选区激光熔化成形TA15钛板钛棒等钛合金的组织与拉伸性能

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 [1] 。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 [2] ，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 [3,4] 。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 [5-7] ，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 [8,9] 。但是关于选区激光熔化成形 TA15钛板、TA15钛棒的报道还比较少。

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。

表 1 选区激光熔化成形 TA15 钛合金粉末规格

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。

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/T228.1—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。

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 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。

表3 高温拉伸性能测试结果

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。

三、结论

（1）选区激光熔化成形 TA15 钛合金沿着沉积方向不断外延生长，组织呈现连续的柱状晶，晶内析出细针状和片层状的 α 相。板材原始的 β 晶粒被充分破碎，不存在连续的、平直的晶界，α 相形貌不规则。

（2）选区激光熔化成形 TA15 钛合金室温抗拉强度达到 1000MPa、屈服强度在 900MPa 以上，塑性良好，达到 40mm 厚板材的水平。

（3）选区激光熔化成形 TA15 钛合金具有很好的高温拉伸性能，500℃高温抗拉强度接近 700MPa、屈服强度超过 500MPa，塑性较高，达到 40mm 厚板材的水平。

参考文献

[1] 郜阳,孙志超,杨合.TA15 钛合金等温近 β 变形行为及微观组织演化[J].稀有金属材料与工程,2013,42(5):951-956.

[2] 谢旭霞,张述泉,汤海波,等.退火温度对激光熔化沉积 TA15钛合金组织和性能的影响[J].稀有金属材料与工程,2008(9):1510-1515.

[3] 王华明.高性能大型金属构件激光增材制造:若干材料基础问题[J].航空学报,2014,35(10):2690-2698.

[4] 熊博文,徐志锋,严青松,等.激光熔化沉积钛合金及其复合材料的研究进展[J].热加工工艺,2010,39(8):92-96.

[5] 王华明,李安,张凌云,等.激光熔化沉积快速成形 TA15 钛合金的力学性能[J].航空制造技术,2008(7):26-29.

[6] 杨光,刘佳蓬,钦兰云,等.激光沉积 TA15 钛合金显微组织及高周疲劳性能研究[J].红外与激光工程,2018,47(11):37-42.

[7] 钦兰云,徐丽丽,杨光,等.退火方式对激光沉积 TA15 钛合金组织及力学性能的影响[J].中国激光,2018,45(3):208-214.

[8] 王华明,张凌云,李安,等.先进材料与高性能零件快速凝固激光加工研究进展[J].世界科技发展与研究,2004,26(3):27.

[9] Abbott D H, Arcella F G. Laser forming Titanium components[J]. Adv Mat Proc, 1998, 153: 29-30.