TC4钛合金电子束表面造型形貌及近表面组织特征

李凯，付鹏飞，唐代斌，吴冰，唐振云

中航工业北京航空制造工程研究所 高能束流加工技术重点实验室，北京 100024

TC4钛合金电子束表面造型形貌及近表面组织特征

李凯*，付鹏飞，唐代斌，吴冰，唐振云

中航工业北京航空制造工程研究所 高能束流加工技术重点实验室，北京 100024

对采用电子束表面微造型技术加工的TC4钛合金非光滑表面进行了研究。研究发现，通过该技术加工的非光滑表面具有截面为波浪形的沟槽，而且通过调节加工参数，可制备不同尺寸特征的沟槽。加工的沟槽沟脊处存在连续分布的鱼鳞状形貌，而沟谷处存在连续分布的倒V形条纹，鱼鳞形貌大小和V形条纹的间距均与加工参数有关。加工后的近表面从上至下由熔化区、热影响区和母材组成，熔化区由马氏体组成，热影响区位于熔化区和母材之间，其微观组织与母材也存在很大差异。熔化区和热影响区的显微硬度均要高于母材，而且在熔化区和热影响区的界面处存在显微硬度的最大值。电子束表面微造型的减阻效果可以达到15%以上。

电子束；表面微造型；钛合金；表面形貌；近表面微观组织

对于飞行器、水上舰船和水下航行器而言，减小表面摩擦阻力是实现节能减排的主要途径之一。飞行器及舰船表面大部分区域的流动都处于湍流状态，降低湍流阻力不仅可以节约能源、提高效率，而且在消声减振方面也具有重大贡献，因此研究湍流边界层减阻具有重要的学术和实际意义[1]。

20世纪70年代美国NASA兰利研究中心发现顺流向的微小沟槽表面可以有效地降低壁面摩擦阻力，这一发现突破了传统认为的表面越光滑阻力越小的观点。后续大量的研究工作也同样证明，适当的表面沟槽设计是一种十分有效的减阻方式[2-3]。关于表面沟槽的减阻机理，目前尚没有得到统一的认识[4-5]，Dean和Bhushan[4]认为由于表面沟槽的存在，湍流流体仅在沟槽的顶部形成漩涡，并仅在沟槽顶部产生流体快速流动导致的较大黏性摩擦应力，而在沟槽底部流体的流动速度较低，只产生较小的黏性摩擦应力，相比于光滑表面的整体都存在流体快速流动产生大的黏性摩擦应力而言，就达到了减阻的效果。而且，人们普遍认为沟槽的几何形状是影响其减阻特性最大的因素，Walsh和Lindemann经过大量的试验证明，三角形沟槽具有最佳的减阻特性，其减阻效果优于矩形、梯形和凹半圆形等表面沟槽[6]。

利用表面沟槽进行减阻的方法简单易实现，可通过表面粘贴或表面直接加工，并且可在原有的航行器表面直接进行改造，既方便又可节约成本；另外，利用该方法进行减阻具有很高的稳定性，不易受周围环境和温度的影响。因此该减阻方法具有广泛的应用前景，目前已成功应用于航天、航空、航海、管道运输以及体育竞技等多个领域[7]。

电子束表面微造型技术(Surfi-SculptTM)是英国TWI研究所Dance等发明的一种新型表面处理技术[8-13]。该技术利用电磁场对电子束进行快速的复杂扫描控制，作用于金属表面使金属快速熔化、流动、堆积并重新凝固。通过控制电子束的束流参数和扫描波形，可以在金属表面快速产生各种微结构。电子束表面微造型技术具有高效、高精度、表面形貌可控的特点，可用于改善材料表面的机械性能、摩擦学性能和连接性能[14-15]。Wang等[16-18]利用Surfi-SculptTM技术在TC4钛合金上进行了电子束毛化的相关研究，而对用于减阻目的的表面沟槽方面的研究最早由TWI提出方法，但目前还未见公开报道。最新的试验研究表明，电子束表面微造型技术可在金属表面制备各种不同尺寸的表面沟槽。

本工作拟对电子束表面微造型技术在TC4钛合金制备的表面沟槽进行系统深入的研究，为该技术运用于实现减阻的目的奠定技术基础和理论依据。本文通过不同试验方法考察了运用电子束表面微造型技术制备的非光滑表面的形貌特征(包括沟槽深度和沟槽间距)。由于电子束表面微造型在制备过程中经历了熔化、快速冷却和重新凝固的过程，其微观组织和母材可能存在较大差异，而且可能导致制备表面微造型后的性能有所改变，但目前对其研究并不多。因此，本文还对电子束表面微造型加工产生的近表面微观组织和显微硬度的梯度分布规律进行了研究。

