媒介

Ti-6Al-4V(TC4)钛合金是一种α+β双相钛合金，，
，拥有较高的比强度
、屈强比
、耐蚀性和良好的加工机能(蕴含热变形性
、焊接性
、切削加工性和抗蚀性)，，
，利用温度领域较广(≤430℃)，，
，在当现代界使用的钛合金产品中，，
，TC4钛合金占据了超过一半的市场份额[1-2]。
。随着TC4钛合金用量的增多及利用领域的扩大，，
，传统的制备工艺如铸造
、铸造存在制备周期长
、工艺复杂等问题，，
，且与机械加工结合的制作技术难以解决变形钛合金件的机械加工量大
、资料利用率低(20%～50%)以及出产成本高档问题[3-4]。
。激光定向能量沉积技术(Directedenergydeposition,DED)是一种新兴的先进制作技术，，
，其能够直靠近净成型复杂的高机能致密金属结构件，，
，拥有高柔性
、短周期
、低成本
、利用领域广
、市场响应快等特点，，
，在航空
、航天
、汽车等高技术领域有着辽阔的利用远景，，
，近十年来逐步成为国内外激光加工和先进制作领域的钻研热点，，
，使钛合金的发展和利用进入了一个崭新的阶段[5-7]。
。

在增材制作成形过程中，，
，金属会经历极其急剧的加热-冷却过程和持久周期性热循环过程，，
，因而，，
，激光定向能量沉积技术成形的TC4合金沉积态的组织特点与整体铸造工艺所制得的分歧，，
，其显微组织并不是由等轴α相和片层间β相所组成的[8-9]，，
，而是贯通于多个熔覆层呈外延成长的较大尺寸β柱状晶，，
，且β晶粒内则通常为由α片层组成的藐小的网篮状组织[10-11]。
。因而，，
，激光定向能量沉积技术制作的沉积态TC4合金，，
，往往出现出高强低塑
、各向异性的力学机能特点[12]。
。此外，，
，激光沉积过程中急剧的升/降温带来的残存应力，，
，对构件的机能也拥有肯定影响[6-7]。
。因而，，
，必要成立相宜的热处置工艺来优化和改善激光增材TC4合金成形件的显微组织和力学机能。
。

通常来说，，
，经固溶时效处置后，，
，激光增材制作TC4合金初生α相长宽比降低，，
，短棒状α相增长，，
，形成网篮组织[1]。
。而双重退火能够更显著的改善TC4合金的塑性[13-14]，，
，因而，，
，通过相宜的热处置搭配能够显著改善沉积态合金的力学机能，，
，使成形件达到较好的强度-塑性匹配[15]。
。近年来，，
，钻研人员钻研了分歧热处置工艺对合金显微组织及力学机能的影响[16]。
。例如，，
，BAUFELD等[17]钻研了DED制备的TC4合金在600℃空冷4h和在843℃空冷2h后力学机能的影响，，
，发现经600℃退火的合金力学机能较沉积态无显著扭转，，
，但843℃热处置后的试样断后伸长率显著增长。
。BRANDL等[18]钻研了DED制备的TC4合金在600℃炉冷4h和在843℃炉冷2h后力学机能，，
，发现600℃退火试样强度增长但塑性降落，，
，但843℃热处置的试样强度变动不大但塑性升高。
。LIU等[19]钻研了热处置对激光选区溶解(Selectivelasermelting,SLM)制备的TC4钛合金显微组织和力学机能的影响，，
，以为TC4合金经过960℃保温1h后水淬，，
，之后再600℃保温8h后空冷，，
，可获得最佳的力学机能。
。LEUDERS等[20]钻研了分歧热处置对SLM制备的TC4钛合金的委顿行为和力学机能，，
，了局批注，，
，经800℃保温2h的试样的残存应力降至最低，，
，相比锻件拥有更好的力学机能，，
，但委顿机能不如热等静压处置的试样。
。

