激光沉积制造（LDM）Ti65钛合金宽温度范围力学性能全景研究：剖析水平与竖直取样方向的各向异性，揭示温度升高致强度递减、塑性递增的规律，阐明室温脆性/准解理断裂向高温韧性断裂转变及α相球化的核心机制

Ti65钛合金是一种近α型高温钛合金，名义成分为Ｔｉ-5.8Al-4.0Ｓｎ-3.5Zr-0.5Mo-0.4Ｓｉ-0.3Ｎｂ-2.0Ta-0.8Ｗ-0.06Ｃ，具有低密度、高比强度、耐高温等优异的综合性能，被广泛用于制造航空发动机转子、叶片及关键高温结构部件等[1-2]。传统成形钛合金的方法主要为铸造／锻造＋机械加工，存在成形精度有限、生产周期长且制造成本高等问题[3]，无法满足发动机整体叶盘尺寸增大和结构复杂程度提高的要求。激光沉积制造（Ｌａｓｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，LDM）技术是一种基于“数字化三维模型＋降维制造”的快速成形技术，能够实现具有复杂曲面特征零部件的一体化快速成形，具有生产周期短、材料利用率高等优点，已被广泛用于制造航空用钛、铝合金材质的高温零部件[4-5]。

目前，国内学者对Ti65钛合金的性能研究主要集中在板／棒材、锻件等，仅有少量文献对激光沉积Ti65钛合金工艺参数进行报道。ＹＵＥ等[6]研究了固溶处理后冷却速率对Ti65棒材拉伸性能的影响，结果表明水淬组织的强度和塑性均优于空冷组织，且随着温度的提高，水淬组织的强度和塑性均比空冷组织显著提高。吴汐玥等[7]对不同热处理制度下Ti65板材的织构及力学性能进行研究，结果表明影响板材力学性能各向异性的主要因素是织构，室温下板材内的位错和亚结构能够提高板材的抗拉强度和屈服强度，而高温条件下拉伸强度取决于织构类型及微观组织。谢洪志等[8]对Ti65板材进行740～840℃拉伸试验，结果表明温度增加和应变率降低能减小Ti65钛合金变形抗力。ＨＥ等[1]研究了不同激光功率下LDM　Ti65合金的缺陷、微观结构和力学性能，结果表明高功率样品具有优良的内部组织及力学性能。李晓丹等[９]研究了LDM　Ti65钛合金沉积态与退火态试样在不同截面的显微组织及力学性能，结果表明退火后显微组织由片层组织变为网篮组织，不同截面力学性能的各向异性被弱化。ＬＩ等[10]研究了LDM　Ti65合金在不同热处理制度下样品的微观结构和力学性能，结果表明沉积态组织为片层组织，退火后的微观组织转变为网篮组织，抗拉强度和塑性显著提高。

随着对航空发动机等热端构件性能要求的提高，钛合金多温度下的拉伸性能开始引起各国学者的关注。沈淑馨等[11]通过激光增材制造技术制备了三种典型的双相钛合金，对室温及中温条件下三种显微组织钛合金的力学性能进行探究。ＰＡＧＨＡＮＤＥＨ等[12]对三种不同初始显微组织的Ｔｉ-6Al-4Ｖ合金分别进行了室温、400、500及600℃下的拉伸试验，对不同显微组织在不同温度下的拉伸行为进行描述。但是目前关于激光沉积Ti65钛合金宽温度范围的力学性能尚未有学者对其进行研究。基于此，本文采用激光沉积制造技术制备了Ti65钛合金，对不同取向的标准试样进行室温及高温拉伸试验，并结合显微组织、实验数据及断口形貌，分析取样方向对室温及高温力学性能的影响规律，为激光沉积Ti65钛合金在宽温度范围内的力学性能提供科学依据。

1、试验材料与方法

采用超声气雾化法制备的球状Ti65粉末，粉末粒度为80～200μｍ，化学成分见表1。试验在ＹＬＳ-6000光纤激光器上进行，工作模式为连续波，具体工艺参数见表2。为保证粉末良好的流动性，试验前需对Ti65粉末进行真空烘干处理。沉积制造过程中为防止Ti65样品被氧化，采用纯氩气作为送粉与保护气体，沉积路径采用沿Ｘ轴方向呈之字形扫描，沉积过程示意图见图1。为消除残余应力对拉伸性能的影响，完成沉积后对Ti65钛合金毛坯（长×宽×高＝100ｍｍ×25ｍｍ×250ｍｍ）立即进行９50℃去应力退火，保温2ｈ、空冷的热处理。