1 试验材料及方法

试验用材料为100 mm×50 mm×2 mm的TC4钛合金薄板，其化学成分(wt%)为：Al 6.35，V 4.05，Fe 0.3，C≤0.1，N≤0.05，H≤0.015，O≤0.2，余量为Ti。采用北京航空制造工程研究所自主研制的电子束加工设备(ZD150-15MH CV3M)在TC4薄板上制备具有沟槽的非光滑表面，其中加速电压为150 kV，选取不同的电子束束流参数，制备不同尺寸特征的表面沟槽。

采用Taylorsurf 5P-100接触式表面轮廓仪对非光滑表面的形貌特征(包括沟槽深度和沟槽间距)进行分析，并用Leica DMI 5000M光学显微镜对表面形貌进行观测。为了考察近表面微观组织和显微硬度的梯度分布，分别沿横向和纵向制备尺寸为10 mm×10 mm×2 mm的截面试样。经镶样、研磨后，用粒径为0.05 μm的SiO2悬浮液进行最终抛光，并在Kroll试剂(92 mL H2O, 6 mL HNO3, 2 mL HF)中浸蚀大约10 s，之后用光学显微镜观测试样近表面微观组织。最后利用TUKON 2500显微硬度计测试试样近表面的显微硬度，设置载荷为100 g，保持时间为10 s。

2 结果与讨论

2.1 表面形貌

图1所示为在2个TC4钛合金样品上采用不同参数利用电子束表面微造型技术制备的非光滑表面三维示意图。图中所示的上表面为电子束加工后的非光滑表面，加工后未经过任何处理；图中所示的截面经过1000#SiC砂纸的研磨处理。

图1 TC4钛合金非光滑表面
Fig.1 Non-smooth surface of TC4 alloys

从图1(a)和1(b)均可看到，经过电子束表面微造型技术加工的TC4钛合金表面存在平行于y方向的沟槽，沟槽在x方向呈波浪形，并存在有规律间距的波峰和波谷。另外，从图中也可以发现，沟脊(x方向的波峰)上沿y方向存在有规律分布的鱼鳞状形貌；而在沟谷(x方向的波谷)处沿y方向存在有规律分布的V形条纹特征，而且沟谷处的V形条纹尖端与沟脊上的鱼鳞形貌尖端的指向正好相反。这些有规律分布的V形条纹和鱼鳞形貌的形成原因将在下文中讨论。

样品1和样品2在x方向的表面轮廓如图2所示，可以发现样品1和样品2表面的沟槽在x方向的截面均为在顶点处光滑过渡的三角形。另外，图中也清晰地反映了2个采用不同参数制备的非光滑表面的沟槽深度和沟槽间距的不同。对于样品1，波谷与波谷(或波峰与波峰)的间距约为420 μm，波谷与波峰之间高度差约为25 μm；而对于样品2，波谷与波谷(或波峰与波峰)的间距相较于样品1大大增加，约为1 300 μm，波谷与波峰之间高度差也比样品1更大，约为60 μm。这说明，采用不同的加工参数可以制备不同尺寸特征的三角形沟槽。也进一步说明可以通过调节加工参数，来实现表面形貌尺寸特征可控的目的。

图2 TC4钛合金非光滑表面轮廓曲线
Fig.2 Non-smooth surface profiles of TC4 alloys

图3 TC4钛合金表面俯视图
Fig.3 Plan views of TC4 alloys surface

图3所示为经过电子束表面微造型加工的样品1和样品2的非光滑表面俯视图，在图中可以更加清晰地看出有规律分布的鱼鳞状形貌和V形条纹。如图1中所示，鱼鳞状形貌分布在沟脊，而V形条纹分布在沟谷，于是在图3中也很容易分辨出三维图中对应的沟脊和沟谷。对于样品1和样品2，每个鱼鳞形貌尖端与下一个鱼鳞形貌尖端的间距均约为210 μm；相同地，两个样品上的V形条纹尖端与下一个V形条纹尖端之间的间距也大约均为210 μm。另外，图3(b)也更加清晰地反映出鱼鳞形貌的尖端和V形条纹尖端的指向正好相反这一特征。

