α板条排列方式对电子束熔丝沉积TC4钛合金组织与拉伸性能的影响

王 磊，刘建荣，王清江，尹续臣，2，巩水利，杨 光

(1.中国科学院金属研究所, 辽宁 沈阳 110016)(2.中国科学技术大学材料科学与工程学院, 辽宁 沈阳 110016)(3.中国航空制造技术研究院, 北京 100024)

0 引 言

电子束熔丝沉积制造(electron beam rapid manufacturing，EBRM)技术是20世纪90年代末发展起来的一项新型增材制造技术，该技术以电子束为热源，在计算机程序控制下按规划路径熔化连续送进的金属丝材，层层叠加，形成零件毛坯。2011年修订的AMS 4999A标准中规定熔丝沉积TC4钛合金的熔化热源为激光和电子束2种，表明电子束熔丝增材制造工艺已经成为一种成熟的工艺。

TC4钛合金是目前国内外各种增材制造技术研究最多的钛合金，电子束熔丝沉积也不例外。Zhao等人[1]对比研究了激光沉积和电子束熔丝沉积制备的Ti-6Al-4V合金工件的显微组织和力学性能，发现相比激光沉积，电子束沉积工件的孔隙率更低，力学性能更稳定。Suo等人[2]在研究电子束快速成形TC4钛合金的力学性能时，发现沉积态和退火态堆积合金的拉伸性能表现出明显的各向异性，热等静压处理可以明显降低高周疲劳数据的离散度，并改善合金的延展性和韧性。Tan等人[3]利用透射电镜、原子探针(APT)等手段，分析了电子束快速成形TC4钛合金堆积态组织中α/β界面的形貌特征和成分分布，结果表明β转变组织呈网篮状或胞状集束形貌，Fe、Al和V元素在两相界面差异明显。

电子束熔丝沉积钛合金具有准定向凝固显微组织特征。对电子束熔丝沉积TC4钛合金的研究发现[4]，β柱状晶的生长方向为<001>方向，密排(111)面集中分布在与基板平面(X-Y面)接近25°～55°的方向上，与沿柱状晶生长方向拉伸强度偏低、塑性偏高的实验现象相对应。在垂直柱状晶拉伸条件下，原始β柱状晶{100}面与拉伸方向的角度会决定柱状晶的变形能力，对塑性影响较大；在沿其他方向的拉伸条件下，柱状晶取向以及显微组织形貌对拉伸性能都有较大影响。

尽管国内外学者针对电子束熔丝沉积成形TC4钛合金开展了大量研究工作，但研究内容主要集中在成形工艺对显微组织及力学性能的影响方面[4-8]，对沉积材料显微组织与力学性能的关联关系研究较少。本研究针对电子束熔丝沉积TC4钛合金力学性能不一致的问题，对堆积体低高倍组织、拉伸性能及变形行为进行研究，分析拉伸性能尤其是拉伸塑性波动较大的原因，为电子束熔丝沉积TC4钛合金性能调控提供参考。

1 实 验

1.1 实验材料

实验所用材料为中国航空制造技术研究院提供的利用电子束熔丝沉积技术制备的块状TC4钛合金，尺寸为长300 mm、宽90 mm、高150 mm，3个方向分别以X、Y、Z标识，X-Y面为堆积平面，Z向为堆积增高方向。表1为电子束熔丝沉积TC4钛合金堆积体的化学成分。对TC4钛合金堆积体进行910 ℃/130 MPa/3 h热等静压处理。

表1TC4钛合金堆积体的化学成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of EBRM TC4 titanium alloy

1.2 实验方法

沿TC4钛合金堆积体Y-Z面截取低倍样品，经粗磨和精磨后，在HF、HNO3、H2O体积比为1∶1∶50的腐蚀溶液中浸蚀。采用扫描仪采集低倍照片。在低倍试片典型位置处切取高倍组织试样，试样经粗磨、精磨、抛光后，在HF、HNO3、H2O体积比为1∶3∶50的腐蚀溶液中浸蚀。采用Zeiss Axiover 200 Mat金相显微镜观察高倍组织。

对TC4钛合金堆积体进行热处理，热处理制度为960 ℃×2 h/AC+600 ℃×2 h/AC。沿热处理后的TC4钛合金堆积体底部和顶部X向割取φ11 mm×56 mm棒料，加工成直径5 mm、标距25 mm的拉伸试样，试样两端带有M10螺纹。按照国标GB/T 228.1—2010进行室温拉伸试验。拉断后的样品从断面中部纵向剖开，采用Zeiss Axiover 200 Mat金相显微镜观察断口附近的高倍组织。

