选区激光熔化成形TA15 钛合金的组织与拉伸性能

时间：2024-07-28

文/张洁程宗辉蔡小叶范朝（国营芜湖机械厂）

TA15 钛合金(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)属于高铝当量α型合金，因具有良好的比强度、高温抗蠕变能力、热稳定性、耐蚀性等被应用于飞机关键承力构件和发动机结构中。制备TA15 大型复杂零件大多采用锻造加机械加工的传统技术，工序繁多、加工周期长、材料利用率低、成本高，很多大型零件的制备对锻造设备要求也很高，这些都制约了TA15 钛合金在国防军工领域的应用。

金属增材制造技术（俗称“金属3D 打印”）是在快速原型技术的基础上发展起来的，集计算机、数控、激光、金属材料等技术于一体，从CAD 三维模型设计到实际原型/零件的高性能“近净”成型加工的新型制造技术，具有柔性程度高、响应速度快、材料利用率高、成型复杂零件不增加成本等优点，为复杂难加工构件的快速制备提供了新思路，在航空航天等国防军工领域具有广阔的应用前景。金属增材制造技术主要分为激光熔化沉积技术和选区激光熔化成形技术，目前关于激光熔化沉积TA15钛合金的研究比较多，美国Aeromet 公司及北京航空航天大学已成功实现激光熔化沉积TA15 钛合金结构件在飞机上的应用。但是关于选区激光熔化成形TA15 钛合金的报道还比较少。

本文以TA15 钛合金粉末为研究对象，采用选区激光熔化成形制备TA15 钛合金试样件，利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）等方法研究选区激光熔化成形的显微组织和拉伸性能，并与板材进行对比，为其在实际生产中的应用提供必要的试验依据和理论基础。

一、试验过程

1.试验材料

TA15 钛合金，批次号2019ZFGA009，具体技术要求与检测结果见表1。

2.主要仪器与设备

AM500E 选区激光熔化成形设备，英国Renishaw 公司；电子万能试验机，德国ZWICK/Roell 集团；SIGMA300扫描电镜，德国沃弗本公司；Leica DVM6 光学显微镜，德国徕卡公司。

表1 选区激光熔化成形TA15 钛合金粉末规格

3.试样制备

选区激光熔化成形在AM500E 设备上进行，制备10mm×10mm×10mm 的试样块，用于金相观察，制备标准直径5mm、长71mm 的拉伸试样件，用于室温和高温拉伸试样，并观察断口。

选区激光熔化成形主要参数：激光功率160～200W，曝光时间50μs，曝光间距65～85μm，单层铺粉厚度30μm。

4.性能检测

各项性能均按照相应国家标准进行测试，根据GB/T 228.1—2010 进行室温拉伸试验，根据GB/T 228.2—2015进行高温拉伸试验。

二、结果与讨论

1.显微组织

图1(a)为选区激光熔化成形TA15 钛合金平行于沉积方向（规定为L 向）的金相组织，图1(b)为选区激光熔化成形TA15 钛合金垂直于沉积方向（规定为T 向）的金相组织，图1(c)为选区激光熔化成形钛合金晶粒内部的显微组织。由图1 可见，平行于沉积方向的高倍组织晶粒为外延生长形态，垂直于沉积方向的高倍组织为等轴状。这主要是因为在选区激光熔化过程中熔池内上部的异质形核和底部的外延生长两种形核长大机制相互竞争决定的晶粒形貌，在沉积下一层时，将本层的异质形核部分重熔，出现了沿沉积方向不断外延生长的细长条状晶粒形貌。图1(c)为晶粒内部析出的细长片状α 相，长度约为50μm，宽度约为3μm，从图中能明显看出晶界为半连续的α 相。

图1 选区激光熔化成形TA15 钛合金组织

2.室温拉伸性能

选区激光熔化成形TA15 钛合金室温拉伸性能见表2。由表2 可知，L 方向抗拉强度和屈服强度与T 方向很接近，说明选区激光熔化成型的TA15 钛合金横纵向的性能差异不明显，呈现各向同性，抗拉强度略高于40mm厚板材的性能。L 方向的延伸率和断面收缩率略高于T方向，这是因为L 方向是不断外延生长的细长柱状晶，晶界比T 方向少，与40mm 厚板材塑性在同一个水平。

表2 室温拉伸性能测试结果

图2 选区激光熔化成形TA15 室温拉伸断口

图2 为选区激光熔化成形TA15 钛合金的室温拉伸断口的扫描照片，图2（a）为平行于沉积方向，图2（b）为垂直于沉积方向。由图2 可知：以α 相的解理断裂为主，分布有较为均匀的等轴状小韧窝，L 向韧窝相对于T 向略微密集，这也说明了L 向的塑性略高于T 向。

3.高温拉伸性能

选区激光熔化成形TA15 钛合金高温拉伸性能见表3。由表3 可知，选区激光熔化成形的TA15 钛合金具有很好的高温拉伸性能。高温拉伸性能的横纵向之间的差异不明显，且与40mm 厚板材的性能较为接近。

图3 为选区激光熔化成形TA15 钛合金的高温拉伸断口电子扫描照片，从图中可以明显看出，分布着较为均匀的等轴状的小韧窝，宏观表现为韧性断裂，塑性良好。存在α 片层发生滑移形成高低不平的解理断裂平面，韧性和准解理相混合。片层状的α 相为选区激光熔化成形过程中析出的初生α 相，在后续热循环下长大形成的。