在本工作中，电子束表面微造型加工过程产生的熔化金属液体逐渐堆积并凝固于是形成了波峰，而由于金属液体的逐渐转移至波峰处而慢慢地形成了低于原始表面的波谷。

当电子束流高频率地在x方向反复扫描的同时，样品在y方向也按一定速率移动(图3(a)中箭头所示)，这样，当熔化的金属液体逐渐转移和堆积的同时，由于样品在y方向也存在移动，从而形成了平行于y方向的沟槽，在x方向的波峰对应于y方向形成的沟脊，而x方向的波谷则对应于y方向形成的波谷。由于电子束流在x方向的扫描与样品在y方向移动的共同作用，在金属表面留下的电子束扫描路径痕迹则变成了与x和y方向均呈一定角度的斜条纹，两个相邻的斜条纹路径就形成了图3(b)中所示的V形条纹。V形条纹的尖端实际上就是两个相邻扫描路径末端的交接处。

另外，在电子束表面微造型加工过程中，当电子束流回到x方向同一位置重新进行扫描时，由于样品在y方向已经移动了一定距离，于是电子束流将在新鲜的金属表面完成金属的熔化、转移、堆积和凝固过程，从而使堆积的金属液体与上一次堆积的金属液体在y方向存在一定的距离，这也就是出现有规律的鱼鳞状形貌的原因。而且，由于样品在y方向上存在移动，电子束流总是在新鲜的金属表面完成金属的熔化、转移、堆积和凝固过程，所以本工作中的电子束表面微造型加工过程中不会出现像电子束毛化过程中的毛刺逐渐长高的过程[19]。如前所述的V形条纹尖端的间距和鱼鳞形貌尖端的间距与样品在y方向的移动速率有关，它们的间距其实就是一定时间内样品在y方向上移动的距离，这也就解释了图3中所示的两者间距均约为210 μm的原因。

已有研究证明，工作参数对电子束毛化过程中毛刺的尺寸特征有很大的影响[11, 18]。在本工作中，样品1和样品2的沟槽深度和沟槽间距有很大的差别，但是沟脊处鱼鳞形貌尖端以及沟谷处V形条纹尖端在y方向的间距却大致相同。如上文所述，鱼鳞形貌尖端之间和V形条纹尖端之间的间距主要取决于样品在y方向移动的速度，样品1和样品2在y方向设定了相同的速度，所以它们的间距大致相等。而沟槽深度和沟槽间距主要取决于电子束表面微造型加工过程中的束流参数和扫描波形。本文作者[19]研究过电子束毛化过程中毛刺的形成机制，认为毛刺的高度和电子束聚焦状态、扫描路径长度及空间间隔、熔化金属的冷却速度、金属液体的流动性等因素均有关系，只要其中一个因素的改变就可能导致毛刺高度的变化。在本工作中，样品1和样品2的电子束表面微造型加工采用了不同的束流参数和扫描波形，于是导致所产生的沟槽深度和沟槽间距均存在很大的差异。

2.2 近表面微观组织

采用电子束表面微造型技术加工的TC4钛合金(2.1节中的样品2)近表面微观组织如图4所示，其中图4(a)和图4(b)所示为不同倍数下垂直于沟槽方向的截面，图4(c)和图4(d)所示为不同倍数下的平行于沟槽方向的截面。

在图4(a)中要可以看出电子束表面微造型加工后形成的截面为波浪形的非光滑表面，波峰和波谷位置分别如图中标注所示。如前所述，波谷与波峰之间高度差大约为60 μm。同时也可发现，图中所示的截面从上表面沿着深度方向分布着3个存在明显界限并且呈现不同亮度的区域。根据前期的研究结果[19]可知，这3个区域从上至下分别为熔化区、热影响区和母材。其中最上端的熔化区在电子束表面微造型加工过程中，受到高能量密度的电子束流轰击和扫描等作用，经历了熔化、转移、堆积和再凝固等过程，位于中间的热影响区未发生熔化，但由于热传递使该区域受到热作用发生了固态转变，而位于最下端的母材未受到热作用，其组织在电子束加工过程中未发生改变。由于电子束表面微造型加工过程中各区域受到的热作用不同，导致这3个区域呈现出不同的微观组织特征并且区域之间存在明显的界限。从图4(b)中可以看到，熔化区由于经历了熔化和快速的冷却，其微观组织为细针状α′马氏体，并且可见原始向上生长的β柱状晶，其晶界清晰可见。热影响区也由于与热源距离远近不同受到的热作用不同，而在微观组织上呈现出梯度差异。但母材的组织由于未受到热作用因而与前两者存在很大区别。微观组织的不同会影响材料对光的反射率，在光学显微镜下观测时，具有不同微观组织的区域由于对光的反射不同而呈现出不同的亮度[20]，因此在获取的图片中存在3个具有明显界限的不同区域。

从图4(a)和图4(b)中还可以发现，熔化区呈波浪形分布在电子束表面微造型加工后的TC4钛合金非光滑表面，其厚度随非光滑表面在100 μm左右波动。热影响区顶部与熔化区的界面处呈现出相同的波浪形，但底部与母材的界面则大致呈直线形，其厚度也大致在100 μm左右变化。

