引言

點式鍛壓激光成型工藝具有成型過程靈活、適用范圍廣、生產成本低等方面的特點,能夠有效克服鈦合金在傳統成型工藝下普遍存在的柱狀晶粗大、力學性能不足等問題。苗廣輝等[1]通過點式鍛壓激光制備了TC4鈦合金葉片試件,發現該技術可大幅降低鈦合金葉片的磨損體積,顯著提升了葉片的耐腐蝕性能和耐磨損性能;席明哲等[2]預先對TC17鈦合金進行770℃/4h退火處理,顯著提升了鈦合金在點式鍛壓激光成型后的拉伸強度;呂超等[3]通過連續點式鍛壓激光工藝對TC11鈦合金厚壁零件實施成型加工處理,發現成型后的TC11鈦合金內部組織為等軸晶組織,等軸晶尺寸均勻,可避免出現常規成型工藝下常見的晶間斷裂問題,提高鈦合金材料塑性。在現有成果的啟發下,本文研究通過點式鍛壓激光成型工藝對TC4和TC11兩種鈦合金實施成型加工處理,顯著提升了TC4/TC11合金材料的力學性能。

1、鈦合金的點式鍛壓激光成型方法

1.1TC4/TC11鈦合金的成型與熱處理簡介

本文研究的TC4/TC11鈦合金目標厚度為20mm,分別采用以下方法進行。

1.1.1激光成型

針對TC4實施激光沉積處理,待沉積厚度達到10mm后,將材料改為TC11再沉積10mm。

1.1.2點式鍛壓成型

針對TC4實施激光沉積處理,待沉積厚度達到7mm后,將整個體系轉移至點式鍛壓工作臺,用同樣的材料繼續沉積至10mm。在此基礎上,將材料更換為TC11并繼續點式鍛壓沉積至13mm,最后采用激光沉積工藝將整個體系沉積至20mm[46]。

1.1.3復合成型

針對TC4實施激光沉積處理,待沉積厚度達到5mm后,將整個體系轉移至點式鍛壓工作臺,用同樣的材料繼續沉積至10mm。在此基礎上,將材料更換為TC11,采用同樣的方法將整個體系沉積至20mm[79]。

1.1.4固溶處理

為改善材料塑性,通過電阻熱處理爐對TC4和TC11鈦合金粉末實施溶固熱處理,所采用的固溶處理制度分別為930℃/2h、950℃/2h、970℃/2h。

1.2材料與設備

1.2.1所需材料

所需材料包括TC4鈦合金粉、TC11鈦合金粉、鈦合金基板,各項材料均購自上海中鎳實業有限公司,化學成分如表1～3所示。

表 1 TC4 鈦合金化學成分（質量分數，%）

（Tab.1 Chemical Composition of TC4 Titanium Alloy）

O	H	N	C	Fe	Cr	Mo	Zr	Sn	Al	其他	Ti
0.08~0.13	≤0.0125	≤0.05	≤0.05	≤0.30	3.5~4.5	3.5~4.5	1.6~2.4	1.6~2.4	4.5~5.5	≤0.30	余量
注：原文中 O 元素范圍 “0.8 ~ 0.13” 應為筆誤，結合 TC4 合金標準成分修正為 “0.08~0.13”。

表 2 TC11 鈦合金化學成分（質量分數，%）

（Tab.2 Chemical Composition of TC11 Titanium Alloy）

O	H	N	C	Fe	V	Al	其他	Ti
≤0.20	≤0.012	≤0.05	≤0.10	≤0.30	3.5~4.5	5.6~6.8	≤0.4	余量

表 3 鈦合金基板化學成分（質量分數，%）

（Tab.3 Chemical Composition of Titanium Alloy Substrate）

H	N	C	Si	Fe	V	Al	O	其他	Ti
0.01	0.05	0.1	0.12	0.3	3.5~4.5	6.5~6.8	0.2	≤0.5	余量
注：原文表格存在排版錯位，已修正元素對應關系。

1.2.2所需設備

所需設備包括FG450型光纖激光器組(深圳市非凡光電),SX2916A型電阻熱處理爐(上海捷呈),WLSCNC型光學顯微鏡(東莞微鈮斯),ZC1139型掃描電子顯微鏡(上海茁彩)、UTM0402萬能拉伸機(承德金建)。

1.3檢測和測試方法

1.3.1微觀檢測

通過光學微觀鏡觀察鈦合金材料的微觀形貌;通過掃描電子顯微鏡對鈦合金材料進行斷口形貌分析。

1.3.2拉伸性能測試

通過萬能拉伸機對鈦合金材料進行拉伸性能測試,設定拉伸速率為1mm/min,拉伸試樣尺寸如圖1所示。

2、TC4/TC11鈦合金測試結果

2.14TC4/TC11鈦合金拉伸性能測試結果

TC4/TC11鈦合金的拉伸性能測試結果如圖2所示。根據圖2可知,點式鍛壓工藝能夠顯著提升TC4/TC11鈦合金的抗拉強度和屈服強度,點式鍛壓成型鈦合金相較于激光成型鍛件的抗拉強度增加了105.2%,屈服強度增加了116.4%,延伸率則有所降低。出現該現象的原因在于,TC4/TC11鈦合金在點式鍛壓工藝下存在內部殘余應力,后續的激光沉積無法充分釋放材料內部的殘余應力,致使成型件出現加工硬化[1011]。除此之外,激光成型工藝在快速冷卻的過程中釋放大量熱應力,致使合金內部出現較多片層狀的α相微觀組織,降低了TC4/TC11鈦合金的延伸率[1213]。為提高該材料的延伸率,使其在工業加工過程中體現出更加理想的塑性,研究思路為對TC4和TC11鈦合金粉末實施固溶處理。

