前言

Ti-6Al-4V(TC4)钛合金是一种α+β双相钛合金，，，，，，，，具有较高的比强度、屈强比、耐蚀性和优良的加工性能(包括热变形性、焊接性、切削加工性和抗蚀性)，，，，，，，，应用温度规模较广(≤430℃)，，，，，，，，在当今天下使用的钛合金产品中，，，，，，，，TC4钛合金占有了凌驾一半的市场份额[1-2]。。。。。。随着TC4钛合金用量的增多及应用规模的扩大，，，，，，，，古板的制备工艺如铸造、铸造保存制备周期长、工艺重大等问题，，，，，，，，且与机械加工团结的制造手艺难以解决变形钛合金件的机械加工量大、质料使用率低(20%～50%)以及生产本钱高等问题[3-4]。。。。。。激光定向能量沉积手艺(Directedenergydeposition,DED)是一种新兴的先进制造手艺，，，，，，，，其可以直靠近净成型重大的高性能致密金属结构件，，，，，，，，具有高柔性、短周期、低本钱、应用规模广、市场响应快等特点，，，，，，，，在航空、航天、汽车等高手艺领域有着辽阔的应用远景，，，，，，，，近十年来逐渐成为海内外激光加工和先进制造领域的研究热门，，，，，，，，使钛合金的生长和应用进入了一个崭新的阶段[5-7]。。。。。。

在增材制造成形历程中，，，，，，，，金属会履历极其快速的加热-冷却历程和恒久周期性热循环历程，，，，，，，，因此，，，，，，，，激光定向能量沉积手艺成形的TC4合金沉积态的组织特征与整体铸造工艺所制得的差别，，，，，，，，其显微组织并不是由等轴α相和片层间β相所组成的[8-9]，，，，，，，，而是贯串于多个熔覆层呈外延生长的较大尺寸β柱状晶，，，，，，，，且β晶粒内则一样平常为由α片层组成的细小的网篮状组织[10-11]。。。。。。因此，，，，，，，，激光定向能量沉积手艺制造的沉积态TC4合金，，，，，，，，往往泛起出高强低塑、各向异性的力学性能特点[12]。。。。。。别的，，，，，，，，激光沉积历程中快速的升/降温带来的剩余应力，，，，，，，，对构件的性能也具有一定影响[6-7]。。。。。。因此，，，，，，，，需要建设合适的热处置惩罚工艺来优化和改善激光增材TC4合金成形件的显微组织和力学性能。。。。。。

通常来说，，，，，，，，经固溶时效处置惩罚后，，，，，，，，激光增材制造TC4合金初生α相长宽比降低，，，，，，，，短棒状α相增添，，，，，，，，形成网篮组织[1]。。。。。。而双重退火可以更显著的改善TC4合金的塑性[13-14]，，，，，，，，因此，，，，，，，，通过合适的热处置惩罚搭配可以显著改善沉积态合金的力学性能，，，，，，，，使成形件抵达较好的强度-塑性匹配[15]。。。。。。近年来，，，，，，，，研究职员研究了差别热处置惩罚工艺对合金显微组织及力学性能的影响[16]。。。。。。例如，，，，，，，，BAUFELD等[17]研究了DED制备的TC4合金在600℃空冷4h和在843℃空冷2h后力学性能的影响，，，，，，，，发明经600℃退火的合金力学性能较沉积态无显着改变，，，，，，，，但843℃热处置惩罚后的试样断后伸长率显著增添。。。。。。BRANDL等[18]研究了DED制备的TC4合金在600℃炉冷4h和在843℃炉冷2h后力学性能，，，，，，，，发明600℃退火试样强度增添但塑性下降，，，，，，，，但843℃热处置惩罚的试样强度转变不大但塑性升高。。。。。。LIU等[19]研究了热处置惩罚对激光选区熔化(Selectivelasermelting,SLM)制备的TC4钛合金显微组织和力学性能的影响，，，，，，，，以为TC4合金经由960℃保温1h后水淬，，，，，，，，之后再600℃保温8h后空冷，，，，，，，，可获得最佳的力学性能。。。。。。LEUDERS等[20]研究了差别热处置惩罚对SLM制备的TC4钛合金的疲劳行为和力学性能，，，，，，，，效果批注，，，，，，，，经800℃保温2h的试样的剩余应力降至最低，，，，，，，，相比锻件具有更好的力学性能，，，，，，，，但疲劳性能不如热等静压处置惩罚的试样。。。。。。

