TC4钛合金组成为Ti-6Al-4V，，，，，属于（α+β）型钛合金，，，，，由于具有密度低、比强度高、优良的耐侵蚀性能和较好的焊接性能等而被普遍应用于航空航天、石油化工、生物医学等领域，，，，，其使用量已经抵达天下钛消耗品的50%以上。。。。。。。古板钛合金的制造手艺由于保存需要大型锻压装备、质料使用率低和难易制造重大形状结构件等问题而在一定水平上限制了诸如TC4钛合金等的应用。。。。。。。3D打印。。。。。。ㄔ霾闹圃欤┛焖俪尚问忠，，，，，以数字模子文件为基础，，，，，运用粉末状金属或塑料等可粘合质料，，，，，通过逐层打印的方法来实现实体零部件的制备，，，，，具有快速性、低本钱、高柔性和高集成化等特征而被关注。。。。。。。海内外在送粉式3D打印钛合金的研究多集中在组织控制和成形性能上，，，，，通事后续的热处置惩罚可以获得性能优异的成形件，，，，，可是绝大大都接纳的是CO₂激光或者旁轴送粉，，，，，而接纳光纤激光+同轴送粉方法的研究较少[1-2]。。。。。。。因此，，，，，本文接纳同轴送粉的沉积方法研究了成形工艺和热处置惩罚工艺对3D打印TC4钛合金组织与性能的影响，，，，，为高性能TC4钛合金的制备提供了新的途径，，，，，并有助于3D打印钛合金工艺的优化与性能提升。。。。。。。

1、试验质料与要领

试验基材为尺寸160mm×50mm×5mm的热轧TC4钛合金板材，，，，，使用前需要举行外貌去氧化膜（化学洗濯法）、丙酮洗濯和烘干等办法。。。。。。。3D打印所用TC4粉末为接纳等离子旋转电极法制备的粒度为-140～+320目球形粉末，，，，，化学因素（质量分数，，，，，%）为：6.1Al、4.1V、0.14Fe、0.02C、0.02N、0.003H，，，，，余量为Ti。。。。。。。3D打印的主要装备包括德国YSL-10000型光纤激光器、德国KUKA公司的六轴机械人、德国YC52同轴熔覆头、PT2/3型双桶送粉器以及气体；；；；；；；ぷ爸茫财┑取。。。。。。接纳同轴送粉式3D打印所接纳的同轴熔覆头焦距为200mm、聚焦光斑直径设定为准0.25mm、熔覆头喷涂与基材之间的距离控制在11mm，，，，，在制备历程中的；；；；；；；てㄍ岜；；；；；；；て6L/min、载粉气4.5L/min以及束流气12L/min。。。。。。。为了比照差别3D打印工艺参数对TC4钛合金成形性能的影响，，，，，主要通过控制激光功率（300～800W）、扫描速率（0.12～0.60m/min）、送粉速率（0.8～7.6g/min）和扫描偏向（单向和往返）来制备沉积态TC4钛合金。。。。。。。接纳石英管真空密闭要领对3D打印TC4钛合金成形件举行固溶和时效热处置惩罚，，，，，固溶处置惩罚温度在900～1000℃，，，，，保温时间为1h，，，，，时效处置惩罚温度为540℃，，，，，保温时间为4h，，，，，都接纳空冷（AC）；；；；；；；另一种比照热处置惩罚工艺为950℃保温1h后随炉冷却（FC）。。。。。。。对TC4钛合金成形件的横截面和纵截面举行打磨、机械抛光，，，，，然后接纳体积比HF∶HNO₃∶H₂O=1∶2∶5的侵蚀剂举行侵蚀后，，，，，在SMZ1500体视显微镜上举行低倍组织视察。。。。。。。高倍组织视察接纳体积比为HF∶HNO₃∶H₂O=3∶10∶87的混淆试剂侵蚀后，，，，，在OlymplusGX51光学显微镜上视察；；；；；；；接纳捷克TESCANVEGAⅡ型扫描电子显微镜对组织和断口形貌举行视察；；；；；；；接纳美国MTS-810液压伺服电子万能拉伸试验机对TC4钛合金试样举行常温拉伸力学性能测试，，，，，拉伸速率为1.5mm/min，，，，，以3组试样平均值作为测试效果。。。。。。。