如图1（ｂ）所示，金相组织样本在毛坯中间位置截取，拉伸试验件分别沿平行（Ｚ）和垂直于（ＸＯＹ）沉积方向取样，标准拉伸试样尺寸见图1（ｃ）。金相试样用400～3　000目的水磨砂纸依次进行研磨、抛光，用Ｋｒｏｌｌ（ＨＦ∶HNO3∶H2O＝1∶1∶50，体积百分数）试剂进行腐蚀。使用ＧＸ51ＯＬＹＭＰＵＳ光学显微镜（ＯＭ）和ΣＩＧＭＡ扫描电子显微镜（ＳＥＭ）对不同取向及试验温度下的试样进行显微组织、缺陷分布和断口形貌观察。室温与高温拉伸试验均在ＩＮＳＴＯＲＯＮ　5９82电子万能试验机上进行，室温拉伸时，试验应变速率为屈服前1.75×10-4ｓ，屈服后1.75×10-3ｓ；高温拉伸时，试验应变速率为屈服前6.67×10-5ｓ，屈服后6.67×10-4ｓ。对于高温拉伸试验，使用高温试验箱将试样分别加热至500、650、700℃，保温10ｍｉｎ后进行拉伸测试。为减少试验误差，每组拉伸试验测试三个平行试样，结果取平均值。

2、结果与分析

2.1　显微组织分析

图2为激光沉积Ti65合金不同取样方向的显微组织。从图2（ａ）可见，ＸＯＹ平面分布着多个大小不同、形状不规则的等轴晶，微观组织为典型的网篮组织，晶粒内部分布着大量交错排列的条状α相和β转变相，部分片层α相呈细长状，晶界处分布着位向相同、相互平行的片层α相，如图2（ｂ）所示。通过Ｉｍａｇｅ　Ｊ软件定量分析条状α相的尺寸可知，晶内α相宽度均在2.25μｍ左右，长度大部分集中在10～2９μｍ，部分长度达到45～52μｍ，晶界α相宽度为1.78μｍ左右，长度为10～21μｍ。同时可以发现细长的α相间分布着短棒状的α相，这是因为在激光沉积过程中α相会在晶内或晶界形核长大，当不同生长方向的α相互相接触后就会停止生长，导致生长速度较快的α相呈长条状，而生长速度缓慢的α相呈短棒状。从图2（ｃ）可以看出，ＹＯＺ（Ｚ向）截面的宏观组织为具有明显生长方向的粗大β柱状晶，柱状晶宽度为100～210μｍ，柱状晶长轴与沉积方向夹角约为15°。这是由于激光沉积过程中，熔池产生的热量会从温度梯度较高的熔池底部向着基材方向输出，随着沉积层数的不断增加，形成穿越多个沉积层的粗大的β柱状晶。从微观上可以看到原始β柱状晶内分布着大量片层状α相，方向与β晶粒的晶界呈±45°角分布，如图2（ｄ）所示，对片层状α相的尺寸进行定量分析后，得出其平均长度为1.3μｍ，长度范围为10～30μｍ，长宽比约为14。

图3为水平拉伸试样在高温条件下均匀变形区和颈缩区的显微组织。通过定量测量均匀变形区α相的尺寸（图4）可知，随着变形温度的升高，条状α相逐渐变短变粗，且发生球化现象，700℃时由于高温软化效应，导致片层状α相在拉应力的作用下发生细化，塑性增强。颈缩区相对于均匀变形区，α相变形较大，且随着变形温度的升高，α相变形逐渐加剧。

2.2　拉伸性能分析

为了探究取样方向对LDM　Ti65钛合金拉伸性能的影响，分别沿着水平方向和竖直方向取标准圆棒试样进行室温及高温拉伸试验，拉伸性能参数见表3。

图5为不同取向拉伸试样在不同温度下的工程应力-应变曲线。由图5可知，在所有温度下的初始屈服阶段，应力均快速增大至屈服点。但随着温度升高，这些曲线的屈服应力逐渐变小，可知其对温度有较强的敏感性。在相对较低的温度下（低于650℃），出现了明显的硬化现象，而当温度到达700℃时，初始变形阶段在到达屈服点后呈现快速下降趋势，表现出明显的高温软化效应。

图6为沿不同方向取样的Ti65合金试样的拉伸性能随环境温度的变化。随着温度由室温上升到700℃，竖直方向取样拉伸试样屈服强度由９24ＭＰａ降到357.8ＭＰａ，抗拉强度由９９5.33ＭＰａ降到4９6ＭＰａ，而延伸率则由8.8％升高至2９.27％。与室温时相比，650℃的屈服强度及抗拉强度分别下降47.73％、40.９2％，延伸率提高47.38％，这表明竖直方向试样的屈服强度和延伸率对服役温度较为敏感。水平方向试样拉伸性能的变化趋势与竖直方向试样相似，屈服强度从室温的９44.3ＭＰａ降低至700℃时的388ＭＰａ，抗拉强度从室温的1　02９ＭＰａ降低至700℃时的545.7ＭＰａ，延伸率度从室温的4％升高至700℃时的26.3％。与室温相比，650℃时屈服强度及抗拉强度分别下降44.16％、36.41％，延伸率提高2.34倍。总体来说，随着试验温度的升高，拉伸试样屈服强度和抗拉强度呈现逐渐递减的趋势，而延伸率逐渐升高，因为高温使原子动能增加，降低晶界和相界面对位错运动的阻碍能力，促使强度降低；同时高温软化效应导致变形抗力减小，塑性增加。

