TC4钛合金激光金属沉积力学性能各向异性机理研究

王安普，张 峰，孙兵兵，庞义斌，周智文

1.中国人民解放军第四七二三工厂，河北 邯郸 056000 2.航发优材（镇江）增材制造有限公司，江苏 镇江 212000 3.中国航发北京航空材料研究院，北京 100095

0 前言

Ti6Al4V是一种中等强度的α-β型两相钛合金，具有高强度、高耐蚀性和高生物相容性等优良综合性能[1-2]，其工作温度可达400℃，广泛应用于汽车、航空航天、国防和生物医学等行业，但是由于自身导热性、抵抗变形能力差及切削性能较差，因此对于传统的“减材”加工技术而言，钛合金属于难加工材料[3]。

激光金属沉积（LMD）是一种以激光作为热源的金属材料激光增材制造工艺，也是一种突破传统“减材”加工技术局限性的钛合金先进加工技术。该技术不仅可以用于维修磨损或在过去视为报废的零件，还能够制造具有复杂几何特征或轻质结构的“3D”零件，从而缩短制造周期、减少原料浪费和降低成本[4-5]。随着近些年国内外技术逐步发展，激光增材制造研究重点已经从工艺探究转移到控制各项性能指标，而关键构件性能稳定性好坏决定着零部件研制的成败。国内学者已经开展了大量采用激光金属沉积方法制备钛合金的研究工作。应俊龙[6]研究了激光功率、扫描速度、送粉速率、搭接率对成形质量和抗拉强度的影响，发现在最佳工艺参数下可以获得力学性能良好的修复层，试样的抗拉强度优于TC4基体。刘占起等[7]研究了最佳激光3D打印工艺参数下TC4钛合金打印不同方向组织与性能变化，发现Z向拉伸强度低于XY向，而Z向拉伸塑性高于XY向。陈志茹等[8]研究了不同热处理工艺对激光熔化沉积TC4钛合金的组织和室温拉伸性能的影响，发现沉积态组织粗大不均匀，拉伸性能最低；固溶时效组织由杂乱短棒状α相组成，拉伸性能最好。袁经纬等[9]研究了激光增材制造TC4钛合金不同热处理状态试样电化学及室温压缩蠕变性能差异，指出双重退火处理会减小TC4钛合金中α板条长径比与尺寸，而固溶时效可使α板条长径比增大、尺寸减小，导致材料耐蚀性、屈服极限以及抗压缩蠕变性能发生变化。钦兰云等[10]对比研究了沉积态、退火态及固溶时效态试样的显微组织及力学性能，发现去应力退火处理对钛合金的组织与性能影响不大，沉积态与两种退火态拉伸试样为延性断裂，固溶时效态拉伸试样为半解理半延性断裂。这些研究主要集中在工艺参数对组织和性能的影响，以及后续热处理对组织和性能的影响，对钛合金组织结构与力学性能各向异性之间的关系鲜有相关报道与研究。

文中采用优化后的激光金属沉积工艺参数，系统研究了不同方向退火态激光金属沉积TC4钛合金的显微组织、力学性能（室温拉伸、室温冲击）和断口及其之间的相互关系，阐述了力学性能各向异性的产生机理，为以后TC4钛合金结构件激光增材及修复提供了应用基础。

1 试验材料、设备及方法

1.1 试验材料

试验用基板为轧制态TC4钛合金板材，尺寸为300 mm×247 mm×30 mm。打印前将干燥洁净的TC4基材放置于设备内的工作台上，并用夹具固定，用丙酮擦拭表面。

试验用粉末材料为真空气雾化法制备的TC4球形粉末，主要化学成分如表1所示，粒径53～106 μm。在打印前金属粉末需进行真空烘干处理。

表1 TC4钛合金粉末化学成分（质量分数，%）Table 1 Chemical composition of TC4 titanium alloy powder（wt.%）

1.2 试验设备及方法

试验设备为全封闭惰性气体保护激光直接沉积成形设备，激光器输出功率最大可达10 000 W，激光波长为（1 075±5）nm，光纤直径1 000 μm。设备配有气体循环净化系统，通入纯度99.999%的氩气作为循环气体，可将氧舱室内的含氧量、含水量控制在20×10-6以内，防止钛合金打印过程中氧化。

为了探究在横向与纵向上退火态激光金属沉积TC4钛合金的显微组织、力学性能（室温拉伸、室温冲击）及断口之间的相互关系，选用优化后的激光金属沉积工艺参数，如表2所示。制备4块TC4钛合金试块，其取样位置与尺寸如图1所示，轨迹为线性往复。打印完成后进行600℃×4 h去应力退火处理，氩气快冷；最后采用线切割将试块与基板分离，试样按图纸加工；经研磨、抛光后制备成分析试样，腐蚀剂为Kroll溶液。借助DM4M金相显微镜对不同方向截面的宏观、微观组织进行观察；采用JSM-6480型扫描电子显微镜（SEM）观察横向和纵向的拉伸、冲击试样断口形貌。采用CMT5105万能拉伸试验机分别按HB5143-1996和HB5195-1996测试试样的23℃室温拉伸性能，拉伸试样加工尺寸：Φ5 mm×71 mm，两端M12；采用PIT452C-2型设备按HB5144-1996测试试样的冲击韧性与冲击力，试样尺寸55 mm×10 mm×10 mm，U型缺口，深度2 mm。