2、试验效果及讨论

2.1激光功率

图1为单向扫描方法和扫描速率为0.36m/min条件下差别激光功率下TC4钛合金的低倍宏观形貌。。。。。。。浚？？？？梢钥吹，，，，，激光功率为300W、500W和800W时的宏观组织都为定向外延生长的粗大β柱状晶形态，，，，，可是差别激光功率下柱状晶的尺寸保存显着差别。。。。。。。当激光功率为300W时，，，，，TC4钛合金中β柱状晶的晶粒尺寸约为320μm；；；；；；；随着激光功率增添至500W和800W，，，，，TC4钛合金中β柱状晶的晶粒尺寸划分为538μm和866μm。。。。。。。由此可见，，，，，在扫描偏向和扫描速率稳固条件下，，，，，β柱状晶的晶粒尺寸会随着激光功率的增添而增大。。。。。。。这主要是由于随着激光功率的增添，，，，，沉积件熔池中的温度梯度会有所降低，，，，，在扫描速率稳固情形下，，，，，合金中的晶粒尺寸会有所增大[3]。。。。。。。

图2为差别激光功率下TC4钛合金的常温拉伸力学性能测试效果。。。。。。。随着激光功率的增添，，，，，TC4钛合金的抗拉强度和屈服强度都体现为先升高此后降低的趋势，，，，，在激光功率为500W时取得最大值；；；；；；；而断后伸长率随着激光功率的增添而泛起逐渐降低的趋势，，，，，在激光功率为800W时，，，，，TC4钛合金的断后伸长率为4.80%。。。。。。。从3种激光功率下TC4钛合金 的力学性能上来看，，，，，3D打印钛合金的抗拉强度和屈服强度都凌驾了国标GB/T6614-2014和国标GB/T2965-1996中对铸件和锻件退火态的要求（抗拉强度≥895MPa，，，，，屈服强度≥825MPa），，，，，可是断后伸长率未凌驾铸件（6%）和锻件退火态（10%）的标准[4]。。。。。。。

2.2扫描速率

图3为单向扫描方法和激光功率为500W条件下差别激光扫描速率下TC4钛合金的低倍宏观形貌。。。。。。。浚？？？？梢钥吹，，，，，当扫描速率在0.36～0.60m/min时，，，，，TC4钛合金的晶粒形态都为柱状晶，，，，，而扫描速率为0.24m/min时的晶粒形态为柱状晶和等轴晶。。。。。。。

从扫描速率对柱状晶形态的影响上来看，，，，，当激光扫描速率从0.24m/min增添至0.60m/min时，，，，，柱状晶的宽度泛起逐渐减小的趋势，，，，，而柱状晶高度逐渐增添。。。。。。。这主要是由于扫描速率的升高会增添熔池中的温度梯度，，，，，熔池冷却历程中的过冷度增添，，，，，柱状晶宽度会减小。。。。。。。若是扫描速率较低（0.24m/min），，，，，熔池中的温度梯度减小，，，，，使得固液界面和熔池内部的形核条件靠近一致就会形成等轴晶。。。。。。。别的，，，，，还可以发明，，，，，随着扫描速率的增添，，，，，柱状晶与扫描偏向的夹角逐渐增大，，，，，在扫描速率为0.60m/min时柱状晶与扫描偏向险些笔直。。。。。。。这主要是由于扫描速率较大时，，，，，成形历程中基体上形成的温度场规模变小，，，，，晶；；；；；；；岜手庇谌鄢刂行南呱，，，，，而形成了近似于与扫描偏向呈90°的柱状晶[5]。。。。。。。