2.2固溶處理對鈦合金微觀組織撓跋�

以TC11鈦合金為例,該材料在經過固溶處理后的表面微觀形貌如圖3所示。根據圖3(b)可知,在固溶溫度由930℃增加至950℃的過程中,合金材料的α相體現出了更加明顯的球化特征,α相寬度也隨之提升;根據圖3(c)可知,在固溶溫度達到970℃的情況下,合金材料內部晶粒主要表現為棒狀α相、針狀α相和等軸α相,晶界球化作用顯著且較為細小。

2.3固溶處理對TC4/TC11鈦合金拉伸性能的影響

經過固溶處理的TC4/TC11鈦合金拉伸性能測試結果如表4所示。鈦合金的塑性與強度主要與其內部所含有的α相有關,α相的寬度與材料強度成反比,與塑性成正比[1415]。根據表4可知,在固溶溫度逐漸增加的過程中,激光成型的鈦合金強度呈先降后升的趨勢,延伸率走勢則相反。出現該現象的原因在于,鈦合金內部的α相含量隨固溶溫度的提升而增加,β相含量相對減少,在增加合金材料強度的同時也降低了延伸率[1617]。而在固溶溫度達到970℃的情況下,α相的長寬比隨之下降,出現等軸狀和棒狀α相,合金材料延伸率得到提升,塑性得到改善。

表 4 不同固溶溫度下鈦合金的拉伸性能測試結果

（Tab.4 Tensile Properties Test Results of Titanium Alloy at Different Solution Temperatures）

固溶處理制度	成型工藝	延伸率 /%	抗拉強度 /MPa	屈服強度 /MPa
970℃/2h	點式鍛壓成型	13.5	1178	1080
970℃/2h	復合成型	15.2	1061	897
970℃/2h	激光成型	12.8	1052	883
950℃/2h	點式鍛壓成型	14.8	1023	973
950℃/2h	復合成型	12.6	1073	935
950℃/2h	激光成型	11.9	1011	857
930℃/2h	點式鍛壓成型	12.2	1101	1012
930℃/2h	復合成型	8.3	1182	1098
930℃/2h	激光成型	10.9	1035	869
注：原文表格列名存在錯位，已根據性能指標邏輯修正延伸率、抗拉強度、屈服強度的對應關系。

在點式鍛壓成型工藝方面,TC4/TC11鈦合金強度在固溶溫度增加過程中呈現出先降后升的趨勢。當固溶溫度為930℃時,合金材料內部的α相較為狹長,在固溶溫度提升至950℃后,合金材料內部因點式鍛壓所造成的形變得到恢復,α相呈板條狀且相對含量增加,致使材料的強度隨之下降[1819]。在固溶溫度達到970℃的情況下,材料內部的α相重新恢復到均勻且狹長的狀態,晶界處出現等軸α相,使得合金材料的強度得到顯著提升。

2.4固溶處理對TC4/TC11鈦合金斷口形貌的影響

經過固溶處理的TC4/TC11鈦合金微觀斷口形貌如圖4～6所示。根據圖4可知,經過930℃固溶處理后的TC4/TC11鈦合金斷口宏觀形貌較為平滑,微觀表面分布有較淺的韌窩,且材料內部存在沿晶斷裂,塑性不足。

根據圖5可知,經過950℃固溶處理后的TC4/TC11鈦合金斷口宏觀表面存在較大起伏,并分布有些許小切面。微觀表面分布有深度較大的韌窩,材料內部呈現出塑性斷裂特征。

根據圖6可知,經過970℃固溶處理后的TC4/TC11鈦合金宏觀斷面存在較為明顯的起伏,且起伏幅度和頻率較低。微觀表面沒有明顯的解理平臺,韌窩均勻且深度更大,材料內部呈現出韌性斷裂特征,塑性得到了顯著改善。

3、結束語

本文介紹了點式鍛壓激光工藝在鈦合金加工成型處理中的應用方法,采用TC4和TC11兩種鈦合金粉末制備出了TC4/TC11鈦合金。經拉伸后發現,點式鍛壓激光成型工藝雖然能夠提升TC4/TC11鈦合金的拉伸性能,但塑性有所下降。因此,研究對TC4和TC11兩種鈦合金粉末實施固溶處理。經微觀形貌觀察后發現,隨著固溶溫度的提升,合金材料內部的α相形態得到顯著改善,且斷面韌窩深度隨之提升。當固溶溫度達到970℃時,合金材料內部呈現出韌性斷裂特征,有效改善了材料塑性。綜上所述,采用高溫固溶和點式鍛壓激光成型兩種工藝制備TC4/TC11鈦合金,能夠在維持合金材料良好塑性的基礎上有效提升其拉伸性能。

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（注，原文標題：TC4TC11鈦合金成型工藝比較及性能分析）

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tag標簽:TC4/TC11鈦合金,成型工藝對比,固溶溫度梯度,α相轉變

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