王安普，張 峰，孫兵兵，龐義斌，周智文

1.中國人民解放軍第四七二三工廠，河北 邯鄲 056000 2.航發(fā)優(yōu)材（鎮(zhèn)江）增材制造有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000 3.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095

0 前言

Ti6Al4V是一種中等強(qiáng)度的α-β型兩相鈦合金，具有高強(qiáng)度、高耐蝕性和高生物相容性等優(yōu)良綜合性能[1-2]，其工作溫度可達(dá)400℃，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、國防和生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)，但是由于自身導(dǎo)熱性、抵抗變形能力差及切削性能較差，因此對于傳統(tǒng)的“減材”加工技術(shù)而言，鈦合金屬于難加工材料[3]。

激光金屬沉積（LMD）是一種以激光作為熱源的金屬材料激光增材制造工藝，也是一種突破傳統(tǒng)“減材”加工技術(shù)局限性的鈦合金先進(jìn)加工技術(shù)。該技術(shù)不僅可以用于維修磨損或在過去視為報(bào)廢的零件，還能夠制造具有復(fù)雜幾何特征或輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的“3D”零件，從而縮短制造周期、減少原料浪費(fèi)和降低成本[4-5]。隨著近些年國內(nèi)外技術(shù)逐步發(fā)展，激光增材制造研究重點(diǎn)已經(jīng)從工藝探究轉(zhuǎn)移到控制各項(xiàng)性能指標(biāo)，而關(guān)鍵構(gòu)件性能穩(wěn)定性好壞決定著零部件研制的成敗。國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)開展了大量采用激光金屬沉積方法制備鈦合金的研究工作。應(yīng)俊龍[6]研究了激光功率、掃描速度、送粉速率、搭接率對成形質(zhì)量和抗拉強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)在最佳工藝參數(shù)下可以獲得力學(xué)性能良好的修復(fù)層，試樣的抗拉強(qiáng)度優(yōu)于TC4基體。劉占起等[7]研究了最佳激光3D打印工藝參數(shù)下TC4鈦合金打印不同方向組織與性能變化，發(fā)現(xiàn)Z向拉伸強(qiáng)度低于XY向，而Z向拉伸塑性高于XY向。陳志茹等[8]研究了不同熱處理工藝對激光熔化沉積TC4鈦合金的組織和室溫拉伸性能的影響，發(fā)現(xiàn)沉積態(tài)組織粗大不均勻，拉伸性能最低；固溶時(shí)效組織由雜亂短棒狀α相組成，拉伸性能最好。袁經(jīng)緯等[9]研究了激光增材制造TC4鈦合金不同熱處理狀態(tài)試樣電化學(xué)及室溫壓縮蠕變性能差異，指出雙重退火處理會(huì)減小TC4鈦合金中α板條長徑比與尺寸，而固溶時(shí)效可使α板條長徑比增大、尺寸減小，導(dǎo)致材料耐蝕性、屈服極限以及抗壓縮蠕變性能發(fā)生變化。欽蘭云等[10]對比研究了沉積態(tài)、退火態(tài)及固溶時(shí)效態(tài)試樣的顯微組織及力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)去應(yīng)力退火處理對鈦合金的組織與性能影響不大，沉積態(tài)與兩種退火態(tài)拉伸試樣為延性斷裂，固溶時(shí)效態(tài)拉伸試樣為半解理半延性斷裂。這些研究主要集中在工藝參數(shù)對組織和性能的影響，以及后續(xù)熱處理對組織和性能的影響，對鈦合金組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能各向異性之間的關(guān)系鮮有相關(guān)報(bào)道與研究。

文中采用優(yōu)化后的激光金屬沉積工藝參數(shù)，系統(tǒng)研究了不同方向退火態(tài)激光金屬沉積TC4鈦合金的顯微組織、力學(xué)性能（室溫拉伸、室溫沖擊）和斷口及其之間的相互關(guān)系，闡述了力學(xué)性能各向異性的產(chǎn)生機(jī)理，為以后TC4鈦合金結(jié)構(gòu)件激光增材及修復(fù)提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用基板為軋制態(tài)TC4鈦合金板材，尺寸為300 mm×247 mm×30 mm。打印前將干燥潔凈的TC4基材放置于設(shè)備內(nèi)的工作臺(tái)上，并用夾具固定，用丙酮擦拭表面。

試驗(yàn)用粉末材料為真空氣霧化法制備的TC4球形粉末，主要化學(xué)成分如表1所示，粒徑53～106 μm。在打印前金屬粉末需進(jìn)行真空烘干處理。