图4(c)和图4(d)所示为平行于沟槽方向的截面。同样地，在沿深度方向也分布着熔化区、热影响区和母材3个具有不同微观组织特征的区域。图4(d)中所示熔化区的厚度大约为80 μm，热影响区的厚度大约为50 μm。与垂直截面所示厚度的不同说明熔化区和热影响区在整个表面的不均匀性，说明在加工过程中整个表面所受电子束的热影响存在差异。而早前的研究结果[21-22]表

图4 TC4钛合金近表面微观组织
Fig.4 Near-surface microstructures of TC4 alloys

明，在电子束表面微造型加工过程中整个样品表面的加工效果是一致的。二者之间存在差异的原因可能是由于二者采用的加工参数存在不同，从而导致的加工效果不同。这也说明，若要整个表面达到均匀的加工效果，应该采用合适的加工参数，以保证良好的电子束加工效果。

2.3 近表面显微硬度

图5 TC4钛合金近表面显微硬度梯度分布
Fig.5Micro-hardness gradient profiles in near-surface regions of TC4 alloys

材料近表面微观组织会对材料的很多性能产生很大影响[23]。经过电子束表面微造型加工后的TC4钛合金近表面存在3个具有不同微观组织特征的区域，这对材料的性能也可能会产生相应的影响。考察了经过电子束表面微造型加工后的TC4钛合金(样品2)近表面区域的显微硬度沿深度方向的梯度变化，其结果如图5所示。研究过程中，分别对垂直截面和平行截面进行了显微硬度测试，其中在垂直截面还分别就波峰和波谷处的显微硬度梯度分布分别进行了考察(如图中标注所示)。在图5所示的结果中，为了更加直观地比较不同截面上的显微硬度梯度变化，将热影响区与母材的界面处定义为深度的零点，因此图中所示深度大于零的区域表示处于母材区，而深度为负值时则说明处于热影响区或熔化区。

从图5中可以看出，所测量的3处位置均在熔化区和热影响区的界面处出现了显微硬度的极大值，垂直截面的波峰处和平行截面的显微硬度最大值均约为440 HV，而垂直截面的波谷处的显微硬度最大值约为405 HV。其中，垂直截面的波峰处和平行截面在相同位置出现了相同的显微硬度值，与上文中提及的平行截面恰好位于热影响区最大厚度(即波峰处)的说法是一致的。

从图中的结果还可发现，三者最接近表面位置的显微硬度值比较接近，均大约为370 HV。三者的显微硬度随着深度的变化也表现出大致相同的趋势，从最表面开始在熔化区逐渐增大，在熔化区与热影响区达到最大值后又在热影响区逐渐减小，一直减小到母材后再保持在各自相对稳定的值。

在母材区域，垂直截面的显微硬度大约为360 HV，平行截面的显微硬度略低，约为330 HV。该差异可能与TC4钛合金薄板轧制过程中导致两个方向上微观组织的差异有关。

经过电子束表面微造型加工后的TC4钛合金近表面的熔化区、热影响区和母材的显微硬度梯度变化规律与电子束焊接接头中焊缝区、热影响区和母材的显微硬度的梯度变化规律比较类似。电子束焊接过程中的快速不均匀加热和冷却过程会导致焊接接头的焊缝区和热影响区产生不同的微观组织，导致其显微硬度高于母材，而且在熔合线位置(也就是焊缝区和热影响区的界面处)由于微观组织十分复杂，也会出现显微硬度的极大值[24]。经过电子束表面微造型加工后形成的熔化区与电子束焊接接头中的焊缝区所经历的冶金过程比较类似，而其热影响区也与焊接接头的热影响区类似。熔化区经历了熔化和快速的冷却过程，在快速冷却过程中，体心立方结构的高温β相通过切变转变成细针状α′马氏体，从而使其硬度升高。熔化区和热影响区的界面处冷却速度最快，产生的细针状α′马氏体最多，因此熔化区该处硬度最高。而在热影响区，虽然未发生熔化，但温度已经高于相变温度，该区在受热过程中发生了从密排六方结构的α相向体心立方结构的β相的转变，并在随后的冷却过程中又发生相反的过程。在晶格结构发生转变的过程中，会产生晶格畸变并阻碍位错的运动，从而使其硬度升高。距材料表面越近，受热影响越显著，其硬化效果越明显。因此，熔化区和热影响区的显微硬度均要高于母材，而且在熔化区和热影响区的界面处存在显微硬度的最大值。