SABBAN等[21]提出了一种立异战略，，，，，，，，通过靠近但低于β转变温度(975℃)循环热处置惩罚，，，，，，，，在SLM制得的TC4合金中获得由球状α组成的双态微观结构，，，，，，，，这种微观结构不但提供了更好的强度和塑性组合，，，，，，，，并且还提供了优越的疲劳性能。。。。。。综上所述，，，，，，，，现在对激光增材制造TC4钛合金热处置惩罚的研究主要集中在对远低于β相变点的温度举行退火，，，，，，，，且多为固溶时效处置惩罚。。。。。。由于在β相区固溶处置惩罚所获得的粗大魏氏体组织虽具有长期强度高和断裂韧性高的优点，，，，，，，，但拉伸塑性和疲劳强度均很低，，，，，，，，而在α+β相区固溶处置惩罚则无此弱点。。。。。。因此，，，，，，，，对双重退火工艺一级退火温度的大部分研究都聚焦于β相变点温度以下。。。。。。而关于靠近β相变点温度作为一级退火温度和500～800℃之间作为二级退火温度的热处置惩罚研究主要集中于SLM制备的TC4合金，，，，，，，，且拉伸性能主要集中于室温。。。。。。关于靠近β相变点的温度作为一级退火温度的双重退火工艺处置惩罚DED制备的TC4合金的室温顺高温力学性能的相关研究较少。。。。。。而SLM制备样品时，，，，，，，，冷却速率更快，，，，，，，，所爆发的显微组织和晶粒形貌较DED制备的试样显着差别，，，，，，，，因此，，，，，，，，为实现对激光定向能量沉积手艺制备钛合金构件的性能调控，，，，，，，，研究对DED制备的TC4钛合金质料合适的热处置惩罚工艺是须要的。。。。。。

本文以激光定向能量沉积手艺制备TC4钛合金板材为工具，，，，，，，，研究了差别热处置惩罚后合金的显微组织和室温及高温下的拉伸性能特征，，，，，，，，重点剖析了双重退火工艺对显微组织和力学性能的影响，，，，，，，，并剖析了差别热处置惩罚工艺对α相尺寸的影响，，，，，，，，为激光定向能量沉积手艺制备TC4钛合金的性能调控提供指导。。。。。。

1、试验质料与要领

1.1试验质料与装备

本研究接纳真空等离子旋转电极雾化制备的Ti-6Al-4V预合金粉末。。。。。。其化学元素因素见表1。。。。。。预合金粉末外观呈规则球形，，，，，，，，粒度匀称一致，，，，，，，，无异物和夹杂。。。。。。为降低粉末中的水分，，，，，，，，增添粉末的流动性，，，，，，，，将预合金粉末在真空箱中6h烘干处置惩罚，，，，，，，，温度为180℃±5℃，，，，，，，，保温竣事后在真空箱中冷却至室温后取出。。。。。。试验所用基材为TC4钛合金锻件，，，，，，，，用砂轮打磨去除外貌油污和氧化皮，，，，，，，，随后用酒精洗濯清洁，，，，，，，，烘干待用。。。。。。

增材制造试验在北京煜鼎增材制造有限公司的大型激光同轴送粉增材制造成套装备中完成。。。。。。为了避免增材制造历程中钛合金爆发氧化，，，，，，，，接纳高纯氩气；；；；；；，，，，，，，，氧含量控制在0.005%以内。。。。。。激光同轴送粉增材制造工艺参数规模为：功率5～7kW，，，，，，，，光斑直径5～8mm，，，，，，，，扫描速率800～1400mm/min，，，，，，，，送粉速率600～1100g/h。。。。。。

