激光选区熔化复合制造TC4钛合金组织性能研究_刘波.pdf

2023 年 3 月第 2 期大型铸锻件HEAVY CASTING AND FOGINGMarch 2023No 2櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂殬殬殬殬新技术新材料激光选区熔化复合制造 TC4 钛合金组织性能研究刘波1吴代建2高巍1饶春红1王欢2(1 四川明日宇航工业有限责任公司，四川 德阳 618400;2 四川工程职业技术学院，四川省冲压发动机先进制造技术工程实验室，四川 德阳 618000)摘要:采用选区激光熔化技术(SLM)在锻造后的 TC4 合金基体上制备 TC4 钛合金增材锻件复合成形件，并采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、显微维氏硬度计和拉伸试验机等试验设备，分析了不同 SLM 参数下 TC4 钛合金复合成形件微观组织及力学性能。结果表明:复合试样微观组织分为锻件基体区、结合区以及增材区三个区域。增材区与锻件区之间界线清晰，无未熔合、气孔、裂纹等缺陷。锻件区组织为等轴组织，增材区为相互交错的针状 马氏体组织。性能试验结果表明:增材区和结合区抗拉强度及屈服强度均显著优于锻件;其中结合区强度最高，增材区次之。综合考虑强度和塑性，激光功率为 280 W，扫描速率为 1100 mms 下得到的复合试样拉伸性能最好。关键词:TC4 钛合金;激光增材复合制造;组织性能中图分类号:TG146 1文献标志码:AStudy on Microstructure and Properties of TC4 Titanium AlloyFabricated by Laser Selective Melting CompositeLiu Bo，Wu Daijian，Gao Wei，ao Chunhong，Wang HuanAbstract:TC4 titanium alloy additiveforging composite parts have been prepared on the forged TC4 alloysubstrate by selective laser melting(SLM)The microstructure and mechanical properties of TC4 titanium alloycomposite parts under different SLM parameters have been analyzed by metallographic microscope(OM)，scanningelectron microscope(SEM)，hardness tester and tensile tester The results show that the microstructure of thecomposite sample is divided into three regions:forging basal body region，bonding region and additive region Theboundary between the additive zone and the forging zone is clear，and there are no defects such as incomplete fusioncracks The microstructure of the forging zone is equiaxed structure，and the additive zone is interlaced acicular martensite structure The performance test results show that the tensile strength and yield strength of the additive zoneand the bonding zone are significantly better than those of the forging The bonding zone has the highest strength，followed by the additive zoneConsidering the strength and plasticity，the tensile properties of the compositespecimens obtained by laser power of 280 W and scanning rate of 1100 mms are the bestKey words:TC4 titanium alloy;laser additive composite manufacturing;microstructure and properties收稿日期:2023-02-22基金项目:四 川 省 科 技 计 划 重 点 研 发 项 目(2022YFG0214、2023YFG0168)，德 阳 市 重 点 研 发 科 技 计 划 项 目(2020SZZ050、2022GZ012)作者简介:刘波(1984)，男，工学学士，高级工程师，主要研究方向为金属材料增减材复合制造。激光选区熔化成形(Selective laser melting，SLM)技术因其具有精度高、周期短等优势成为目前研究和应用最广的增材制造技术之一1-3。经过近年来的飞速发展，SLM 成形金属复杂构件已逐步在国内外航空航天领域得到了工程化应用4-6，但存在着成形件尺寸受限的瓶颈问题。近年来，将增材制造技术和传统锻造成形有机结合起来的复合制造技术逐渐发展起来7-8，扬长避短，既能提高生产效率又能获得优异的性能，在实践中具有广阔的发展前景。