SABBAN等[21]提出了一种创新战术，，
，通过靠近但低于β转变温度(975℃)循环热处置，，
，在SLM制得的TC4合金中获得由球状α组成的双态微观结构，，
，这种微观结构不仅提供了更好的强度和塑性组合，，
，并且还提供了优越的委顿机能。
。综上所述，，
，目前对激光增材制作TC4钛合金热处置的钻研重要集中在对远低于β相变点的温度进行退火，，
，且多为固溶时效处置。
。由于在β相区固溶处置所得到的粗壮魏氏体组织虽拥有悠久强度高和断裂韧性高的利益，，
，但拉伸塑性和委顿强度均很低，，
，而在α+β相区固溶处置则无此弊端。
。因而，，
，对双重退火工艺一级退火温度的大部门钻研都聚焦于β相变点温度以下。
。而对于靠近β相变点温度作为一级退火温度和500～800℃之间作为二级退火温度的热处置钻研重要集中于SLM制备的TC4合金，，
，且拉伸机能重要集中于室温。
。对于靠近β相变点的温度作为一级退火温度的双重退火工艺处置DED制备的TC4合金的室和善高温力学机能的有关钻研较少。
。而SLM制备样品时，，
，冷却速度更快，，
，所产生的显微组织和晶粒描摹较DED制备的试样显著分歧，，
，因而，，
，为实现对激光定向能量沉积技术制备钛合金构件的机能调控，，
，钻研对DED制备的TC4钛合金资料相宜的热处置工艺是必要的。
。

本文以激光定向能量沉积技术制备TC4钛合金板材为对象，，
，钻研了分歧热处置后合金的显微组织和室温及高温下的拉伸机能特点，，
，重点分析了双重退火工艺对显微组织和力学机能的影响，，
，并分析了分歧热处置工艺对α相尺寸的影响，，
，为激光定向能量沉积技术制备TC4钛合金的机能调控提供领导。
。

1
、试验资料与步骤

1.1试验资料与设备

本钻研选取真空等离子旋转电极雾化制备的Ti-6Al-4V预合金粉末。
。其化学元素成分见表1。
。预合金粉末外观呈规定球形，，
，粒度均匀一致，，
，无异物和同化。
。为降低粉末中的水分，，
，增长粉末的流动性，，
，将预合金粉末在真空箱中6h烘干处置，，
，温度为180℃±5℃，，
，保温实现后在真空箱中冷却至室温后取出。
。试验所用基材为TC4钛合金锻件，，
，用砂轮打磨去除理论油污和氧化皮，，
，随后用酒精洗濯干净，，
，烘干待用。
。

增材制作试验在北京煜鼎增材制作有限公司的大型激光同轴送粉增材制作成套设备中实现。
。为了预防增材制作过程中钛合金产生氧化，，
，选取高纯氩气；；，，
，氧含量节制在0.005%以内。
。激光同轴送粉增材制作工艺参数领域为：：：功率5～7kW，，
，光斑直径5～8mm，，
，扫描速度800～1400mm/min，，
，送粉速度600～1100g/h。
。

为评价成形工艺不变性，，
，所有样品均是选取一样工艺参数在铸造基材上通过激光定向能量沉积制备的。
。将激光定向能量沉积制得的18个TC4钛合金样品分为三组，，
，拔取两种典型热处置工艺(HT1
、HT2)和新的双重退火热处置工艺(HT3)，，
，如表2所示，，
，对激光定向能量沉积制备TC4钛合金进行后续处置。
。

1.2资料机能测试

对热处置后的试样别离经60#
、120#
、500#
、800#
、1000#
、1500#
、2000#水磨砂纸打磨，，
，用含Fe2O3和Cr2O3的抛光液进行机械抛光，，
，用Kroll试剂对抛光试样进行化学侵蚀，，
，其成分配比为HF：：：HNO₃：：：H₂O=1：：：2：：：68(体积比)，，
，侵蚀功夫为20s。
。用Leica金相显微镜(Opticalmicroscopy，，
，OM)观察低倍显微组织，，
，用JEOL-6010扫描电子显微镜(Scanningelectronmicroscopy，，
，SEM)观察高倍显微组织。
。