图4为差别扫描速率下TC4钛合金的常温拉伸力学性能测试效果。。。。。。。随着扫描速率的增添，，，，，TC4钛合金的抗拉强度和屈服强度都体现为逐渐降低的趋势，，，，，而断后伸长率逐渐升高。。。。。。。在扫描速率为0.24m/min时TC4钛合金的抗拉强度和屈服强度划分为1360MPa和1282MPa，，，，，而断后伸长率为4.25%；；；；；；；在扫描速率为0.60m/min时TC4钛合金的抗拉强 度和屈服强度划分为1106MPa和1008MPa，，，，，而断后伸长率为7.15%。。。。。。。由此可见，，，，，单相扫描、激光功率500W、扫描速率0.12～0.60m/min时TC4钛合金沉积件的抗拉强度和屈服强度都凌驾了铸件和锻件退火态的要求，，，，，可是断后伸长率的转变规模与差别激光功率下的沉积件相似，，，，，且都未凌驾铸件和锻件退火态的标准。。。。。。。

2.3扫描偏向

图5为激光功率为500W、扫描速率0.36m/min时单向扫描和往返扫描方法下TC4钛合金的低倍宏观形貌。。。。。。。比照剖析可见，，，，，在其它工艺参数一定条件下，，，，，单向扫描时TC4钛合金的柱状晶泛起定向外延生长趋势，，，，，而往返扫描时TC4钛合金的柱状晶由定向生长转变为双相生长，，，，，且沉积层间还泛起了一定命目的等轴晶，，，，，同时可见往返扫描条件下TC4钛合 金沉积件的高度更高。。。。。。。这主要是由于往返扫描条件下会爆发较多的热积累，，，，，熔池面积更大从而可以吸收更多的粉末，，，，，而单向扫描条件下的热积累较少[6]，，，，，沉积件的高度相对较低；；；；；；；别的，，，，，在热积累历程中，，，，，往返扫描时熔池中的温度梯度会有一定水平降低，，，，，为等轴晶的形成创立了条件，，，，，且由于沉积层上部分的等轴晶在沉积下一层时不可完全重熔，，，，，因此，，，，，宏观形貌中会泛起柱状晶和等轴晶交替的形态[7]。。。。。。。

图6为单向和往返扫描条件下TC4钛合金的常温拉伸力学性能测试效果。。。。。。。在其它工艺参数一定条件下，，，，，激光扫描偏向从单向转变为往返扫描，，，，，TC4钛合金的抗拉强度和屈服强度都有所提高，，，，，可是断后伸长率却下降较为显着。。。。。。。在往返扫描方法下TC4钛合金的抗拉强度和屈服强度划分为1322MPa和1250MPa，，，，，而断后伸长率为2.32%。。。。。。。这可能是由于往返扫描时定向外延生长的柱状晶形态爆发破损，，，，，形成了柱状晶与等轴晶交替的形态，，，，，在拉伸历程中会有更多的晶界阻碍，，，，，而使得往返扫描沉积件具有高强低韧的特征[8]。。。。。。。

2.4固溶与时效热处置惩罚

对沉积态和差别固溶时效热处置惩罚工艺下的3D打印TC4钛合金的常温力学性能举行测试，，，，，效果见表1。。。。。。。沉积态TC4合金举行910～990℃固溶+540℃时效热处置惩罚后空冷获得的试样的抗拉强度和屈强强度有所降低，，，，，可是断后伸长率却显着提高；；；；；；；尤其是热处置惩罚工艺为950℃/AC/1h+540℃/AC/4h时试样的抗拉强度和屈服强度划分抵达1206MPa和1122MPa，，，，，而断后伸长率抵达13.42%，，，，，其强度和塑性都凌驾了国标对TC4钛合金铸件和锻件退火态的要求。。。。。。。相比950℃/FC/1h的热处置惩罚，，，，，试样的强度略有提高，，，，，可是断后伸长率却大幅度降低至2.42%，，，，，显着低于沉积态试样。。。。。。。由此可见，，，，，通过固溶和时效热处置惩罚可以有用改善沉积态TC4钛合金的强度和塑性，，，，，热处置惩罚后的冷却速率对钛合金的强度和塑性影响较大，，，，，在现实应用历程中应该加以控制。。。。。。。