为评价成形工艺稳固性，，，，，，，，所有样品均是接纳相同工艺参数在铸造基材上通过激光定向能量沉积制备的。。。。。。将激光定向能量沉积制得的18个TC4钛合金样品分为三组，，，，，，，，选取两种典范热处置惩罚工艺(HT1、HT2)和新的双重退火热处置惩罚工艺(HT3)，，，，，，，，如表2所示，，，，，，，，对激光定向能量沉积制备TC4钛合金举行后续处置惩罚。。。。。。

1.2质料性能测试

对热处置惩罚后的试样划分经60#、120#、500#、800#、1000#、1500#、2000#水磨砂纸打磨，，，，，，，，用含Fe2O3和Cr2O3的抛光液举行机械抛光，，，，，，，，用Kroll试剂对抛光试样举行化学侵蚀，，，，，，，，其因素配比为HF：HNO₃：H₂O=1：2：68(体积比)，，，，，，，，侵蚀时间为20s。。。。。。用Leica金相显微镜(Opticalmicroscopy，，，，，，，，OM)视察低倍显微组织，，，，，，，，用JEOL-6010扫描电子显微镜(Scanningelectronmicroscopy，，，，，，，，SEM)视察高倍显微组织。。。。。。

接纳M12×71mm的标准试样，，，，，，，，如图1a所示，，，，，，，，在国家钢铁质料测试中心举行室温顺400℃高温拉伸测试。。。。。。拉伸试样均选取纵向和横向两个偏向，，，，，，，，如图1b所示，，，，，，，，其中，，，，，，，，oz偏向为激光增材沉积偏向(或纵向，，，，，，，，缩写L)，，，，，，，，oy偏向为扫描偏向(横向，，，，，，，，缩写T)。。。。。。拉伸测试数据主要包括弹性模量(E)、屈服强度(σ0.2)、抗拉强度(　b)、断后伸长率(A)和断面缩短率(Z)。。。。。。每组热处置惩罚态拉伸试样的横向和纵向拉伸试样数目各6根。。。。。。

2、试验效果及讨论

2.1激光定向能量沉积制造TC4钛合金显微组织

激光定向能量沉积制备TC4钛合金沉积态宏观晶粒照片如图2a、2b所示。。。。。？？？？？？？？梢钥闯，，，，，，，，纵截面宏观组织(图2a)为蓬勃的柱状晶，，，，，，，，贯串多个沉积层、长度可达30mm以上；；；；；；笔直于沉积偏向的横截面宏观组织(图2b)为等轴状晶粒，，，，，，，，尺寸为0.5～3mm。。。。。？？？？？？？？梢酝贫，，，，，，，，激光成形TC4钛合金组织为沿沉积偏向生长的巨细纷歧的柱状晶，，，，，，，，但其生长偏向并不严酷平行于沉积偏向，，，，，，，，而是遵照移动熔池的形状和温度梯度所决议最优生长偏向[2,22]，，，，，，，，受到沉积历程中散热偏向和熔池温度梯度转变的影响。。。。。。

激光定向能量沉积手艺制备TC4钛合金沉积态的光镜照片和SEM照片划分如图2c、2d、2e所示，，，，，，，，由于激光成形历程中保存较大过冷度和高冷却速率，，，，，，，，沉积态显微组织为片层α相组成的较细的网篮组织，，，，，，，，且保存完整的一连晶界α相(αGB)，，，，，，，，如图2d所示，，，，，，，，晶内有许多平行生长的α片层，，，，，，，，α片层宽度为0.5～2μm，，，，，，，，α片层宽度详细漫衍如图4d所示。。。。。。