TC4 钛合金因其比强度高、耐腐蚀性好、综合力学性能优良，在航空航天发动机等重大装备制造中得到广泛应用9-10，本文以 TC4 钛合金锻件作为基体，采用不同 SLM成形参数制备出 TC4 钛合金复合制造试样，开展基础研究。利用金相显微镜、扫描电镜、显微维氏硬度计以及拉伸试验机等实验设备分析了不同SLM 参数对复合制造 TC4 钛合金组织和力学性能的影响，为 TC4 钛合金增材制造和锻造复合成形技术的发展提供理论参考。1试验材料与方法复合制造 TC4 钛合金基体采用锻造工艺成形，基体组织为典型的 +型双相等轴组织，如图 1，初生 相呈球状形貌，经统计，初生 相的体积占比约为 82%，其余组织为 组织及片层状 转变组织(次生 相)。1DOI:10.14147/ki.51-1396/tg.2023.02.0122023 年第 2 期大型铸锻件表 1TC4 合金粉末的化学成分(质量分数，%)Table 1Chemical compositions of TC4 alloy powder(mass fraction，%)AlVFeCNOHTi粉末标准值550 6 75 3 50 4 500300080050 120015粉末含量实测值6 274 10005000700120110007Bal锻态基体含量6 734 290200012000501600018Bal复合制造 TC4 钛合金增材部分利用 LIM-X260A 型 金 属 增 材 制 造 设 备 激 光 选 区 熔 化(SLM)成形。增材前先对基体表面进行打磨，致使糙度小于1 6 m、平整度小于0 03 mm 的表面状态。粉末材料为通过真空气雾化法得到的 TC4钛合金球形粉末，化学成分如表 1 所示，满足GBT 3620 12016 的 要 求，其 中 氧 含 量 为0 11%。在试验前，将粉末置放于真空干燥箱中进行 120 12 h 的真空烘干处理。SLM 成形参数见表 2，扫描遵循 Zigzag 策略，层与层之间角度旋转 67。复合成形示意简图如图 2 所示。(a)OM，200(b)SEM，5000 图 1TC4 锻件基体金相组织Figure 1Microstructure of TC4 forging basal body表 2激光选区熔化成形工艺参数Table 2Lase试样编号激光功率W扫描速度mms扫描间距粉层厚度m1#28011000 14302#28012000 14303#30011000 1430图 2复合成形示意简图Figure 2Schematic diagrams of composite forming金相试样在经预磨和抛光后，采用 Kroll 试剂进行腐蚀(试剂配比为 HF HNO3 H2O=5 1085)。采用莱卡 DMI 5000 型光学显微镜(OM)、Thermo Scientific Apreo 2 SEM 高性能场发射扫描电镜(SEM)观察显微组织。采用 HV-1000TPTA显微维氏硬度计测试显微硬度。由于增材尺寸的限制，拉伸试验不能采用常规标准拉伸试样，采用小尺寸室温拉伸试样，分别从锻造基体区、结合区及增材区三个位置取试样进行测试，试样尺寸及取样位置如图 3 所示。小尺寸室温拉伸试验采用型号为 Instron 5565 的力学试验机，配备 Instron 视频引伸计来测量实时应变，拉伸速率 0 5 103s。(a)拉伸试样示意图(b)取样示意图图 3拉伸试验示意图Figure 3Schematic diagram of tensile testing2试验结果与讨论2 1显微组织采用光学显微镜观察不同激光扫描速率复合成形 TC4 钛合金试样的金相组织形貌，如图 4 所示，复合成形 TC4 钛合金的显微组织分成三个区域:锻件基体区、结合区、增材区。图 4 左边部分为锻造成形 TC4 钛合金显微组织，其右边部分为激光选区熔化技术成形 TC4钛合金显微组织，锻件区与激光选区熔化增材区之间有清晰的分界线，界面连续清晰、无肉眼可见的未熔合、气孔、裂纹等缺陷，且无明显的热影响区。锻件基体区为典型的 +双相等轴组织，增材区为相互平行交错的针状马氏体。2刘波:激光选区熔化复合制造 TC4 钛合金组织性能研究2023 年第 2 期图 4复合成形件微观组织(OM，50 )Figure 4Microstructure of composite formed parts2 1 1扫描速率对复合制造 TC4 合金显微组织的影响(1)增材区组织在激光功率保持 280 W 的前提下，改变扫描速率，研究扫描速率对复合制造 TC4 合金显微组织的影响，参数 1、2(扫描速率分别为1100 mms、1200 mms)增材区纵向组织如图 5 所示。(a)(b)1#试样，扫描速率 1100 mms(c)(d)2#试样，扫描速率 1200 mms图 5增材区显微组织Figure 5Microstructure of additive zone增材区大部分为 相马氏体11，这是因为SLM 成形的冷却凝固过程中，先形成了体心立方结构的 相，激光扫描金属粉末使其熔化，然后粉末快速冷却凝固，凝固过程中散发的热量经过钛合金基体和空气介质进行传递，但热量在金属中传输速率更快，从而形成了温度梯度，热量沿着已成形的部分快速传递，一直维持着较高的温度梯度。在该梯度的作用下，晶粒择优生长，使其形成了一定的方向性，使得不同扫描速率下，增材区金相组织均由贯穿多个熔覆层粗大的 柱状晶组成，并呈外延生长。又因 SLM 成形具有较快的冷却速度，在之后的快冷过程中，晶粒转变为密排六方结构的 马氏体相，马氏体相在 晶粒中沿着一定方向成形，最终形成了该组织相貌。增材区扫描组织形貌见图 5(b)(d)，随着扫描速率由 1100 mms 增加至1200 mms，增材区 马氏体形态有明显区别，1100 mms 时马氏体呈细短交错形貌且间距较窄，1200 mms 时马氏体明显粗化且间距明显加宽。(2)结合区组织不同扫描速率下，结合区的显微组织形貌见图 6。锻造区与增材区组织有明显界线，界面清晰，无肉眼可见的气孔等缺陷。锻件区的显示为等轴组织，其中 相占据基体锻件区的大部分组织，在 相之间又夹杂着 相及层状的