时效温度对激光选区熔化TC21钛合金微观组织及硬度的影响

孙 凯， 陈 研， 杨绍斌

(辽宁工程技术大学 材料科学与工程学院， 辽宁 阜新 123000)

TC21钛合金是我国自主研发的新型高强高韧损伤容限型钛合金，由于其具有优异的强度、塑性和断裂韧性，近十年来越来越受到人们的关注[1-2]。杨春林等[3]开展了双重退火工艺对热形变TC21钛合金组织性能变化的研究，发现二次退火后α相等轴化程度加深，组织变得均匀，合金的强度稍稍降低但塑性有较大提升。鲁媛媛等[4]研究了时效处理对TC4钛合金微观组织和力学性能的影响，随着时效温度的升高，TC4钛合金的强度先升后降，在550 ℃时效处理可得良好的综合力学性能。张珍宣等[5]研究了固溶温度和冷却速率对TC21钛合金组织和力学性能的影响，发现TC21钛合金的显微硬度值随着固溶温度和冷却速率的升高而增加。曾玉金等[6]研究循环热处理对TC21钛合金组织和性能的影响，随着循环热处理次数增加,合金的显微硬度值逐渐增加。激光选区熔化技术(SLM)是一种可以制造复杂形状金属部件的高新技术，突破了传统机械加工方式的局限，采用逐层堆积的成形方式，可不受构件尺寸的限制，制备出形状各异的零部件[7]。本研究采用SLM方法制备TC21钛合金，通过对时效处理后的试样进行显微组织和硬度分析，探究不同时效温度对显微组织和硬度的影响规律，为SLM成形TC21钛合金的后续工作提供理论指导。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验选用气雾化法制备的TC21钛合金粉末，粉末平均粒径尺寸为29.69 μm，其化学成分(质量分数，%)为6.46Al、2.17Zr、2.07Nb、1.57Cr、3.08Mo、2.15Sn，余量Ti。制样采用SLM150激光熔化成形设备，最大激光输出功率为200 W，光斑直径为φ130 μm，成形尺寸为8 mm×8 mm×8 mm的正方形试样。具体加工参数如表1所示。

表1 SLM加工参数

1.2 试验方法

将试样在900 ℃固溶30 min后，以50 ℃为温度梯度，研究时效温度为400、450、500、550和600 ℃时对SLM成形TC21钛合金组织性能的影响，冷却方式均采用空冷。

依次用320、400、600、800、1000目水磨砂纸粗磨至表面平整光滑，接下来再依次用0～5号金相砂纸细磨，随着砂纸号数增加，施加的力应逐渐减轻。抛光后采用Kroll试剂(HF+NNO3+H2O，体积比1∶3∶7)腐蚀30～60 s后将试样取出，并用蒸馏水尽可能的冲洗掉腐蚀剂，再用无水乙醇清洗表面。最后用吹风机吹干试样表面，采用Axiovert 40MAT倒置式光学显微镜对试样显微组织进行观察和拍照。采用JSM-7500F型冷场发射扫描电镜，观察不同温度时效处理后试样的显微组织，观察前将样品进行烘干。采用HV-50型维氏硬度计测量各个试样的显微硬度，加载载荷为5 kg，持续时间为10 s，每个试样上取5个点，取其平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 固溶处理后TC21钛合金显微组织

图1分别是SLM成形TC21钛合金熔凝态试样和α+β两相区(900 ℃)固溶30 min后空冷的固溶态试样的显微组织。由图1可以看出，熔凝态试样只有少量第二相析出；固溶态试样中析出大量的初生α相，由于固溶温度900 ℃接近TC21钛合金的相变点，因此在固溶处理中大部分α相转变成β相，空冷后使固溶处理后的试样从高温快速冷却下来，冷却过程中β相 不能完全转变为α相，生成次生α相和亚稳态β相，形成α+β两相区的微观组织形态。

图1 SLM成形TC21钛合金试样的光学显微照片(a)熔凝态;(b)固溶态Fig.1 Optical micrographs of the TC21 titanium alloy formed by SLM(a) laser selective melted; (b) solid solution treated