选取M12×71mm的尺度试样，，
，如图1a所示，，
，在国度钢铁资料测试中心进行室和善400℃高温拉伸测试。
。拉伸试样均拔取纵向和横向两个方向，，
，如图1b所示，，
，其中，，
，oz方向为激光增材沉积方向(或纵向，，
，缩写L)，，
，oy方向为扫描方向(横向，，
，缩写T)。
。拉伸测试数据重要蕴含弹性模量(E)
、屈服强度(σ0.2)
、抗拉强度(　b)
、断后伸长率(A)和断面收缩率(Z)。
。每组热处置态拉伸试样的横向和纵向拉伸试样数量各6根。
。

2
、试验了局及会商

2.1激光定向能量沉积制作TC4钛合金显微组织

激光定向能量沉积制备TC4钛合金沉积态宏观晶粒照片如图2a
、2b所示。
？Ｄ芄豢闯，，
，纵截面宏观组织(图2a)为蓬勃的柱状晶，，
，贯通多个沉积层
、长度可达30mm以上；；垂直于沉积方向的横截面宏观组织(图2b)为等轴状晶粒，，
，尺寸为0.5～3mm。
？Ｄ芄淮Ф，，
，激光成形TC4钛合金组织为沿沉积方向成长的巨细不一的柱状晶，，
，但其成长方向并不严格平行于沉积方向，，
，而是遵循移动熔池的状态和温度梯度所决定最优成长方向[2,22]，，
，受到沉积过程中散热方向和熔池温度梯度变动的影响。
。

激光定向能量沉积技术制备TC4钛合金沉积态的光镜照片和SEM照片别离如图2c
、2d
、2e所示，，
，由于激光成形过程中存在较大过冷度和高冷却速度，，
，沉积态显微组织为片层α相组成的较细的网篮组织，，
，且存在齐全的陆续晶界α相(αGB)，，
，如图2d所示，，
，晶内有好多平行成长的α片层，，
，α片层宽度为0.5～2μm，，
，α片层宽度具体散布如图4d所示。
。

这是由于当熔池的温度降落到β转变温度以下，，
，达到肯定过冷水平时，，
，起头从原始β晶粒内析出片层α相组织，，
，α相优先在晶界处形核长大形成陆续αGB相，，
，晶内的α片丛成长表态互接触形成网篮组织[10]。
。激光定向能量沉积技术制备的TC4合金经分歧热处置后的显微组织如图3所示，，
，相应的α相的宽度散布如图4d所示。
？Ｄ芄豢闯，，
，分歧热处置后合金的β相晶粒描摹并未产生变动，，
，均为垂直扫描方向的柱状晶。
。但是，，
，HT1热处置后，，
，初生α相(α_p)与沉积态相比产生粗化，，
，但由于退火温度较低，，
，故宽度增长不是出格显著，，
，多为2μm左右。
。α相含量与沉积态相比略有提升，，
，存在陆续αGB相。
。如图3b所示，，
，经HT2热处置后，，
，相较HT1，，
，α_p产生粗化，，
，且在部门α_p之间析出了藐小的次生α相(α_s)，，
，α相含量略有增长。
。这重要是由于HT2热处置温度更高，，
，由钛合金相图可知，，
，α相向β相的转变比例更高，，
，在后续冷却过程中，，
，α_p会有肯定水平的长大，，
，α_s也会从残存β相中析出。
。相较而言，，
，HT3热处置温度靠近相变温度，，
，α_p险些齐全溶化于β基体中，，
，再经空冷处置后，，
，α_s数量显著高于前两次热处置试样，，
，且α_p宽度显著增长，，
，多为4μm左右，，
，如图3f所示，，
，但含量降低至47.91%，，
，较沉积态降落了32.15%。
。同时，，
，α_p状态也产生了变动，，
，部门片层两端出现分支，，
，形成蟹钳状，，
，这可能是由于α相尖端曲率较大，，
，拥有较高的理论能，，
，在600℃二次退火过程中，，
，拥有一样取向关系的α_s会优先从α_p尖端析出，，
，进而形成蟹钳状描摹并长大[23-24]。
。

