選區激光熔化成形TA15鈦板鈦棒等鈦合金的組織與拉伸性能

TA15鈦合金(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)屬于高鋁當量α型合金，因具有良好的比強度、高溫抗蠕變能力、熱穩定性、耐蝕性等被應用于飛機關鍵承力構件和發動機結構中 [1] 。制備 TA15 大型復雜零件大多采用鍛造加機械加工的傳統技術，工序繁多、加工周期長、材料利用率低、成本高，很多大型零件的制備對鍛造設備要求也很高 [2] ，這些都制約了TA15 鈦合金在國防軍工領域的應用。

金屬增材制造技術（俗稱“金屬 3D 打印”）是在快速原型技術的基礎上發展起來的，集計算機、數控、激光、金屬材料等技術于一體，從 CAD 三維模型設計到實際原型/ 零件的高性能“近凈”成型加工的新型制造技術，具有柔性程度高、響應速度快、材料利用率高、成型復雜零件不增加成本等優點，為復雜難加工構件的快速制備提供了新思路，在航空航天等國防軍工領域具有廣闊的應用前景 [3,4] 。金屬增材制造技術主要分為激光熔化沉積技術和選區激光熔化成形技術，目前關于激光熔化沉積 TA15鈦合金的研究比較多 [5-7] ，美國 Aeromet 公司及北京航空航天大學已成功實現激光熔化沉積 TA15 鈦合金結構件在飛機上的應用 [8,9] 。但是關于選區激光熔化成形 TA15鈦板、TA15鈦棒的報道還比較少。

本文以 TA15 鈦合金粉末為研究對象，采用選區激光熔化成形制備 TA15 鈦合金試樣件，利用光學顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）等方法研究選區激光熔化成形的顯微組織和拉伸性能，并與板材進行對比，為其在實際生產中的應用提供必要的試驗依據和理論基礎。

一、試驗試驗過程

1、試驗材料

TA15鈦合金，批次號 2019ZFGA009，具體技術要求與檢測結果見表 1。

表 1 選區激光熔化成形 TA15 鈦合金粉末規格

2、主要儀器與設備

AM500E 選區激光熔化成形設備，英國 Renishaw 公司；電子萬能試驗機，德國 ZWICK/Roell 集團；SIGMA300掃描電鏡，德國沃弗本公司；Leica DVM6 光學顯微鏡，德

國徠卡公司。

3、試樣制備

選區激光熔化成形在 AM500E 設備上進行，制備10mm×10mm×10mm 的試樣塊，用于金相觀察，制備標準直徑 5mm、長 71mm 的拉伸試樣件，用于室溫和高溫拉伸試樣，并觀察斷口。

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

4、性能檢測

各項性能均按照相應國家標準進行測試，根據 GB/T228.1—2010 進行室溫拉伸試驗，根據 GB/T 228.2—2015進行高溫拉伸試驗。

二、結果與討論

1、顯微組織

圖 1(a)為選區激光熔化成形 TA15 鈦合金平行于沉積方向（規定為 L 向）的金相組織，圖 1(b)為選區激光熔化成形 TA15 鈦合金垂直于沉積方向（規定為 T 向）的金相組織，圖 1(c)為選區激光熔化成形鈦合金晶粒內部的顯微組織。由圖 1 可見，平行于沉積方向的高倍組織晶粒為外延生長形態，垂直于沉積方向的高倍組織為等軸狀。

這主要是因為在選區激光熔化過程中熔池內上部的異質形核和底部的外延生長兩種形核長大機制相互競爭決定的晶粒形貌，在沉積下一層時，將本層的異質形核部分重熔，出現了沿沉積方向不斷外延生長的細長條狀晶粒形貌。圖 1(c)為晶粒內部析出的細長片狀 α 相，長度約為50μm，寬度約為 3μm，從圖中能明顯看出晶界為半連續的 α 相。

2、室溫拉伸性能

選區激光熔化成形TA15鈦合金室溫拉伸性能見表2。由表 2 可知，L 方向抗拉強度和屈服強度與 T 方向很接近，說明選區激光熔化成型的 TA15 鈦合金橫縱向的性能差異不明顯，呈現各向同性，抗拉強度略高于 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，這是因為 L 方向是不斷外延生長的細長柱狀晶，晶界比 T 方向少，與 40mm 厚板材塑性在同一個水平。

表2 室溫拉伸性能測試結果

圖 2 為選區激光熔化成形 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 向韌窩相對于 T 向略微密集，這也說明了 L 向的塑性略高于 T 向。

3、高溫拉伸性能

選區激光熔化成形 TA15 鈦合金高溫拉伸性能見表3。由表 3 可知，選區激光熔化成形的 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。

表3 高溫拉伸性能測試結果

圖 3 為選區激光熔化成形 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，宏觀表現為韌性斷裂，塑性良好。

存在 α 片層發生滑移形成高低不平的解理斷裂平面，韌性和準解理相混合。片層狀的 α 相為選區激光熔化成形過程中析出的初生 α 相，在后續熱循環下長大形成的。

三、結論

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

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

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

參考文獻

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[2] 謝旭霞,張述泉,湯海波,等.退火溫度對激光熔化沉積 TA15鈦合金組織和性能的影響[J].稀有金屬材料與工程,2008(9):1510-1515.

[3] 王華明.高性能大型金屬構件激光增材制造:若干材料基礎問題[J].航空學報,2014,35(10):2690-2698.

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[7] 欽蘭云,徐麗麗,楊光,等.退火方式對激光沉積 TA15 鈦合金組織及力學性能的影響[J].中國激光,2018,45(3):208-214.

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[9] Abbott D H, Arcella F G. Laser forming Titanium components[J]. Adv Mat Proc, 1998, 153: 29-30.