表1 TC4鈦合金粉末化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of TC4 titanium alloy powder（wt.%）

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)設(shè)備為全封閉惰性氣體保護(hù)激光直接沉積成形設(shè)備，激光器輸出功率最大可達(dá)10 000 W，激光波長為（1 075±5）nm，光纖直徑1 000 μm。設(shè)備配有氣體循環(huán)凈化系統(tǒng)，通入純度99.999%的氬氣作為循環(huán)氣體，可將氧艙室內(nèi)的含氧量、含水量控制在20×10-6以內(nèi)，防止鈦合金打印過程中氧化。

為了探究在橫向與縱向上退火態(tài)激光金屬沉積TC4鈦合金的顯微組織、力學(xué)性能（室溫拉伸、室溫沖擊）及斷口之間的相互關(guān)系，選用優(yōu)化后的激光金屬沉積工藝參數(shù)，如表2所示。制備4塊TC4鈦合金試塊，其取樣位置與尺寸如圖1所示，軌跡為線性往復(fù)。打印完成后進(jìn)行600℃×4 h去應(yīng)力退火處理，氬氣快冷；最后采用線切割將試塊與基板分離，試樣按圖紙加工；經(jīng)研磨、拋光后制備成分析試樣，腐蝕劑為Kroll溶液。借助DM4M金相顯微鏡對不同方向截面的宏觀、微觀組織進(jìn)行觀察；采用JSM-6480型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察橫向和縱向的拉伸、沖擊試樣斷口形貌。采用CMT5105萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)分別按HB5143-1996和HB5195-1996測試試樣的23℃室溫拉伸性能，拉伸試樣加工尺寸：Φ5 mm×71 mm，兩端M12；采用PIT452C-2型設(shè)備按HB5144-1996測試試樣的沖擊韌性與沖擊力，試樣尺寸55 mm×10 mm×10 mm，U型缺口，深度2 mm。

表2 TC4鈦合金激光金屬沉積工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of laser metal deposition of TC4 titanium alloy

圖1 TC4鈦合金試塊、取樣位置與尺寸Fig.1 Schematic diagram of sampling location and size of TC4 titanium alloy block

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌及微觀組織

退火態(tài)TC4鈦合金試樣不同面的宏觀和微觀組織如圖2～圖4所示，主要由典型的網(wǎng)籃組織α+β組成[12]，但α相形貌有明顯差異。由圖2a可以明顯看出，XOZ面有層層之間、道道之間的弧形重熔層帶；由圖3a可以明顯看出，YOZ面有層層之間的直線形重熔層帶，這均是由于掃描策略為直線往復(fù)軌跡。退火態(tài)TC4鈦合金試樣的縱截面（XOZ面、YOZ面）宏觀組織主要由明暗相間的初生β相組成，即沿著Z向生長的粗大柱狀晶，這是由于TC4鈦合金在激光金屬沉積過程中，熱量沿著垂直于基板方向傳導(dǎo)[11]，β柱狀晶生長逆著散熱方向，沉積層的柱狀晶前一層會(huì)受激光輻射與金屬粉末一同形成熔池，因此后一層β柱狀晶向上凝固生長，相鄰層之間具有良好的潤濕性，因?yàn)樗鼈兂煞窒嗤?，理論上可將潤濕角減小至0°[13]，這意味著生長凝固過程中沒有形核障礙，最終形成貫穿多個(gè)沉積層β柱狀晶組織，退火處理不會(huì)使得TC4鈦合金發(fā)生再結(jié)晶。由圖4a可以明顯看出大尺寸等軸晶的晶界，即柱狀晶β的截面等軸組織。對于鈦合金，α相總是優(yōu)先在原始β晶界析出[14]，并傾向于形成連續(xù)的α晶界（αGB）。

圖2 退火態(tài)TC4鈦合金試樣XOZ面顯微組織Fig.2 Microstructure of XOZ plane of annealed TC4 titanium alloy sample

圖3 退火態(tài)TC4鈦合金試樣YOZ面顯微組織Fig.3 Microstructure of YOZ plane of annealed TC4 titanium alloy ample

圖4 退火態(tài)TC4鈦合金試樣XOY面顯微組織Fig.4 Microstructure of XOY plane of annealed TC4 titanium alloy sample