表2 TC4钛合金激光金属沉积工艺参数Table 2 Process parameters of laser metal deposition of TC4 titanium alloy

图1 TC4钛合金试块、取样位置与尺寸Fig.1 Schematic diagram of sampling location and size of TC4 titanium alloy block

2 试验结果与分析

2.1 宏观形貌及微观组织

退火态TC4钛合金试样不同面的宏观和微观组织如图2～图4所示，主要由典型的网篮组织α+β组成[12]，但α相形貌有明显差异。由图2a可以明显看出，XOZ面有层层之间、道道之间的弧形重熔层带；由图3a可以明显看出，YOZ面有层层之间的直线形重熔层带，这均是由于扫描策略为直线往复轨迹。退火态TC4钛合金试样的纵截面（XOZ面、YOZ面）宏观组织主要由明暗相间的初生β相组成，即沿着Z向生长的粗大柱状晶，这是由于TC4钛合金在激光金属沉积过程中，热量沿着垂直于基板方向传导[11]，β柱状晶生长逆着散热方向，沉积层的柱状晶前一层会受激光辐射与金属粉末一同形成熔池，因此后一层β柱状晶向上凝固生长，相邻层之间具有良好的润湿性，因为它们成分相同，理论上可将润湿角减小至0°[13]，这意味着生长凝固过程中没有形核障碍，最终形成贯穿多个沉积层β柱状晶组织，退火处理不会使得TC4钛合金发生再结晶。由图4a可以明显看出大尺寸等轴晶的晶界，即柱状晶β的截面等轴组织。对于钛合金，α相总是优先在原始β晶界析出[14]，并倾向于形成连续的α晶界（αGB）。

图2 退火态TC4钛合金试样XOZ面显微组织Fig.2 Microstructure of XOZ plane of annealed TC4 titanium alloy sample

图3 退火态TC4钛合金试样YOZ面显微组织Fig.3 Microstructure of YOZ plane of annealed TC4 titanium alloy ample

图4 退火态TC4钛合金试样XOY面显微组织Fig.4 Microstructure of XOY plane of annealed TC4 titanium alloy sample

由图2b、图3b可知，在XOZ面和YOZ面，α相存在“束团”现象，集束方向上较整齐，且存在短棒状的α相，这是由于退火热处理后，长度方向的α相组织在长大过程中被异向组织截断，从而变成了长宽比较小的短棒状α相，且晶界处析出α相呈粒状。相比XOZ面、YOZ面，XOY面微观组织α相呈织网状交错，如图4b所示，细长状的α相整体尺寸为XOZ面、YOZ面的1/3～1/2，且α/β相界面数量更多，且晶界处析出α相仍呈连续的细长状。

2.2 拉伸性能

23℃室温下退火态TC4钛合金试样横向与纵向拉伸性能对比如图5所示。可以看出，横向与纵向拉伸性能表现出明显的各向异性：横向（Y向）平均抗拉强度、平均屈服强度均明显高于纵向（Z向），且横向（Y向）平均抗拉强度、平均屈服强度高于锻件标准，纵向（Z向）平均抗拉强度、平均屈服强度略低于锻件标准；横向（Y向）平均断后伸长率略低于纵向（Z向），基本跟锻件标准持平；横向（Y向）平均断面收缩率远低于纵向（Z向），略低于锻件标准。相比于纵向（Z向），横向（Y向）的平均抗拉强度高82 MPa，平均屈服强度高63.2 MPa，平均断后伸长率略低0.4%，平均断面收缩率低16%。由此可知，室温下TC4钛合金试样横向的强度较高，纵向的塑性较高。纵向的一根拉伸试样数据异常，不计测得值。钛合金锻件力学性能参考标准GJB2744-1996，其中抗拉强度≥895 MPa，屈服强度≥825 MPa，断后伸长率≥10%，断面收缩率≥25%。

图5 23℃室温下退火态TC4钛合金试样横向与纵向拉伸性能Fig.5 Transverse and longitudinal tensile properties of annealed TC4 titanium alloy samples at 23℃room temperature

23℃室温下退火态TC4钛合金横向和纵向拉伸断口扫描电镜照片如图6所示。可以看出，横向和纵向上断口形貌存在差异，横向拉伸断口起伏较大，凹凸不平，而纵向拉伸断口起伏不大，较为平坦，两个方向上的断裂机制完全不同。从图6a可以看出，横向断口存在少量韧窝的同时出现了大量解理面和断裂台阶，并带有撕裂棱，属于半解理半韧性断裂，塑性较差。从图6b可以看出，纵向断口呈现大小不一、深度较浅的韧窝，属于韧性断裂，塑性较大，这与图5的结果一致。