这是由于当熔池的温度下降到β转变温度以下，，，，，，，，抵达一定过冷水平时，，，，，，，，最先从原始β晶粒内析出片层α相组织，，，，，，，，α相优先在晶界处形核长大形成一连αGB相，，，，，，，，晶内的α片丛生长后相互接触形成网篮组织[10]。。。。。。激光定向能量沉积手艺制备的TC4合金经差别热处置惩罚后的显微组织如图3所示，，，，，，，，响应的α相的宽度漫衍如图4d所示。。。。。？？？？？？？？梢钥闯，，，，，，，，差别热处置惩罚后合金的β相晶粒形貌并未爆发转变，，，，，，，，均为笔直扫描偏向的柱状晶。。。。。。可是，，，，，，，，HT1热处置惩罚后，，，，，，，，初生α相(α_p)与沉积态相比爆发粗化，，，，，，，，但由于退火温度较低，，，，，，，，故宽度增添不是特殊显着，，，，，，，，多为2μm左右。。。。。。α相含量与沉积态相比略有提升，，，，，，，，保存一连αGB相。。。。。。如图3b所示，，，，，，，，经HT2热处置惩罚后，，，，，，，，相较HT1，，，，，，，，α_p爆发粗化，，，，，，，，且在部分α_p之间析出了细小的次生α相(α_s)，，，，，，，，α相含量略有增添。。。。。。这主要是由于HT2热处置惩罚温度更高，，，，，，，，由钛合金相图可知，，，，，，，，α相向β相的转变比例更高，，，，，，，，在后续冷却历程中，，，，，，，，α_p会有一定水平的长大，，，，，，，，α_s也会从剩余β相中析出。。。。。。相较而言，，，，，，，，HT3热处置惩罚温度靠近相变温度，，，，，，，，α_p险些完全消融于β基体中，，，，，，，，再经空冷处置惩罚后，，，，，，，，α_s数目显着高于前两次热处置惩罚试样，，，，，，，，且α_p宽度显着增添，，，，，，，，多为4μm左右，，，，，，，，如图3f所示，，，，，，，，但含量降低至47.91%，，，，，，，，较沉积态下降了32.15%。。。。。。同时，，，，，，，，α_p形态也爆发了转变，，，，，，，，部分片层两头泛起分支，，，，，，，，形成蟹钳状，，，，，，，，这可能是由于α相尖端曲率较大，，，，，，，，具有较高的外貌能，，，，，，，，在600℃二次退火历程中，，，，，，，，具有相同取向关系的α_s会优先从α_p尖端析出，，，，，，，，进而形成蟹钳状形貌并长大[23-24]。。。。。。

2.2室温力学性能

差别热处置惩罚后TC4合金的室温拉伸性能如表3和图4所示。。。。。？？？？？？？？梢钥闯，，，，，，，，横向拉伸试样均体现出比纵向拉伸试样具有更高的强度和较低的塑性，，，，，，，，这与激光增材制造构件显微组织的各向异性有关。。。。。。相比600℃退火，，，，，，，，800℃退火导致强度小幅降低，，，，，，，，抗拉强度降低约13MPa(约1.3%)，，，，，，，，屈服强度降低约39MPa(约4.6%)，，，，，，，，同时，，，，，，，，纵向面缩率略有降低，，，，，，，，而横向面缩率略有升高，，，，，，，，塑性各向异性略有降低。。。。。。

975℃+600℃双重退火时，，，，，，，，TC4合金的强度比600℃退火态显著降低，，，，，，，，其中抗拉强度降低约43MPa(约4.5%)，，，，，，，，屈服强度降低约70MPa(约8.2%)；；；；；；但其横向伸长率和面缩率有所提高，，，，，，，，其中横向面缩率增添9%(约提升36.2%)。。。。。。

