TC4鈦合金組成為Ti-6Al-4V，屬于（α+β）型鈦合金，由于具有密度低、比強度高、優(yōu)良的耐腐蝕性能和較好的焊接性能等而被廣泛應用于航空航天、石油化工、生物醫(yī)學等領(lǐng)域，其使用量已經(jīng)達到世界鈦消費品的50%以上。傳統(tǒng)鈦合金的制造技術(shù)由于存在需要大型鍛壓設備、材料利用率低和難易制造復雜形狀結(jié)構(gòu)件等問題而在一定程度上限制了諸如 TC4鈦合金等的應用。3D打印（增材制造）快速成形技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料， 通過逐層打印的方式來實現(xiàn)實體零部件的制備，具有快速性、低成本、高柔性和高集成化等特性而被關(guān)注。國內(nèi)外在送粉式3D打印鈦合金的研究多集中在組織控制和成形性能上， 通過后續(xù)的熱處理可以獲得性能良好的成形件， 但是絕大多數(shù)采用的是CO2激光或者旁軸送粉，而采用光纖激光+ 同軸送粉方式的研究較少[1-2]。因此，本文采用同軸送粉的沉積方式研究了成形工藝和熱處理工藝對3D打印TC4鈦合金組織與性能的影響，為高性能TC4鈦合金的制備提供了新的途徑，并有助于3D打印鈦合金工藝的優(yōu)化與性能提升。

1、試驗材料與方法

試驗基材為尺寸160mm×50mm×5mm 的熱軋TC4鈦合金板材，使用前需要進行表面去氧化膜（化學清洗法）、丙酮清洗和烘干等步驟。3D打印所用TC4粉末為采用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備的粒度為-140～+320 目球形粉末， 化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%） 為：6.1Al、4.1V、0.14Fe、0.02C、0.02N、0.003H，余量為Ti。

3D打印的主要裝備包括德國YSL-10000 型光纖激光器、德國KUKA 公司的六軸機械人、德國YC52 同軸熔覆頭、PT2/3 型雙桶送粉器以及氣體保護裝置（氬氣）等。采用同軸送粉式3D打印所采用的同軸熔覆頭焦距為200mm、聚焦光斑直徑設定為準0.25mm、熔覆頭噴涂與基材之間的距離控制在11mm， 在制備過程中的保護氣包括同軸保護氣6 L/min、載粉氣4.5L/min 以及束流氣12L/min。為了對比不同3D打印工藝參數(shù)對TC4鈦合金成形性能的影響，主要通過控制激光功率（300～800W）、掃描速度（0.12～0.60 m/min）、送粉速度（0.8～7.6 g/min）和掃描方向（單向和往返）來制備沉積態(tài)TC4鈦合金。采用石英管真空密閉方法對3D打印TC4鈦合金成形件進行固溶和時效熱處理， 固溶處理溫度在900～1000℃， 保溫時間為1 h， 時效處理溫度為540℃，保溫時間為4 h，都采用空冷（AC）；另一種對比熱處理工藝為950℃保溫1h 后隨爐冷卻（FC）。

對TC4鈦合金成形件的橫截面和縱截面進行打磨、機械拋光， 然后采用體積比HF∶HNO3∶H2O=1∶2∶5的腐蝕劑進行腐蝕后，在SMZ1500 體視顯微鏡上進行低倍組織觀察。高倍組織觀察采用體積比為HF∶HNO3∶H2O=3∶10∶87 的混合試劑腐蝕后，在OlymplusGX51 光學顯微鏡上觀察； 采用捷克TESCANVEGAⅡ型掃描電子顯微鏡對組織和斷口形貌進行觀察；采用美國MTS-810 液壓伺服電子萬能拉伸試驗機對TC4鈦合金試樣進行常溫拉伸力學性能測試，拉伸速率為1.5mm/min， 以3 組試樣平均值作為測試結(jié)果。

2、試驗結(jié)果及討論

2.1 激光功率

圖1 為單向掃描方式和掃描速度為0.36 m/min條件下不同激光功率下TC4鈦合金的低倍宏觀形貌。可以看到， 激光功率為300W、500W 和800W時的宏觀組織都為定向外延生長的粗大β柱狀晶形態(tài)， 但是不同激光功率下柱狀晶的尺寸存在明顯差異。當激光功率為300W 時，TC4鈦合金中β柱狀晶的晶粒尺寸約為320μm；隨著激光功率增加至500W 和800W，TC4鈦合金中β柱狀晶的晶粒尺寸分別為538μm 和866μm。由此可見，在掃描方向和掃描速度不變前提下，β柱狀晶的晶粒尺寸會隨著激光功率的增加而增大。這主要是由于隨著激光功率的增加，沉積件熔池中的溫度梯度會有所降低，在掃描速度不變情況下， 合金中的晶粒尺寸會有所增大[3]。

