面向航空发动机轻量化的SLM成形Ti150高温钛合金热处理工艺优化研究——聚焦600℃高温服役需求，优化固溶时效工艺参数，实现合金强塑性良好匹配，为高温钛合金替代镍基合金提供试验依据

随着航空动力装置对高温性能的要求持续提升，兼具优异耐腐蚀性与高温稳定性的高温钛合金，已成为实现航空发动机轻量化设计的核心材料。其中部分牌号高温钛合金服役温度已突破600℃，有望逐步替代部分镍基高温合金，进一步优化发动机推重比。目前国内外已产业化的成熟高温钛合金典型牌号包括：国外研制的Ti-1100、IMI834、BT36，以及国内自主研制的Ti60、Ti600、TG6、Ti65、Ti750、Ti150等。

选区激光熔化(SLM)成形钛合金的应用研究主要集中在服役温度较低的TC4、TC11、TA15等中低温服役钛合金。针对Ti150的研究大多处于试验探索阶段。基于此，文章系统探究热处理工艺对选区激光熔化成形Ti150高温钛合金显微组织与力学性能的影响规律，深入分析其断裂机制，旨在实现合金强塑性的良好匹配，为该合金的工程化应用提供技术支撑。

1、试验过程

1.1试验材料

试验原材料为粒径15~53μm的Ti150钛合金粉末，采用电极感应雾化制粉工艺(EIGA)制备。原材料粉末的化学成分组成，如表1所示。

表1Ti150粉末化学成分范围(wt.%)

1.2试验方法

试验涉及的所有热处理工艺参数如下：

HT1-930℃×1h,Ar+720℃×4h,Ar

HT2-970℃×1h,Ar+720℃×4h,Ar

HT3-1010℃×1h,Ar+720℃×4h,Ar

HT4-T℃×1h,Ar+650℃×4h,Ar

HT5-T℃×1h,Ar+750℃×4h,Ar

对SLM成形Ti150钛合金试样，根据《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》GB/T228.1和《金属材料拉伸试验第2部分：高温试验方法》GB/T228.2的要求分别进行室温和600℃高温下力学拉伸试验，并使用扫描电子显微镜(SEM)进行拉伸断口形貌表征。

2、试验结果与分析

2.1固溶温度的影响

选用最佳工艺参数成形的Ti150钛合金沉积态试样金相组织。不同成形方向截面金相内部无明显未熔合、气孔、微裂纹等打印缺陷。选区激光熔化成形过程中具有较大的温度梯度，合金发生定向凝固，竖向组织形成的柱状晶形貌，并随着逐层熔化凝固β柱状晶沿成形方向外延生长。柱状晶宽度超过100μm，长短不一，每层扫描旋转角度改变导致柱状晶沿成形方向轮廓弯曲。

对选取激光熔化成形的Ti150钛合金试样进行不同固溶温度的热处理，金相组织如图1所示。经过热处理后，β柱状晶晶界减弱，针状马氏体α'消失，α'相内部的溶质原子发生扩散作用，在长宽比较大的针状马氏体边界处析出条带状β相，方向与针状马氏体方向相同而长宽比较小的针状马氏体转变为较小的β相。随着扩散作用的进行，针状马氏体α'中的过饱和度降低，晶格畸变减弱转变为α相。

随着固溶温度从940℃升高至980℃，α相发生粗化、长宽比降低，由原始的长条状断裂成多段的短棒状。当固溶温度提高至980℃时，内部显微组织转变为片层状α相和β相编织的均匀近网篮状组织。增加固溶温度至1020℃时，一次α相继续粗化，少量短棒状的晶界α相球化成等轴状，少量区域β晶粒持续长大，从β晶粒内部析出细长状α相，转变成α集束。

沉积态及不同固溶温度下，室温及600℃高温拉伸强度及塑性变化，如图2所示。沉积态试样室温拉伸强度最高而塑性较低，这主要是因为SLM技术快速冷凝在β晶粒内部形成的α'针状六方马氏体，由于α'马氏体板条细长，在受载时α/β间的相界面作为阻碍位错运动的主要屏障，使相界面内的位错塞积增多，同时α'马氏体板条内的高位错密度也阻碍了位错迁移，从而使得试样很难发生塑性变形，因此，α'针状六方马氏体作为强硬相导致其硬度高而塑性差。

经过固溶时效处理后，针状马氏体受热分解转变成了α相和β相，其拉伸性能相较于沉积态强度降低，塑性得到提升。随着固溶温度增加，α相逐渐发生粗化，对组织的强化作用减弱，室温及600℃高温拉伸强度逐渐降低。固溶温度过高，部分α板条集束的存在使合金协调变形能力减弱，延伸率和强度均有所降低。获得最优的固溶温度为970℃，1h，Ar。

对不同固溶温度下室温拉伸断口进行SEM分析，如图3所示。在940℃固溶时，断口处存在大小不一的解理台阶和较浅韧窝，如图3(a)、图3(d)所示。随着固溶温度增加至980℃时，由金相组织可以观察到α相发生粗化、由原始的长条状断裂成多段的短棒状，承载能力降低，延伸率得到提升，断口处韧窝数量增加，呈现出韧性断裂和脆性断裂的混合断裂模式，如图3(b)、图3(e)所示。当固溶温度升高至1020℃时，从断口处可以观察到整齐排列的层片状α板条，裂纹穿过α片层集束时，因片层平行排列形成平坦解理，α集束中对裂纹扩展无阻碍作用，使得合金协调变形能力减弱，对材料性能产生不利影响，表现为脆性断裂特征，如图3(c)、图3(f)所示。

2.2时效温度的影响

随着时效温度的升高，组织中的α片层厚度有所增大。在650℃时效时晶内以α'针状马氏体经过固溶处理后形成的一次短棒状α相板条为主，由于时效温度过低导致原子扩散能力不足，强化相未充分析出的过饱和固溶体在高温服役时会继续析出，导致组织性能不稳定。随着时效温度升高至720℃，晶内逐渐析出尺寸更为细小的次生α相和弥散细小的强化相，当时效温度继续升高至750℃，使得对于强度有所贡献的次生α相部分溶解，部分α相严重粗化长大为块状α相，造成强度下降。

Ti150钛合金经过980℃固溶+不同时效温度下的室温和高温力学性能，如图4所示。时效过程中的次生α相的析出对合金性能产生影响。次生α相的析出使合金塑性有所提升，而时效温度升高至750℃时组织内存在部分块状α相，导致合金强度降低较多。因此，在热处理制度：970℃×1h，Ar+720℃×4h，Ar下获得最优的强度塑性室温拉伸和高温拉伸性能匹配。

3、结论

对激光选区熔化成形Ti150高温钛合金进行固溶温度优化，当固溶温度较低时，合金组织为板条α相和β残余组织组成的近网篮组织，随着固溶温度升高，板条α相粗化，长宽比降低，部分晶界α相球化为块状α。继续升高温度至相变温度附近时，微观组织逐步出现α相集束，材料强度大幅降低。

在合适的时效温度下合金组织中析出细小均匀的次生α相，原子扩散充分，析出热稳定性良好的弥散强化相，高温力学性能优异，随着时效温度的升高，部分α相长大粗化成块状，降低材料强度。

参考文献

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（注，原文标题：热处理对选区激光熔化成形Ti150钛合金组织和性能的影响_张毅）