2.2 时效温度对显微组织的影响

图2为900 ℃固溶后不同时效温度下TC21钛合金的光学显微照片。从图2(a)可以看出，在时效温度400 ℃下，固溶态组织析出次生α相。由于晶界附近原子排列较为混乱，使其具有较大的相变驱动力，导致在晶界附近沿多个方向析出均匀细小的次生α相。从图2(b)可以看出，当时效温度达到450 ℃时，白色α相含量减少，黑色β相的含量增加，此时组织最为细小、弥散，次生α相呈类似长条状分布。

图2 不同时效温度处理后SLM成形TC21钛合金的显微组织Fig.2 Microstructure of the TC21 titanium alloy formed by SLM after aging at different temperatures(a) 400 ℃; (b) 450 ℃; (c) 500 ℃; (d) 550 ℃; (e) 600 ℃

随着时效温度的继续升高，亚稳态β相更加充分的分解和析出，β相转变为更为细小且连续的次生α相，次生α相聚集长大，呈长条状分布，如图2(c)所示，说明时效温度越高，越有利于亚稳态β相转变为次生α相和稳定的β相。但时效温度一旦超过界定值，原子运动更加充分，细小的次生α相会大量析出，相界面增加使得界面能增大，为α+β相的聚集长大和粗化提供能量。在图2(d，e)中可以观察到，其组织分布不均匀，晶粒明显增大。时效温度达到600 ℃时，有等轴的晶团状α相出现，这是过时效现象，对合金的力学性能可能会产生不利的影响。

利用扫描电镜对不同时效温度处理后TC21钛合金显微组织进一步观察，如图3所示。可以看出，TC21钛合金经400 ℃时效处理后，组织中析出较多更为细小的次生α相。温度升高至450 ℃，次生α相伸长，数量比400 ℃时的少；随着时效温度的继续上升，次生α相越来越长，越来越宽，最终粗化成片层状α相。综上所述，当时效温度为450 ℃时TC21钛合金的显微组织最为弥散、均匀，因此为了获得较为优异的性能，时效强化处理TC21钛合金应把时效温度设定在450 ℃。

图3 不同时效温度处理后SLM成形TC21钛合金SEM图Fig.3 SEM images of the TC21 titanium alloy formed by SLM after aging at different temperatures(a) 400 ℃; (b) 450 ℃; (c) 500 ℃; (d) 550 ℃; (e) 600 ℃

2.3 时效温度对显微硬度的影响

图4为TC21钛合金熔凝态试样和不同温度时效后试样显微硬度变化的柱状图。可以看出TC21钛合金在熔凝态时硬度最低，仅为401 HV5。由于组织中物相类型与数量的差别导致硬度随着时效温度的升高而先增大。当时效温度为450 ℃时，试样硬度值最大，为575 HV5，较熔凝态硬度提高43.3%，由于β析出相的体积分数增加，使组织内形成尺寸细小且长宽比较小的片层相间的α相与β相，使相界面增多，此时组织最为弥散、均匀。温度继续升高，次生α相的尺寸增加，形成尺寸较大的片状α相，分布不均匀，时效强化的作用减弱，阻碍位错运动的界面也减少，导致硬度下降，当时效温度为600 ℃时合金试样的硬度仅为541 HV5。

图4 时效温度对SLM成形TC21钛合金显微硬度的影响Fig.4 Effect of aging temperature on microhardness of the TC21 titanium alloy formed by SLM

3 结论

1) TC21钛合金最佳时效温度为450 ℃，该时效温度下试样组织最为弥散、均匀，次生α相呈类似长条状分布，组织内均匀分布着片层相间的α相和β相。

2) 时效温度较低时，随着温度的增加，次生α相析出，当温度继续增加时，α+β相聚集长大，使组织逐渐细化。当时效温度为500～600 ℃时，次生α相转变为尺寸较大的片状α相，且随着温度的升高，强化效果下降。

3) 时效温度为450 ℃的试样内部组织致密，表面硬度较高，约为575 HV5，较熔凝态试样硬度提高了43.3%，抵抗塑性变形的能力较强。