圖2 為不同激光功率下TC4鈦合金的常溫拉伸力學性能測試結(jié)果。隨著激光功率的增加，TC4鈦合金的抗拉強度和屈服強度都表現(xiàn)為先升高而后降低的趨勢， 在激光功率為500W 時取得最大值；而斷后伸長率隨著激光功率的增加而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢， 在激光功率為800W 時，TC4鈦合金的斷后伸長率為4.80%。從3 種激光功率下TC4鈦合金的力學性能上來看，3D打印鈦合金的抗拉強度和屈服強度都超過了國標GB/T 6614-2014 和國標GB/T2965-1996 中對鑄件和鍛件退火態(tài)的要求（抗拉強度≥895MPa，屈服強度≥825MPa），但是斷后伸長率未超過鑄件（6%）和鍛件退火態(tài)（10%）的標準[4]。

2.2 掃描速度

圖3 為單向掃描方式和激光功率為500W 條件下不同激光掃描速度下TC4鈦合金的低倍宏觀形貌。可以看到， 當掃描速度在0.36～0.60 m/min時，TC4鈦合金的晶粒形態(tài)都為柱狀晶， 而掃描速度為0.24 m/min 時的晶粒形態(tài)為柱狀晶和等軸晶。

從掃描速度對柱狀晶形態(tài)的影響上來看， 當激光掃描速度從0.24m/min 增加至0.60m/min 時， 柱狀晶的寬度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢， 而柱狀晶高度逐漸增加。這主要是由于掃描速度的升高會增加熔池中的溫度梯度，熔池冷卻過程中的過冷度增加，柱狀晶寬度會減小。如果掃描速度較低（0.24m/min），熔池中的溫度梯度減小， 使得固液界面和熔池內(nèi)部的形核條件接近一致就會形成等軸晶。此外，還可以發(fā)現(xiàn)，隨著掃描速度的增加， 柱狀晶與掃描方向的夾角逐漸增大， 在掃描速度為0.60m/min 時柱狀晶與掃描方向幾乎垂直。這主要是由于掃描速度較大時，成形過程中基體上形成的溫度場范圍變小， 晶粒會垂直于熔池中心線生長， 而形成了近似于與掃描方向呈90°的柱狀晶[5]。

圖4 為不同掃描速度下TC4鈦合金的常溫拉伸力學性能測試結(jié)果。隨著掃描速度的增加，TC4鈦合金的抗拉強度和屈服強度都表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢， 而斷后伸長率逐漸升高。在掃描速度為0.24m/min 時TC4鈦合金的抗拉強度和屈服強度分別為1360MPa 和1282MPa，而斷后伸長率為4.25%；在掃描速度為0.60 m/min 時TC4鈦合金的抗拉強度和屈服強度分別為1106MPa 和1008MPa， 而斷后伸長率為7.15%。由此可見，單相掃描、激光功率500W、掃描速度0.12～0.60 m/min 時TC4鈦合金沉積件的抗拉強度和屈服強度都超過了鑄件和鍛件退火態(tài)的要求， 但是斷后伸長率的變化范圍與不同激光功率下的沉積件相似， 且都未超過鑄件和鍛件退火態(tài)的標準。

2.3 掃描方向

圖5 為激光功率為500W、掃描速度0.36m/min時單向掃描和往返掃描方式下TC4鈦合金的低倍宏觀形貌。對比分析可見，在其它工藝參數(shù)一定條件下，單向掃描時TC4鈦合金的柱狀晶呈現(xiàn)定向外延生長趨勢，而往返掃描時TC4鈦合金的柱狀晶由定向生長轉(zhuǎn)變?yōu)殡p相生長， 且沉積層間還出現(xiàn)了一定數(shù)量的等軸晶，同時可見往返掃描條件下TC4鈦合金沉積件的高度更高。這主要是因為往返掃描條件下會產(chǎn)生較多的熱積累，熔池面積更大從而可以吸收更多的粉末，而單向掃描條件下的熱積累較少[6]，沉積件的高度相對較低；此外，在熱積累過程中，往返掃描時熔池中的溫度梯度會有一定程度降低， 為等軸晶的形成創(chuàng)造了條件， 且由于沉積層上部分的等軸晶在沉積下一層時不能完全重熔，因此，宏觀形貌中會出現(xiàn)柱狀晶和等軸晶交替的形態(tài)[7]。

圖6 為單向和往返掃描條件下TC4鈦合金的常溫拉伸力學性能測試結(jié)果。在其它工藝參數(shù)一定條件下，激光掃描方向從單向轉(zhuǎn)變?yōu)橥祾呙瑁琓C4鈦合金的抗拉強度和屈服強度都有所提高， 但是斷后伸長率卻下降較為明顯。在往返掃描方式下TC4鈦合金的抗拉強度和屈服強度分別為1322MPa 和1250MPa，而斷后伸長率為2.32%。這可能是由于往返掃描時定向外延生長的柱狀晶形態(tài)發(fā)生破壞，形成了柱狀晶與等軸晶交替的形態(tài)， 在拉伸過程中會有更多的晶界阻礙， 而使得往返掃描沉積件具有高強低韌的特征[8]。