由圖2b、圖3b可知，在XOZ面和YOZ面，α相存在“束團(tuán)”現(xiàn)象，集束方向上較整齊，且存在短棒狀的α相，這是由于退火熱處理后，長度方向的α相組織在長大過程中被異向組織截?cái)?，從而變成了長寬比較小的短棒狀α相，且晶界處析出α相呈粒狀。相比XOZ面、YOZ面，XOY面微觀組織α相呈織網(wǎng)狀交錯(cuò)，如圖4b所示，細(xì)長狀的α相整體尺寸為XOZ面、YOZ面的1/3～1/2，且α/β相界面數(shù)量更多，且晶界處析出α相仍呈連續(xù)的細(xì)長狀。

2.2 拉伸性能

23℃室溫下退火態(tài)TC4鈦合金試樣橫向與縱向拉伸性能對比如圖5所示?？梢钥闯?，橫向與縱向拉伸性能表現(xiàn)出明顯的各向異性：橫向（Y向）平均抗拉強(qiáng)度、平均屈服強(qiáng)度均明顯高于縱向（Z向），且橫向（Y向）平均抗拉強(qiáng)度、平均屈服強(qiáng)度高于鍛件標(biāo)準(zhǔn)，縱向（Z向）平均抗拉強(qiáng)度、平均屈服強(qiáng)度略低于鍛件標(biāo)準(zhǔn)；橫向（Y向）平均斷后伸長率略低于縱向（Z向），基本跟鍛件標(biāo)準(zhǔn)持平；橫向（Y向）平均斷面收縮率遠(yuǎn)低于縱向（Z向），略低于鍛件標(biāo)準(zhǔn)。相比于縱向（Z向），橫向（Y向）的平均抗拉強(qiáng)度高82 MPa，平均屈服強(qiáng)度高63.2 MPa，平均斷后伸長率略低0.4%，平均斷面收縮率低16%。由此可知，室溫下TC4鈦合金試樣橫向的強(qiáng)度較高，縱向的塑性較高。縱向的一根拉伸試樣數(shù)據(jù)異常，不計(jì)測得值。鈦合金鍛件力學(xué)性能參考標(biāo)準(zhǔn)GJB2744-1996，其中抗拉強(qiáng)度≥895 MPa，屈服強(qiáng)度≥825 MPa，斷后伸長率≥10%，斷面收縮率≥25%。

圖5 23℃室溫下退火態(tài)TC4鈦合金試樣橫向與縱向拉伸性能Fig.5 Transverse and longitudinal tensile properties of annealed TC4 titanium alloy samples at 23℃room temperature

23℃室溫下退火態(tài)TC4鈦合金橫向和縱向拉伸斷口掃描電鏡照片如圖6所示?？梢钥闯?，橫向和縱向上斷口形貌存在差異，橫向拉伸斷口起伏較大，凹凸不平，而縱向拉伸斷口起伏不大，較為平坦，兩個(gè)方向上的斷裂機(jī)制完全不同。從圖6a可以看出，橫向斷口存在少量韌窩的同時(shí)出現(xiàn)了大量解理面和斷裂臺(tái)階，并帶有撕裂棱，屬于半解理半韌性斷裂，塑性較差。從圖6b可以看出，縱向斷口呈現(xiàn)大小不一、深度較淺的韌窩，屬于韌性斷裂，塑性較大，這與圖5的結(jié)果一致。

圖6 23℃室溫下退火態(tài)激光金屬沉積TC4鈦合金拉伸斷口掃描電鏡照片F(xiàn)ig.6 Tensile fracture SEM photos of annealed TC4 titanium alloy at 23℃room temperature

2.3 沖擊性能

沖擊力是衡量材料韌性的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。23℃室溫下退火態(tài)TC4鈦合金試樣橫向與縱向沖擊性能對比如圖7所示?？梢钥闯觯瑱M向與縱向沖擊性能表現(xiàn)出明顯差異：室溫下縱向（Z向）的平均沖擊力、平均沖擊韌度均明顯高于橫向（Y向）的平均沖擊力、平均沖擊韌度；且縱向（Z向）、橫向（Y向）平均沖擊韌度均遠(yuǎn)高于鍛件標(biāo)準(zhǔn)。相比于橫向（Y向），縱向（Z向）的平均沖擊功高14 J，平均沖擊韌度高17.5 J/cm2，且二者均高于鍛件標(biāo)準(zhǔn)值35 J/cm2。因此可知，縱向的塑韌性優(yōu)于橫向。

圖7 23℃室溫下退火態(tài)TC4鈦合金試樣橫向與縱向沖擊性能Fig.7 Transverse and longitudinal impact properties of annealed TC4 titanium alloy samples at 23℃room temperature