2.2室温力学机能

分歧热处置后TC4合金的室温拉伸机能如表3和图4所示。
？Ｄ芄豢闯，，
，横向拉伸试样均阐发出比纵向拉伸试样拥有更高的强度和较低的塑性，，
，这与激光增材制作构件显微组织的各向异性有关。
。相比600℃退火，，
，800℃退火导致强度小幅降低，，
，抗拉强度降低约13MPa(约1.3%)，，
，屈服强度降低约39MPa(约4.6%)，，
，同时，，
，纵向面缩率略有降低，，
，而横向面缩率略有升高，，
，塑性各向异性略有降低。
。

975℃+600℃双重退火时，，
，TC4合金的强度比600℃退火态显著降低，，
，其中抗拉强度降低约43MPa(约4.5%)，，
，屈服强度降低约70MPa(约8.2%)；；但其横向伸长率和面缩率有所提高，，
，其中横向面缩率增长9%(约提升36.2%)。
。

众所周知，，
，资料的显微组织决定其力学机能[25]，，
，本文中，，
，三种分歧热处置试样的β晶粒尺寸差距不大，，
，如图3a
、3c
、3e所示，，
，但α相的描摹与尺寸有较大区别，，
，α_p的宽度能够影响其力学机能。
。通常来说，，
，TC4合金的强度随着α_p宽度增长而降低，，
，塑性则相反的[26-28]。
。双相钛合金的强化机制为界面强化，，
，其强度重要与α/β相界数量有关[29-30]，，
，α_p片层尺寸的减小会显著提升α/β相界的数量[31-32]。
。HT1试样α_p尺寸更藐小，，
，数量更多，，
，α/β相界面数量也越多，，
，由于α/β界面对位错活动起到故障作用，，
，减小有效滑移长度，，
，导致强度显著提升。
。HT2试样α_p的长宽比力HT1试样小，，
，故强度降低。
。而HT3试样α_p的宽度更宽，，
，且原β相晶界左近天生等轴α相，，
，这使得HT3试样拥有较强的变形能力和高协调性，，
，各向异性得到了改善，，
，因而在就义部门强度的前提下，，
，获得了更高的韧性，，
，且达到了锻件的力学机能要求。
。

对于显微组织为片层α相的双相钛合金，，
，α_p相宽度对其塑性的影响相当复杂[32]。
。穿晶断裂模式下，，
，断后伸长率随着α相宽度减小而增长，，
，但若是α相尺寸过于藐小，，
，晶内强度显著增长，，
，陆续αGB相界面处就会成为有利于裂纹扩大的低能量区域，，
，这使得断裂模式从穿晶断裂转变为沿晶断裂，，
，但等轴晶区仍会阐发为沿晶断裂[33-34]。
。当β晶界之间遵循特定的伯格斯取向时，，
，晶界处会析出细长的魏氏组织[35]，，
，因而对于HT2试样，，
，显微组织中出现的陆续αGB相和αGB相周围的魏氏组织为资料塑性降落的原因。
。而HT3试样由于天生了等轴α相，，
，片层α相与等轴α一样时存在，，
，使得资料的塑性得到较大改善。
。

三种分歧热处置的TC4钛合金室温拉伸断口描摹如图5所示。
？Ｄ芄豢闯，，
，断口阐发为典型的杯锥状描摹，，
，存在显著的剪切唇区和中心纤维区，，
，都出现韧性断裂的描摹，，
，均为微孔荟萃机制，，
，能够观察到显著的韧窝，，
，但纵向拉伸试样的剪切唇区域面积显著比横向拉伸试样大，，
，且在高倍光镜下能够观察到更大
、更深的韧窝。
。HT2试样断口固然有较大颈缩，，
，但相较于HT1和HT3试样，，
，其韧窝小而浅，，
，削减应力集中的能力较差，，
，因而塑性较差。
。