2.4 固溶與時效熱處理

對沉積態(tài)和不同固溶時效熱處理工藝下的3D打印TC4鈦合金的常溫力學性能進行測試，結(jié)果見表1。沉積態(tài)TC4 合金進行910～990℃固溶+540℃時效熱處理后空冷得到的試樣的抗拉強度和屈強強度有所降低，但是斷后伸長率卻明顯提高；尤其是熱處理工藝為950℃/AC/1 h+540℃/AC/4 h 時試樣的抗拉強度和屈服強度分別達到1206MPa 和1122 MPa，而斷后伸長率達到13.42%，其強度和塑性都超過了國標對TC4鈦合金鑄件和鍛件退火態(tài)的要求。相比950℃/FC/1h 的熱處理，試樣的強度略有提高，但是斷后伸長率卻大幅度降低至2.42%，明顯低于沉積態(tài)試樣。由此可見， 通過固溶和時效熱處理可以有效改善沉積態(tài)TC4鈦合金的強度和塑性，熱處理后的冷卻速度對鈦合金的強度和塑性影響較 大，在實際應用過程中應該加以控制。

圖7 為沉積態(tài)、950℃/AC/1 h+540℃/AC/4 h 和950℃/FC/1h 熱處理態(tài)TC4鈦合金的金相組織。對于沉積態(tài)TC4鈦合金， 金相組織為馬氏體α' 針為主的魏氏組織；經(jīng)過950℃/AC/1 h+540℃/AC/4 h 熱處理后，金相組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)籃組織；950℃/FC/1 h 熱處理后金相組織轉(zhuǎn)變?yōu)殡p態(tài)組織，合金中部分α相發(fā)生球化， 而另一部分仍然具有網(wǎng)籃組織特征。其中，魏氏組織的塑性和沖擊韌性較差，網(wǎng)籃組織的強度、塑性以及高溫蠕變性能較好，而雙態(tài)組織的強度較高、塑性較差[8]。對比分析爐冷和空冷方式下TC4鈦合金網(wǎng)籃組織的掃描電鏡顯微形貌，結(jié)果見圖8。在空冷制度下，TC4鈦合金將發(fā)生半擴散型相變，合金在固溶處理后得到桿狀的初生α相，隨后經(jīng)過時效處理后，初生α相之間的β相會以細小次生α相形式出現(xiàn)（圖8（a））；爐冷制度下，TC4鈦合金將發(fā)生擴散型相變， 固溶處理后會由于成分偏析而形成雙態(tài)組織，合金中初生α相之間的β相由于沒有后續(xù)的時效熱處理而并沒有析出次生α相（圖8（b））；同時對比分析可見，爐冷制度下晶界α相和晶內(nèi)α相都要相對空冷制度下更粗大，受外力作用下的裂紋更容易在爐冷條件下的晶界處萌生和擴展，造成合金的塑性降低。

3、結(jié)論

（1） 在掃描方向和掃描速度不變前提下，β柱狀晶的晶粒尺寸會隨著激光功率的增加而增大。隨著激光功率的增加，TC4鈦合金的抗拉強度和屈服強度都表現(xiàn)為先升高而后降低的趨勢； 在激光功率為500W 時取得最大值；而斷后伸長率隨著激光功率的增加而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

（2） 當掃描速度在0.36～0.60 m/min 時，TC4鈦合金的晶粒形態(tài)都為柱狀晶。而掃描速度為0.12m/min 時的晶粒形態(tài)為柱狀晶和等軸晶； 當激光功率從0.12m/min 增加至0.60m/min 時， 柱狀晶的寬度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，而柱狀晶高度逐漸增加；隨著掃描速度的增加，TC4鈦合金的抗拉強度和屈服強度都表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢， 而斷后伸長率逐漸升高。

（3） 在其它工藝參數(shù)一定條件下， 單向掃描時TC4鈦合金的柱狀晶呈現(xiàn)定向外延生長趨勢。而往返掃描時TC4鈦合金的柱狀晶由定向生長轉(zhuǎn)變?yōu)殡p相生長，且沉積層間還出現(xiàn)了一定數(shù)量的等軸晶；激光掃描方向從單向轉(zhuǎn)變?yōu)橥祾呙瑁琓C4鈦合金的抗拉強度和屈服強度都有所提高， 但是斷后伸長率卻下降較為明顯。

（4） 固溶+時效熱處理可以有效改善沉積態(tài)TC4鈦合金的強度和塑性，其強度和塑性都超過了國標對TC4鈦合金鑄件和鍛件退火態(tài)的要求。

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