选区激光熔化成型TC4钛合金的拉伸性能

许 良， 张浩明， 周 松,2*， 安金岚,2， 贾耀雄

(1.沈阳航空航天大学机电工程学院，沈阳 110136； 2.沈阳航空航天大学，航空制造工艺数字化国防重点学科实验室， 沈阳 110136)

Ti4Al6V简称TC4钛合金是一种典型的(α+β)型钛合金，其具有较高的比强度、良好的耐蚀性和焊接性能等特点，因此被广泛应用于制造飞机起落架、蒙皮和角形架等航空、航天的关键零部件[1]。随着航空航天飞行器水平高速发展，特殊服役环境下需要复杂结构件，而常规机械加工方式无法对复杂结构进行加工，同时复杂苛刻的服役环境导致零部件损伤，因此亟待寻找新型材料加工与修复技术。选区激光熔化成型(selective laser melting)技术可以解决这些问题[2-4]。

选区激光熔化成型技术是在选区激光烧结(selective laser sintering)技术的基础上发展改进而来的一种增材技术，该技术构思最早是由德国Meiners[5]提出。选区激光熔化成型的工件具有致密度高、强度较大和尺寸精确等优点[6]。通过选区激光熔化成型技术对航空零部件进行修复，不但提高材料的利用率和延长复杂结构的使用寿命，还可以节省成本和缩短生产周期。如今，中国的增材技术在《中国制造2025》发展战略的推动下成为了重点发展的技术之一。季宪泰等[7]通过对选区激光熔化成形的S136模具钢淬火研究其组织与性能的影响。 Yao等[8]研究了不同功率与送粉速度对激光熔覆TC4钛合金的组织和硬度的影响。高士友等[9]研究表明激光快速成型的TC4钛合金已经达到了铸造组织的力学性能。

选区激光熔化成型零件会有气孔和微裂纹等缺陷并且组织性能可能具有各向异性，其中各向异性对激光选区熔化成形零件的使用影响很大。王涛等[10]、刘静等[11]针对激光快速成型的各向异性进行了研究，但两种方向取样的拉伸性能仍有较大差异。故本文主要为减小选区激光熔化成型TC4钛合金在垂直沉积方向(XY向)与平行沉积方向(Z向)取样的拉伸性能差异，为选区激光熔化成型的进一步研究提供实验依据。

1 实验材料与研究方法

使用商用TC4钛合金作为基材，采用TC4球形粉末的化学成分如表1所示。选区激光熔化成型实验在沈阳某飞机设计研究所的S—310激光选区熔化设备完成，在氩气保护下进行激光选区熔化试验，选区激光熔化成型的沉积方向为Z向，其工艺参数为功率400 W，光斑直径75 μm，搭接70～90 μm，层厚30～60 μm，扫描速度800～1 250 mm/s。

表1 TC4钛合金粉末化学成分Table 1 Chemical compositions of the TC4 powder

对成型后的钛合金进行常规热处理，通过线切割进行取样如图1所示，取样后通过机床将其加工成表面光滑且无宏观缺陷的拉伸试样，尺寸如图2所示。每组加工成4个试样，以金属材料室温拉伸试验方法(HB 5143—1996)为参考，通过INSTRON电子万能试验机进行室温静态拉伸试验，拉伸试验过程采用恒速率加载控制，其加载速率为2 mm/min。

图1 选区激光熔化TC4钛合金棒状取样方式Fig.1 Sampling method of the selective laser melting TC4 titanium alloy rod sample

图2 选区激光熔化成型TC4钛合金拉伸试样示意图Fig.2 Schematic of standard tensile specimen of the Selective laser melting TC4 titanium alloy

利用金相显微镜(Olympus GX51)对试样组织进行观察，并利用扫描电子显微镜(FEI-QUANTA600)对拉伸断口进行分析。 TC4钛合金金相试样磨抛后，采用Kroll腐蚀试剂(HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶100)进行腐蚀。

2 结果与讨论

2.1 激光选区熔化TC4钛合金显微组织

对于两种方向取样的力学性能差异，针对两种方向上的显微组织进行分析。从图3(a)、图3(c)可以看出柱状晶沿着Z方向生长，柱状晶的产生主要有两个因素：第一，因为沉积的时候温度梯度较高，激光在同轴送粉过程中将光斑处粉末融化为熔池，其中小熔体在基体的冷却下开始凝固，形成沉积，温度梯度最大的是熔池底部，大部分热量通过热传导沿着基材垂直向下散失；第二，因为移动熔池具有外延生长特性，选区激光熔化成型是一种非平衡快速凝固的过程，由于激光熔池具有传热的特点，熔池内小熔体将在熔池底部逆热流的方向外延生长[12]。在拉伸试验过程中，裂纹首先会在α相和转变β相的界面上，而裂纹的生长会受到弥散分布的α相的阻碍[13]。所以，弥散分布的α相能够更加有效地阻碍脆性断裂，从而发生塑性变形。

图3 Z方向与XY方向取样的显微组织Fig.3 Microstructure of the specimens sampled in Z and XY direction respectively

如图3(b)所示，Z方向取样的合金呈现正交的片状或针状马氏体组织。既有等轴细密的α相，又有一些片状的α相和一定体积分数的β相，晶粒较细小均匀。与合金Z方向取样相比，合金XY方向取样的α相组织基本一致， β相组织偏多且晶粒粗大，如图3(d)所示。细密均匀的等轴晶拥有较良好的塑性，使其拥有较高的断面收缩率，因此合金Z向取样的断面收缩率略高于XY向取样。