众所周知，，，，，，，，质料的显微组织决议其力学性能[25]，，，，，，，，本文中，，，，，，，，三种差别热处置惩罚试样的β晶粒尺寸差别不大，，，，，，，，如图3a、3c、3e所示，，，，，，，，但α相的形貌与尺寸有较大区别，，，，，，，，α_p的宽度可以影响其力学性能。。。。。。一样平常来说，，，，，，，，TC4合金的强度随着α_p宽度增添而降低，，，，，，，，塑性则相反的[26-28]。。。。。。双相钛合金的强化机制为界面强化，，，，，，，，其强度主要与α/β相界数目有关[29-30]，，，，，，，，α_p片层尺寸的减小会显著提升α/β相界的数目[31-32]。。。。。。HT1试样α_p尺寸更细小，，，，，，，，数目更多，，，，，，，，α/β相界面数目也越多，，，，，，，，由于α/β界面临位错运动起到阻碍作用，，，，，，，，减小有用滑移长度，，，，，，，，导致强度显着提升。。。。。。HT2试样α_p的长宽较量HT1试样小，，，，，，，，故强度降低。。。。。。而HT3试样α_p的宽度更宽，，，，，，，，且原β相晶界周围天生等轴α相，，，，，，，，这使得HT3试样具有较强的变形能力和高协调性，，，，，，，，各向异性获得了改善，，，，，，，，因此在牺牲部分强度的条件下，，，，，，，，获得了更高的韧性，，，，，，，，且抵达了锻件的力学性能要求。。。。。。

关于显微组织为片层α相的双相钛合金，，，，，，，，α_p相宽度对其塑性的影响相当重大[32]。。。。。。穿晶断裂模式下，，，，，，，，断后伸长率随着α相宽度减小而增添，，，，，，，，但若是α相尺寸过于细小，，，，，，，，晶内强度显著增添，，，，，，，，一连αGB相界面处就会成为有利于裂纹扩展的低能量区域，，，，，，，，这使得断裂模式从穿晶断裂转变为沿晶断裂，，，，，，，，但等轴晶区仍会体现为沿晶断裂[33-34]。。。。。。当β晶界之间遵照特定的伯格斯取向时，，，，，，，，晶界处会析出细长的魏氏组织[35]，，，，，，，，因此关于HT2试样，，，，，，，，显微组织中泛起的一连αGB相和αGB相周围的魏氏组织为质料塑性下降的缘故原由。。。。。。而HT3试样由于天生了等轴α相，，，，，，，，片层α相与等轴α相同时保存，，，，，，，，使得质料的塑性获得较大改善。。。。。。

三种差别热处置惩罚的TC4钛合金室温拉伸断口形貌如图5所示。。。。。？？？？？？？？梢钥闯，，，，，，，，断口体现为典范的杯锥状形貌，，，，，，，，保存显着的剪切唇区和中心纤维区，，，，，，，，都泛起韧性断裂的形貌，，，，，，，，均为微孔群集机制，，，，，，，，可以视察到显着的韧窝，，，，，，，，但纵向拉伸试样的剪切唇区域面积显着比横向拉伸试样大，，，，，，，，且在高倍光镜下可以视察到更大、更深的韧窝。。。。。。HT2试样断口虽然有较大颈缩，，，，，，，，但相较于HT1和HT3试样，，，，，，，，其韧窝小而浅，，，，，，，，镌汰应力集中的能力较差，，，，，，，，因此塑性较差。。。。。。

2.3400℃高温力学性能

差别热处置惩罚后TC4样品的横纵向高温拉伸性能如表4和图6所示。。。。。？？？？？？？？梢钥闯，，，，，，，，所有合金的横向抗拉强度和屈服强度均高于其纵向，，，，，，，，同时横向塑性均低于其纵向。。。。。。与室温拉伸性能相比，，，，，，，，高温抗拉强度和屈服强度显着低于室温拉伸，，，，，，，，但塑性显着提高，，，，，，，，如图7所示。。。。。。这主要是由于在高温下，，，，，，，，原子的扩散能力提高，，，，，，，，使得滑移带上的位错通过攀移和交滑移的方法消逝，，，，，，，，导致应变强化消逝，，，，，，，，导致样品强度下降，，，，，，，，塑性显着上升。。。。。。由表4中可知，，，，，，，，HT3试样在牺牲部分强度的条件下(降低约1.1%)，，，，，，，，获得了更好的韧性(提升约10.5%)，，，，，，，，降低了塑性各向异性，，，，，，，，综协力学性能抵达了锻件的要求。。。。。。