图7为沉积态、950℃/AC/1h+540℃/AC/4h和950℃/FC/1h热处置惩罚态TC4钛合金的金相组织。。。。。。。关于沉积态TC4钛合金，，，，，金相组织为马氏体α'针为主的魏氏组织；；；；；；；经由950℃/AC/1h+540℃/AC/4h热处置惩罚后，，，，，金相组织转变为网篮组织；；；；；；；950℃/FC/1h热处置惩罚后金相组织转变为双态组织，，，，，合金中部分α相爆发球化，，，，，而另一部分仍然具有网篮组织特征。。。。。。。其中，，，，，魏氏组织的塑性和攻击韧性较差，，，，，网篮组织的强度、塑性以及高温蠕变性能较好，，，，，而双态组织的强度较高、塑性较差[8]。。。。。。。比照剖析炉冷和空冷方法下TC4钛合金网篮组织的扫描电镜显微形貌，，，，，效果见图8。。。。。。。

在空冷制度下，，，，，TC4钛合金将爆发半扩散型相变，，，，，合金在固溶处置惩罚后获得杆状的初生α相，，，，，随后经由时效处置惩罚后，，，，，初生α相之间的β相会以细小次生α相形式泛起（图8（a））；；；；；；；炉冷制度下，，，，，TC4钛合金将爆发扩散型相变，，，，，固溶处置惩罚后会由于因素偏析而形成双态组织，，，，，合金中初生α相之间的β相由于没有后续的时效热处置惩罚而并没有析出次生α相（图8（b））；；；；；；；同时比照剖析可见，，，，，炉冷制度下晶界α相和晶内α相都要相对空冷制度下更粗大，，，，，受外力作用下的裂纹更容易在炉冷条件下的晶界处萌生和扩展，，，，，造成合金的塑性降低。。。。。。。

3、结论

（1）在扫描偏向和扫描速率稳固条件下，，，，，β柱状晶的晶粒尺寸会随着激光功率的增添而增大。。。。。。。随着激光功率的增添，，，，，TC4钛合金的抗拉强度和屈服强度都体现为先升高此后降低的趋势；；；；；；；在激光功率为500W时取得最大值；；；；；；；而断后伸长率随着激光功率的增添而泛起逐渐降低的趋势。。。。。。。

（2）当扫描速率在0.36～0.60m/min时，，，，，TC4钛合金的晶粒形态都为柱状晶。。。。。。。而扫描速率为0.12m/min时的晶粒形态为柱状晶和等轴晶；；；；；；；当激光功率从0.12m/min增添至0.60m/min时，，，，，柱状晶的宽度泛起逐渐减小的趋势，，，，，而柱状晶高度逐渐增添；；；；；；；随着扫描速率的增添，，，，，TC4钛合金板的抗拉强度和屈服强度都体现为逐渐降低的趋势，，，，，而断后伸长率逐渐升高。。。。。。。

（3）在其它工艺参数一定条件下，，，，，单向扫描时TC4钛合金的柱状晶泛起定向外延生长趋势。。。。。。。而往返扫描时TC4钛合金的柱状晶由定向生长转变为双相生长，，，，，且沉积层间还泛起了一定命目的等轴晶；；；；；；；激光扫描偏向从单向转变为往返扫描，，，，，TC4钛合金的抗拉强度和屈服强度都有所提高，，，，，可是断后伸长率却下降较为显着。。。。。。。

（4）固溶+时效热处置惩罚可以有用改善沉积态TC4钛合金的强度和塑性，，，，，其强度和塑性都凌驾了国标对TC4钛合金铸件和锻件退火态的要求。。。。。。。

参考文献:

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