整體組織變化不會(huì)太大，僅是針狀α相的體積分?jǐn)?shù)有所增加，α相板條馬氏體發(fā)生一定的粗化[7]。

3.4 力學(xué)性能分析

（1）室溫拉伸 通過(guò)對(duì)隨艙制造的力學(xué)性能試棒進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試，其結(jié)果如圖7、圖8所示。與GJB 2744A—2007《航空用鈦及鈦合金鍛件規(guī)范》中TC4鈦合金鍛件標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定值相比可以看出，無(wú)論在750℃退火工藝下的試棒性能，還是800℃退火工藝的試棒性能，均高于材料標(biāo)準(zhǔn)的下限值，且伸長(zhǎng)率和斷面收縮率均遠(yuǎn)高于材料標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 室溫抗拉強(qiáng)度對(duì)比

圖8 室溫伸長(zhǎng)率對(duì)比

從兩種退火工藝下試棒性能結(jié)果相比可以看出，成形方向無(wú)論縱向還是橫向，其結(jié)果差異不大，750℃退火工藝下的試棒抗拉強(qiáng)度有所提高，而伸長(zhǎng)率稍有下降。經(jīng)分析認(rèn)為，激光選區(qū)熔化沉積態(tài)組織中針狀α′馬氏體在加熱時(shí)會(huì)發(fā)生分解，其亞穩(wěn)態(tài)α′組織通過(guò)形核和長(zhǎng)大過(guò)程分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榇只模é粒拢┫啵S著退火溫度的升高，其粗化的（α＋β）相逐漸增多，對(duì)塑性的損傷作用減弱；同時(shí)，Al和O等強(qiáng)化元素富集在α相中，β轉(zhuǎn)變相的強(qiáng)度會(huì)低于α相的強(qiáng)度，隨著熱處理溫度升高，β相的含量逐漸增多，因此最終試件的強(qiáng)度降低而塑性顯著提高[8]。

（2）高溫拉伸 通過(guò)對(duì)隨艙制造的力學(xué)性能試棒進(jìn)行400℃拉伸測(cè)試，其結(jié)果如圖9、圖10所示。與GJB 2744A—2007《航空用鈦及鈦合金鍛件規(guī)范》中TC4鈦合金鍛件標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定值相比可以看出，無(wú)論在750℃退火工藝下的試棒性能，還是800℃退火工藝的試棒性能，均高于材料標(biāo)準(zhǔn)的下限值，且伸長(zhǎng)率和斷面收縮率均高于材料標(biāo)準(zhǔn)；從兩種熱處理工藝下試棒性能結(jié)果相比可以看出，成形方向無(wú)論縱向還是橫向，其結(jié)果基本相當(dāng)，未見(jiàn)明細(xì)差異，僅其縱向試棒的屈服強(qiáng)度相比橫向試棒有所降低。

圖9 高溫抗拉強(qiáng)度對(duì)比

圖10 高溫伸長(zhǎng)率對(duì)比

（3）高溫持久性能 通過(guò)對(duì)隨艙制造的力學(xué)性能試棒分別進(jìn)行350℃和400℃持久性能測(cè)試，其結(jié)果見(jiàn)表3。試驗(yàn)初期采用350℃、490MPa的條件進(jìn)行測(cè)試，從測(cè)試結(jié)果可以看出，試棒在100h后未發(fā)生斷裂，能夠達(dá)到要求。隨后，決定按GJB 2744A—2007《航空用鈦及鈦合金鍛件規(guī)范》規(guī)定測(cè)試條件（400℃、570MPa）進(jìn)行試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，750℃熱處理的試棒其測(cè)試100h后未發(fā)生斷裂，能夠達(dá)到GJB 2744A—2007《航空用鈦及鈦合金鍛件規(guī)范》中TC4鈦合金鍛件標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 高溫持久力學(xué)性能對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

1）采用激光選區(qū)熔化工藝能夠?qū)崿F(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)TC4合金支架零件的直接成形，成形效果良好。

2）采用“實(shí)體支撐+網(wǎng)格支撐”兩種支撐結(jié)構(gòu)混合添加的方式，能夠有效地減少成形過(guò)程中的應(yīng)力，達(dá)到控制變形的目的。

3）TC4合金激光選區(qū)熔化成形過(guò)程中，由于元素?zé)龘p會(huì)導(dǎo)致Al、V、Fe等主要合金元素含量微量降低，另外加上粉末中的空心粉及微小的粉末間隙存在包裹空氣的現(xiàn)象，因此會(huì)導(dǎo)致O、N、H等雜質(zhì)元素含量微量升高的情況。

4）TC4合金激光選區(qū)熔化成形試棒的室溫拉伸、高溫拉伸和持久性能，均能達(dá)到鍛件材料標(biāo)準(zhǔn)下限值的要求，能夠滿足零件的性能需要。

5）TC4合金激光選區(qū)熔化成形后，在750℃和800℃退火工藝下試棒的室溫拉伸、高溫拉伸和持久性能并無(wú)顯著差異，750℃退火工藝在室溫拉伸性能試驗(yàn)中，抗拉強(qiáng)度較高，而塑性略低。