图7为不同温度下取样方向对拉伸性能的影响规律。随着试验温度的升高，竖直方向取样和水平方向取样的试件均呈现抗拉强度和屈服强度降低、而延伸率升高的现象，且水平方向试样的强度均高于竖直方向试样。这是因为激光沉积Ti65钛合金产生的β柱状晶晶界近似平行于沉积方向，当沿竖直方向拉伸时，β柱状晶的长轴受力，力的作用方向沿着晶界方向，使得滑移容易开动，塑性增强：当沿水平方向拉伸时，β柱状晶短轴受力，力的作用方向与晶界方向近似垂直，晶界对滑移运动形成了阻碍，同时水平方向等轴α晶界数量较多，使得变形抗力增加，故强度更高。所以竖直方向取样的试件具有较好的塑性，水平方向取样的试件强度更好[13-14]。

2.3　断裂模式分析

断口形貌客观地展示了金属材料断裂的整个过程，是分析金属材料断裂机制及其影响因素的重要依据。不同拉伸温度下激光沉积Ti65钛合金的断口形貌如图8、９所示。

图8为水平方向取样试验件在不同温度下的拉伸断口形貌图。室温拉伸试样有轻微塑性变形，断口表面粗糙，具有河流花样，局部存在微裂纹，结合断后延伸率小于5％，故其属于典型的脆性断裂。500℃拉伸试样断口表面起伏较大，无中心纤维区，存在明显裂纹，有一定数量的解离面和撕裂棱，局部存在微小韧窝。650℃拉伸试样断口边缘存在剪切唇区，表面无明显纤维区，存在少量微小裂纹，断口边缘存在些许未熔化颗粒，微观形貌观察到明显的撕裂棱与解离台阶，韧窝数量多而浅。700℃拉伸试样发生明显塑性变形，断口表面纤维区面积较小，局部存在微小孔洞，韧窝大而浅且分布均匀，因此水平方向试样高温条件下均为韧性断裂。

图９为竖直方向取样试验件在不同温度下的拉伸断口形貌图。室温下拉伸试样无明显塑性变形，断口表面平整，呈银灰色，无剪切唇，断裂面垂直于正应力方向，具有河流状花样特征，存在一定数量的裂纹与解理平面，为准解理断裂。500℃拉伸试样断口平面粗糙、较为平坦，断口边缘存在剪切唇区，局部有气孔及微裂纹，微观形貌存在小而浅且数量较少的韧窝，同时也存在解理面及撕裂棱。650℃拉伸试样断口表面粗糙，有气孔，纤维区占比较小，韧窝分布均匀，尺寸小。700℃拉伸试样断口呈典型的杯锥状，断口表面存在剪切唇区和放射区，纤维区特征明显，表面较为粗糙，韧窝均匀且致密，韧窝尺寸相比650℃明显变大变深。因此，高温条件下竖直方向试样均为韧性断裂。

为了研究拉伸过程中的裂纹扩展行为，对各组拉伸试样的断口侧表面进行观察，照片如图10、11所示。由图10可知，水平方向试样和垂直方向试样的断裂形式均为穿晶断裂，700℃时由于高温变形严重导致晶界破碎，未发现连续的α／β相晶界。图11为室温及650℃拉伸试样的断裂路径，可以看到当裂纹扩展方向与α／β相集束取向一致时，α／β相界面的结合能较弱，裂纹沿着α／β相界面扩展，当裂纹遇到位向不同的α片层时，由于α相的强度较高，裂纹前端难以穿过α片层，扩展方向发生偏转，消耗更多能量[15-16]。

3、结论

1）激光沉积制造Ti65合金水平方向试样的宏观形貌为多个大小不同、形状不规则的等轴晶，竖直方向则为尺寸较大的β柱状晶，二者微观组织均为典型的网篮组织。

2）激光沉积制造Ti65合金拉伸性能具有显著的各向异性特征。水平方向成形试样的抗拉强度及屈服强度高于竖直方向成形试样，延伸率与之相反。主要原因在于水平方向晶界数量较竖直方向多，晶界有效阻碍滑移运动促使变形抗力增加，故水平方向成形试样强度更高。

3）合金试样的屈服强度和抗拉强度随温度升高而逐渐降低。室温下水平方向试样为脆性断裂，竖直方向试样为准解理断裂，塑性较差；高温条件下均为韧性断裂，韧窝尺寸随温度升高逐渐变大，塑性随之提高。主要原因在于高温软化效应导致变形抗力减小，塑性增加。

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（注，原文标题：激光沉积Ti65钛合金拉伸性能）