图6 23℃室温下退火态激光金属沉积TC4钛合金拉伸断口扫描电镜照片Fig.6 Tensile fracture SEM photos of annealed TC4 titanium alloy at 23℃room temperature

2.3 冲击性能

冲击力是衡量材料韧性的一个关键指标。23℃室温下退火态TC4钛合金试样横向与纵向冲击性能对比如图7所示。可以看出，横向与纵向冲击性能表现出明显差异：室温下纵向（Z向）的平均冲击力、平均冲击韧度均明显高于横向（Y向）的平均冲击力、平均冲击韧度；且纵向（Z向）、横向（Y向）平均冲击韧度均远高于锻件标准。相比于横向（Y向），纵向（Z向）的平均冲击功高14 J，平均冲击韧度高17.5 J/cm2，且二者均高于锻件标准值35 J/cm2。因此可知，纵向的塑韧性优于横向。

图7 23℃室温下退火态TC4钛合金试样横向与纵向冲击性能Fig.7 Transverse and longitudinal impact properties of annealed TC4 titanium alloy samples at 23℃room temperature

退火态TC4钛合金横向和纵向冲击试样断口扫描电镜照片如图8所示。明显看出，横向与纵向冲击试样断口处均为韧性断裂，韧窝均较浅且尺寸不一，颜色呈灰色，表面凹凸不平，具有多个小的台阶平面。相比横向断口，纵向断口台阶平面尺寸更小更密，应该是穿晶断裂面[15]。相较于横向断口，纵向断口韧窝更深更小。因此，这与图7中退火态TC4钛合金试样纵向（Z向）冲击力、冲击韧性均高于其横向（Y向）相一致。

图8 室温下退火态TC4钛合金横向冲击断口照片Fig.8 Transverse impact fracture photos of annealed TC4 titanium alloy samples at room temperature

2.4 力学性能各向异性分析

对于退火态激光直接沉积TC4钛合金而言，横向（Y向）与纵向（Z向）上的力学性能存在各向异性的原因为：晶界强化发挥了至关重要的作用。在拉伸试验和室温冲击试验中，试样受到力的作用时，晶粒取向不同以晶界划分，在晶界的阻碍下，滑移很难进行，从而位错堆积起来形成位错塞积[16]。晶界数量越多，要使得变形继续进行，金属材料变形抗力越高，即强度越高。同时位错塞积又易导致应力集中，从而产生微裂纹引起断裂，因此塑性越低。

图9为柱状晶各方向上受力分析示意图，可以看到，β柱状晶组织沿着纵向（Z向）贯穿多个沉积层。横向（Y向）与纵向（Z向）对应晶界数量显示于XOY面、XOZ面，不同的晶界数量导致晶界强化效果不同。

图9 柱状晶各方向上受力分析示意Fig.9 Stress analysis diagram of columnar crystal in each direction

当在纵向（Z向）施加力Fz时，可以从XOZ面看出β柱状晶αGB数量很少（见图2），因此纵向（Z向）抗拉强度、屈服强度较低，延伸率和断面收缩率较大，塑性较好。在横向（Y向）施加力Fy时，可以从XOY面看出β柱状晶αGB数量很多（见图4），因此横向（Y向）上抗拉强度、屈服强度较高，延伸率和断面收缩率较低，塑性较低。

当横向（Y向）冲击试样受力时，其受力情况与横向（Y向）拉伸试样受力类似，U型缺口处受到左右两侧的横向的力，晶界较多，变形阻力较大，因此，横向（Y向）的冲击力、冲击韧度较低。反之，纵向（Z向）的冲击力、冲击韧度较高。

3 结论

（1）退火态TC4钛合金试样的XOZ面和YOZ宏观组织主要由明暗相间的粗大柱状晶β组成。XOY面宏观组织主要有等轴组织，即粗大柱状晶β的截面。相比XOZ面和YOZ面，XOY面微观组织α相呈织网状交错，细长状的α相整体尺寸小2～3倍，且α/β相界面数量更多。

（2）通过对退火态激光直接沉积TC4钛合金横向、纵向试样的室温拉伸、室温冲击进行测试分析得出，横向试样的强度高，塑性低，纵向试样的强度低，塑性高。同时，除了室温下纵向试样抗拉强度、屈服强度低于锻件标准，横向试样延伸率略低于锻件标准，其余性能指标均超过锻件标准GJB2744-1996。

（3）在室温下，横向拉伸试样断口属于半解理半韧性断裂，纵向拉伸试样断口属于韧性断裂。横向与纵向冲击试样断口均属于韧性断裂，韧窝的形态略有不同。

（4）横向（Y向）与纵向（Z向）上的力学性能存在各向异性的原因在于晶界强化的作用，横向（Y向）与纵向（Z向）对应晶界数量显示于XOY面、XOZ面，XOY面的β柱状晶αGB数量远多于XOZ面，晶界越多，强度越高，塑性越低。