2.3400℃高温力学机能

分歧热处置后TC4样品的横纵向高温拉伸机能如表4和图6所示。
？Ｄ芄豢闯，，
，所有合金的横向抗拉强度和屈服强度均高于其纵向，，
，同时横向塑性均低于其纵向。
。与室温拉伸机能相比，，
，高温抗拉强度和屈服强度显著低于室温拉伸，，
，但塑性显著提高，，
，如图7所示。
。这重要是由于在高温下，，
，原子的扩散能力提高，，
，使得滑移带上的位错通过攀移和交滑移的方式隐没，，
，导致应变强化隐没，，
，导致样品强度降落，，
，塑性显著上升。
。由表4中可知，，
，HT3试样在就义部门强度的前提下(降低约1.1%)，，
，获得了更好的韧性(提升约10.5%)，，
，降低了塑性各向异性，，
，综合力学机能达到了锻件的要求。
。

图8为三种分歧热处置的TC4钛合金400℃高温拉伸断口描摹。
：：：旯凵隙峡诔实湫偷谋蹲，，
，可分为纤维区
、放射区和剪切唇3个区域。
。在400℃高温拉伸时，，
，塑性显著高于室温，，
，断面收缩率达到60%以上，，
，断后伸长率超过15%，，
，是典型的韧性断裂。
。高温拉伸断口描摹阐发为微孔荟萃机制，，
，纤维区的韧窝尺寸以及深度显著较剪切唇区大，，
，剪切唇处的韧窝因受到剪切应力的影响，，
，韧窝显著被拉长。
？？锥丛谙嘟缑娲π魏顺ご，，
，进而衔接形成裂纹，，
，而α相的存在会故障裂纹的扩大，，
，随着α相粗化，，
，晶内强度降低会导致裂纹趋向于穿晶断裂[36]。
。因而，，
，α相尺寸对力学机能产生较大的影响。
。且与图5的室温断裂的拉伸断口描摹相比，，
，400℃高温拉伸断口韧窝显著更大更深，，
，且颈缩景象更为显著，，
，阐发出更好的拉伸塑性。
。

3
、结论

本文选取激光定向能量沉积技术制备了TC4板材，，
，对沉积态TC4进行了三种分歧的热处置，，
，钻研了分歧热处置后的显微组织及室和善高温下的力学机能。
。具体结论如下。
。

(1)激光定向能量沉积技术制备TC4钛合金的宏观凝固组织为柱状晶与等轴晶交替分列的状态，，
，β柱状晶宽度可达0.5～3mm，，
，长度可达30mm以上，，
，显微组织为片层α相组成的较细的网篮组织，，
，α片层宽度为0.5～2μm。
。经过600℃和800℃退火处置后，，
，合金显微组织变动不显著，，
，宏观晶粒尺寸并无较大扭转，，
，α_p尺寸略有增长；；而经过双重退火处置后，，
，TC4合金显微组织转变为双态组织，，
，α_p长宽比显著降低，，
，其含量降低至47.91%，，
，较沉积态降落了32.15%，，
，片层两端长出分支，，
，形成蟹钳状。
。

(2)三种分歧热处置后的TC4钛合金的横向强度略高于纵向，，
，且横向塑性各向异性较低。
。600℃退火的TC4钛合金拥有最优异的室温强度和较好的塑性；；而975℃+600℃双重退火的试样，，
，天生了等轴状α_p，，
，在强度降低约43MPa(约4.5%)的情况下，，
，塑性得到了显著改善，，
，横向伸长率和面缩率较600℃退火试样有所提高(约提升36.2%)。
。

(3)高温抗拉强度和屈服强度显著比对应的室温强度低，，
，但塑性显著提高。
。600℃退火合金的高温拉伸强度略高于975℃+600℃双重退火，，
，但双重退火合金在就义部门强度的情况下(约1.1%)，，
，塑性显著提升(约10.5%)，，
，阐发出优异的高温强度-塑性匹配。
。

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作者简介：：：荣鹏，，
，男，，
，1989 年诞生，，
，博士，，
，工程师。
。重要钻研方向为增材制作技术。
。

E-mail：：：rongpeng-love@163.com

刘栋(通讯作者)，，
，男，，
，1981 年诞生，，
，博士，，
，高级工程师。
。重要钻研方向为钛合金大型复杂整体承力构件激光增材制作工艺。
。

E-mail：：：09294@buaa.edu.cn

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