2.4 减阻效果

为了验证电子束表面微造型的减阻效果，分别在两个TC4钛合金翼面模型上利用电子束微造型技术制备了表面沟槽，并在小型风洞中测试了其风阻系数，测试风速为24 m/s，分别在-1°、0°和1°的攻角下进行了测试。另外，对一个光滑表面的TC4钛合金翼面模型也进行了相同的测试，作为对比试样，以验证电子束表面微造型加工后的减阻效果，测试结果如图6所示。

从图6中可知，在-1°、0°和1°三个攻角下，电子束表面微造型加工后的翼面模型的风阻系数均比光滑表面的翼面模型有显著的降低。在攻角为-1°时，光滑翼面模型的风阻系数约为0.02，而电子束表面微造型加工后的翼面模型风阻系数下降至约0.016，减阻效果达到21.1%。而在攻角为0°和1°时，其减阻效果也分别达到了15.3%和15.7%。这说明，在钛合金表面制备的电子束表面微造型具有良好的减阻效果。

图6 TC4钛合金非光滑表面微造型风阻系数
Fig.6Drag coefficients of TC4 alloys with Surfi-Sculpted non-smooth surface

3 结 论

1) 电子束表面微造型技术可用于TC4钛合金表面进行截面为波浪形的沟槽设计加工，不同的束流参数和扫描波形可实现不同尺寸特征的沟槽加工。

2) 加工的沟槽沟脊处呈现连续分布的鱼鳞形状形貌，沟谷处呈现连续分布的倒V形条纹。电子束表面微造型的减阻效果可以达到15%以上。

3) 加工后的TC4钛合金近表面从上至下由熔化区、热影响区和母材组成，熔化区的微观组织由马氏体组成，热影响区的微观组织与母材也存在很大差异。

4) 熔化区和热影响区的显微硬度均要高于母材，而且在熔化区和热影响区的界面处存在显微硬度的最大值。

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Topographyandnear-surfacemicrostructureofTC4alloytreatedbyelectronbeamsurfi-sculptTM

LIKai*,FUPengfei,TANGDaibin,WUBing,TANGZhenyun

ScienceandTechnologyonPowerBeamProcessesLaboratory,AVICBeijingAeronauticalManufacturingTechnologyResearchInstitute,Beijing100024,China

Thetopographyandnear-surfacemicrostructureofTC4Tialloytreatedbyelectronbeamsurfi-sculptTMwerestudied.Itwasfoundthatthenon-smoothsurfaceofTC4alloyexhibitedwaveshapedgrooveswithsizesabletobecustomizedbyadjustingprocessingparameters.TheridgeofthegroovedisplayedcontinuousscaleswhilethevalleypresentedinvertedVshapestripes.Thedimensionsoftheridgeandvalleyarealsorelatedtoandcouldbecontrolledbyprocessingparameters.Thenear-surfaceregionofTC4alloytreatedbyelectronbeamsurfi-sculptTMisoccupiedbythefusionzone,heataffectedzoneandbasemetalfromthetopdowntotheunderlyingbulkalloy.Themicrostructureofthefusionzoneischaracterizedbymartensitephase,whiletheheataffectedzonesandwichedbetweenthefusionzoneandthebasemetalalsopresentedmicrostructuresdifferentfromthatofthebasemetal.Thefusionzoneandheataffectedzonepossesseshighermicro-hardnesscomparedwiththebasemetal,withthemaximumvalueappearingattheinterfacebetweenthefusionzoneandtheheataffectedzone.Afluid-dragreductionefficiencyover15%isachievedonTC4alloystreatedbyelectronbeamsurfi-sculptTM.

electronbeam;surfi-sculpt;Tialloy;topography;near-surfacemicrostructure

2017-04-26；

2017-05-21；

2017-07-31；Publishedonline2017-08-211259

URL：http://hkxb.buaa.edu.cn/CN/html/20171231.html

AeronauticalScienceFoundationofChina(2015ZE25008)

.E-maillikai.85@foxmail.com

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2017.421361

2017-04-26；退修日期2017-05-21；录用日期2017-07-31；网络出版时间2017-08-211259

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航空科学基金(2015ZE25008)

.E-maillikai.85@foxmail.com

李凯，付鹏飞，唐代斌，等．TC4合金电子束表面造型形貌及近表面组织特征J． 航空学报,2017,38(12):421361.LIK,FUPF,TANGDB,etal.Topographyandnear-surfacemicrostructureofTC4alloytreatedbyelectronbeamsurfi-sculptTMJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(12):421361.

V261.93；TG146.23；TB31

A

1000-6893(2017)12-421361-08

李世秋)