图8为三种差别热处置惩罚的TC4钛合金400℃高温拉伸断口形貌。。。。。。宏观上断口呈典范的杯锥状，，，，，，，，可分为纤维区、放射区和剪切唇3个区域。。。。。。在400℃高温拉伸时，，，，，，，，塑性显著高于室温，，，，，，，，断面缩短率抵达60%以上，，，，，，，，断后伸长率凌驾15%，，，，，，，，是典范的韧性断裂。。。。。。高温拉伸断口形貌体现为微孔群集机制，，，，，，，，纤维区的韧窝尺寸以及深度显着较剪切唇区大，，，，，，，，剪切唇处的韧窝因受到剪切应力的影响，，，，，，，，韧窝显着被拉长。。。。。？？？？？？？？锥丛谙嘟缑娲π魏顺ご，，，，，，，，进而毗连形成裂纹，，，，，，，，而α相的保存会阻碍裂纹的扩展，，，，，，，，随着α相粗化，，，，，，，，晶内强度降低会导致裂纹趋向于穿晶断裂[36]。。。。。。因此，，，，，，，，α相尺寸对力学性能爆发较大的影响。。。。。。且与图5的室温断裂的拉伸断口形貌相比，，，，，，，，400℃高温拉伸断口韧窝显着更大更深，，，，，，，，且颈缩征象更为显着，，，，，，，，体现出更好的拉伸塑性。。。。。。

3、结论

本文接纳激光定向能量沉积手艺制备了TC4板材，，，，，，，，对沉积态TC4举行了三种差别的热处置惩罚，，，，，，，，研究了差别热处置惩罚后的显微组织及室温顺高温下的力学性能。。。。。。详细结论如下。。。。。。

(1)激光定向能量沉积手艺制备TC4钛合金的宏观凝固组织为柱状晶与等轴晶交替排列的形态，，，，，，，，β柱状晶宽度可达0.5～3mm，，，，，，，，长度可达30mm以上，，，，，，，，显微组织为片层α相组成的较细的网篮组织，，，，，，，，α片层宽度为0.5～2μm。。。。。。经由600℃和800℃退火处置惩罚后，，，，，，，，合金显微组织转变不显着，，，，，，，，宏观晶粒尺寸并无较大改变，，，，，，，，α_p尺寸略有增添；；；；；；而经由双重退火处置惩罚后，，，，，，，，TC4合金显微组织转变为双态组织，，，，，，，，α_p长宽比显著降低，，，，，，，，其含量降低至47.91%，，，，，，，，较沉积态下降了32.15%，，，，，，，，片层两头长出分支，，，，，，，，形成蟹钳状。。。。。。

(2)三种差别热处置惩罚后的TC4钛合金的横向强度略高于纵向，，，，，，，，且横向塑性各向异性较低。。。。。。600℃退火的TC4钛合金具有最优异的室温强度和较好的塑性；；；；；；而975℃+600℃双重退火的试样，，，，，，，，天生了等轴状α_p，，，，，，，，在强度降低约43MPa(约4.5%)的情形下，，，，，，，，塑性获得了显著改善，，，，，，，，横向伸长率和面缩率较600℃退火试样有所提高(约提升36.2%)。。。。。。

(3)高温抗拉强度和屈服强度显着比对应的室温强度低，，，，，，，，但塑性显著提高。。。。。。600℃退火合金的高温拉伸强度略高于975℃+600℃双重退火，，，，，，，，但双重退火合金在牺牲部分强度的情形下(约1.1%)，，，，，，，，塑性显著提升(约10.5%)，，，，，，，，体现出优异的高温强度-塑性匹配。。。。。。

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作者简介：荣鹏，，，，，，，，男，，，，，，，，1989 年出生，，，，，，，，博士，，，，，，，，工程师。。。。。。主要研究偏向为增材制造手艺。。。。。。

E-mail：rongpeng-love@163.com

刘栋(通讯作者)，，，，，，，，男，，，，，，，，1981 年出生，，，，，，，，博士，，，，，，，，高级工程师。。。。。。主要研究偏向为钛合金大型重大整体承力构件激光增材制造工艺。。。。。。

E-mail：09294@buaa.edu.cn

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