退火態(tài)TC4鈦合金橫向和縱向沖擊試樣斷口掃描電鏡照片如圖8所示。明顯看出，橫向與縱向沖擊試樣斷口處均為韌性斷裂，韌窩均較淺且尺寸不一，顏色呈灰色，表面凹凸不平，具有多個(gè)小的臺(tái)階平面。相比橫向斷口，縱向斷口臺(tái)階平面尺寸更小更密，應(yīng)該是穿晶斷裂面[15]。相較于橫向斷口，縱向斷口韌窩更深更小。因此，這與圖7中退火態(tài)TC4鈦合金試樣縱向（Z向）沖擊力、沖擊韌性均高于其橫向（Y向）相一致。

圖8 室溫下退火態(tài)TC4鈦合金橫向沖擊斷口照片F(xiàn)ig.8 Transverse impact fracture photos of annealed TC4 titanium alloy samples at room temperature

2.4 力學(xué)性能各向異性分析

對于退火態(tài)激光直接沉積TC4鈦合金而言，橫向（Y向）與縱向（Z向）上的力學(xué)性能存在各向異性的原因?yàn)椋壕Ы鐝?qiáng)化發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。在拉伸試驗(yàn)和室溫沖擊試驗(yàn)中，試樣受到力的作用時(shí)，晶粒取向不同以晶界劃分，在晶界的阻礙下，滑移很難進(jìn)行，從而位錯(cuò)堆積起來形成位錯(cuò)塞積[16]。晶界數(shù)量越多，要使得變形繼續(xù)進(jìn)行，金屬材料變形抗力越高，即強(qiáng)度越高。同時(shí)位錯(cuò)塞積又易導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生微裂紋引起斷裂，因此塑性越低。

圖9為柱狀晶各方向上受力分析示意圖，可以看到，β柱狀晶組織沿著縱向（Z向）貫穿多個(gè)沉積層。橫向（Y向）與縱向（Z向）對應(yīng)晶界數(shù)量顯示于XOY面、XOZ面，不同的晶界數(shù)量導(dǎo)致晶界強(qiáng)化效果不同。

圖9 柱狀晶各方向上受力分析示意Fig.9 Stress analysis diagram of columnar crystal in each direction

當(dāng)在縱向（Z向）施加力Fz時(shí)，可以從XOZ面看出β柱狀晶αGB數(shù)量很少（見圖2），因此縱向（Z向）抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度較低，延伸率和斷面收縮率較大，塑性較好。在橫向（Y向）施加力Fy時(shí)，可以從XOY面看出β柱狀晶αGB數(shù)量很多（見圖4），因此橫向（Y向）上抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度較高，延伸率和斷面收縮率較低，塑性較低。

當(dāng)橫向（Y向）沖擊試樣受力時(shí)，其受力情況與橫向（Y向）拉伸試樣受力類似，U型缺口處受到左右兩側(cè)的橫向的力，晶界較多，變形阻力較大，因此，橫向（Y向）的沖擊力、沖擊韌度較低。反之，縱向（Z向）的沖擊力、沖擊韌度較高。

3 結(jié)論

（1）退火態(tài)TC4鈦合金試樣的XOZ面和YOZ宏觀組織主要由明暗相間的粗大柱狀晶β組成。XOY面宏觀組織主要有等軸組織，即粗大柱狀晶β的截面。相比XOZ面和YOZ面，XOY面微觀組織α相呈織網(wǎng)狀交錯(cuò)，細(xì)長狀的α相整體尺寸小2～3倍，且α/β相界面數(shù)量更多。

（2）通過對退火態(tài)激光直接沉積TC4鈦合金橫向、縱向試樣的室溫拉伸、室溫沖擊進(jìn)行測試分析得出，橫向試樣的強(qiáng)度高，塑性低，縱向試樣的強(qiáng)度低，塑性高。同時(shí)，除了室溫下縱向試樣抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度低于鍛件標(biāo)準(zhǔn)，橫向試樣延伸率略低于鍛件標(biāo)準(zhǔn)，其余性能指標(biāo)均超過鍛件標(biāo)準(zhǔn)GJB2744-1996。

（3）在室溫下，橫向拉伸試樣斷口屬于半解理半韌性斷裂，縱向拉伸試樣斷口屬于韌性斷裂。橫向與縱向沖擊試樣斷口均屬于韌性斷裂，韌窩的形態(tài)略有不同。

（4）橫向（Y向）與縱向（Z向）上的力學(xué)性能存在各向異性的原因在于晶界強(qiáng)化的作用，橫向（Y向）與縱向（Z向）對應(yīng)晶界數(shù)量顯示于XOY面、XOZ面，XOY面的β柱狀晶αGB數(shù)量遠(yuǎn)多于XOZ面，晶界越多，強(qiáng)度越高，塑性越低。