2.2 室温拉伸性能

通过试验得到TC4钛合金XY方向与Z方向取样的静态力学性能，如表2所示。

表2 XY、Z向取样的拉伸力学性能Table 2 Tensile properties of the specimens in XY and Z direction

中国标准钛及钛合金板材GB/T 3621—2007与美国宇航钛合金标准AMS-4928中规定TC4钛合金常温下静态力学性能满足屈服强度达到830 MPa，抗拉强度达到895 MPa。通过对试验数据的处理可以得到选区激光熔化成型的TC4钛合金的力学性能已经满足中美国家的使用标准。在XY方向取样合金的弹性模量均值为116 GPa，在Z方向取样合金的弹性模量均值为120 GPa，选区激光熔化成型的TC4钛合金在XY方向取样合金的抗拉强度与屈服强度均值为1 000 MPa和936 MPa，在Z方向取样合金的抗拉强度与屈服强度均值为994、924 MPa。在XY方向取样合金的延伸率与断面收缩率的平均值为18.3%和44.1%，而在Z方向取样合金的延伸率与断面收缩率均值为21.1%和46.1%。XY方向取样合金的抗拉强度与屈服强度略高于Z方向取样的合金，但两种方向取样的选区激光熔化成型TC4钛合金在拉伸力学性能差异已经减小。

2.3 拉伸断口分析

通过扫描电镜观察两种取样方向拉伸试样的断口形貌，合金XY方向取样的拉伸断口形貌如图4所示，图4(a)是拉伸断裂后整体的低倍形貌，断口主要表现为由剪切唇与纤维区组成的混合形貌，断口的起伏程度较大，棱角分明呈现断崖形态，边缘外侧比较平整，没有明显的撕裂痕迹和收缩状态，表明该取向试样塑性变形不明显。图4(b)是断口边缘处的高倍形貌，可以明显地看出不同尺寸和形状的圆形或椭圆形韧窝，大韧窝附近布满了小韧窝，分布稀疏且不均匀。图4(c)是纤维区的高倍形貌，有较大的等轴韧窝平坦分布。

图5 Z向取样的断口形貌Fig.5 Fracture morphologies of the specimen sampled in Z direction

合金Z方向取样的拉伸断口形貌如图5所示，图5(a)是拉伸断裂后整体的低倍形貌，断口主要表现为由剪切唇与纤维区组成混合形貌，与XY方向相比断口有更为明显的颈缩现象,断口的断裂起伏也有较大的不同，可以清楚地发现中心区域有大面积撕裂现象，且该面积大约占据整体面积的2/3，说明该方向取样的断口形貌的塑性变形更加明显。图5(b)是断口边缘处的高倍形貌，相较于合金XY方向取样的同等区域，Z方向取样的等轴韧窝稍大且更为密集均匀，分布也更加广泛。图5(c)是纤维区的高倍形貌，相较于XY方向上总体差异并不大，解理台阶面和侧壁上有较深较大的等轴韧窝和明显的撕裂棱，具有典型的塑性断裂特征。所以Z方向取样的合金断面收缩率略大于XY方向。两种方向的断裂方式都为韧窝聚集型的韧性断裂，断口的形貌特征同时也说明了两种方向取样的选区激光熔化成型的TC4钛合金差异已经减小。

两种方向合金拉伸断口均发现一些气孔，是因为在选区激光熔化的成型过程中，激光将TC4粉末融化时部分气体就会被包裹进去，从而形成比较细小的气孔。此外，由于钛合金成型的过程中，送粉装置不稳定导致将粉末大量喷到光斑处，从而造成喷至光斑处的部分粉末未能完全融化就被包裹在已经凝固的金属之中。或者是激光的扫描速度过快，导致部分钛合金合金粉末还未完全融化就铺了一层新的粉末，因此形成了如图6(a)所示缺陷，从而影响了其力学性能。

图6 断口缺陷Fig.6 Defects on fracture surfaces

在钛合金成型的过程中，粉末经过融化凝固后也会形成一些微小的空隙，在进行静态室温拉伸试验时，这些微小的空隙和细小的孔洞缺陷由于拉伸应力的作用下长大或拉长，微小的空隙相当于钛合金中的微裂纹，特别是在材料塑性变形的过程中，微孔长大后产生聚集，当达到一定程度的大小后，会在较大的孔或扩展的微裂纹处发生断裂，如图6(b)所示。因此钛合金在此处更容易发生断裂，且微小的气孔断裂后在断口上表现为孔洞。

3 结论

(1)选区激光熔化成型的TC4钛合金从两个方向进行取样，研究发现垂直沉积方向(XY方向)取样和平行于沉积方向(Z方向)取样的静力学性能都达到了中国与美国AMS航宇钛合金使用标准，合金XY方向取样的抗拉强度与屈服强度略高于Z方向取样,断后伸长率与断面收缩率略小于Z方向取样。

(2)选区激光熔化成型TC4钛合金两种方向取样的断裂方式都为韧性断裂，断口呈韧窝状。与合金XY方向取样相比，Z方向取样断口剪切唇区域尺寸分布比例略小，但纤维区基本相同。

(3)选区激光熔化TC4钛合金的拉伸性能的差异已经减小。目前可以根据实际航空应用的不同场合来进行合理的分配，从而达到选区激光熔化的应用性能最大化。