2 结果与讨论

2.1 低倍组织

图1为TC4钛合金堆积体热等静压后的低倍组织。从图1可以看出，低倍下为柱状晶组织，柱状晶从底部形成并向上生长。由底部至顶部可以分为3个区域，对应图1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区:其中Ⅰ区为模糊晶区，只能观察到模糊柱状晶晶界；Ⅱ区为准模糊晶区，该区不仅能看到柱状晶晶界，还能看到晶内存在的细小“雪花状”组织；Ⅲ区为清晰晶区，该区柱状晶晶界和晶内“雪花”清晰可见，与传统铸态钛合金清晰晶低倍组织近似。

图1 TC4钛合金堆积体横截面的低倍组织Fig.1 Macrostructure of the cross section of EBRM TC4 titanium alloy

2.2 高倍组织

2.2.1 热等静压态高倍组织

图2为TC4钛合金堆积体热等静压态的高倍组织。其中图2a、b对应于图1下部模糊晶区组织，图2c、d对应于图1上部清晰晶区组织。由图2a、b可见，模糊晶区高倍组织由编织排列的条状α相和围绕其周围的β相组成，白色条状α相长短不一，极少数接近等轴状。图2c、d中条状α相呈粗大集束状，同一集束内条状α相平行排列，呈细长板条，长宽比与图2a、b中组织相比明显增大。图1中上部“雪花”状区域由大片集束α相组成，由于同一集束内的α板条具有相同的晶体学取向，因此一束平行排列的板条位于同一个晶粒内，粗大的集束晶粒是出现清晰晶的根本原因。而图2a、b中的α板条呈编织排列，未形成集束状，取向分散，晶粒细小，在低倍上表现为模糊晶。

图2 热等静压态TC4钛合金堆积体的高倍组织Fig.2 Microstructures of EBRM TC4 titanium alloy after HIP:(a, b)indistinct zone in Fig.1; (c, d)distinct zone in Fig.1

2.2.2 热处理态高倍组织

图3为热处理态TC4钛合金堆积体不同部位的高倍组织。由图3可见，经960 ℃高温热处理后，板条状α相大多数发生了α→β→α相变，细条状或短棒状α相在升温到960 ℃并在其后的保温过程中转化为高温β相，仅有约20%的棒状α相残留，高温β相在冷却过程中转化为细小条状二次α相，形成由粗短棒状残留一次α相，细长条状二次α相和残留β相组成的“双态”组织。由图3还可以看到，初始一次α相编织排列，相变产生的二次α相也接近编织排列；初始一次α相呈集束排列，生成的二次α相也呈大面积集束排列。一次α相的排列方式影响二次α相的排列方式，这是钛合金组织遗传性的一种体现。

图3 热处理态TC4钛合金堆积体的高倍组织Fig.3 Microstructures of EBRM TC4 titanium alloy after HIP and heat treatments:(a)indistinct zone in Fig.1; (b)distinct zone in Fig.1

2.3 拉伸性能

表2为TC4钛合金堆积体沿X方向不同部位试样的拉伸性能。由表2可见，取自模糊晶区(Ⅰ区)的拉伸试样，其强度塑性匹配明显优于取自清晰晶区(Ⅲ区)的拉伸试样。清晰晶区拉伸试样与模糊晶区试样的强度相当，但塑性明显降低。

表2TC4钛合金堆积体不同部位的室温拉伸性能

Table 2 Room temperature tensile properties of EBRM TC4 titanium alloy in different zones

2.4 拉伸断口附近高倍组织

图4为拉伸断口附近纵剖面的高倍组织。由图4a可见，模糊晶区的拉伸断口附近α小集束大多数有不同程度的扭曲变形，表明α相呈编织排列时，拉伸变形过程中不同区域α相均有参与变形，从而累积了较高的拉伸塑性。而由图4b可见，清晰晶区的拉伸断面平坦，仅在断面附近发生少量塑性变形，其他区域未见变形迹象，表明α相呈粗大集束排列的组织，在拉伸变形过程中变形局部化明显。由于局部变形，导致合金塑性降低。

图5是清晰晶区拉伸试样的高倍组织。由图5可以看出，粗大α集束区域存在明显的滑移带，滑移带集中于同一束粗大板条集束内。启动同一个滑移系，形成了密集且平行排列的滑移带，而在其相邻集束内，滑移带密度较低。表明在拉伸变形时，具有粗大α集束的组织易发生应变局部集中，导致合金的塑性偏低。可见电子束熔丝沉积TC4钛合金力学性能的不一致性与其显微组织的不一致性密切相关。

图4 TC4钛合金堆积体拉伸断口附近的高倍组织Fig.4 Microstructures near the fractured surfaces of EBRM TC4 titanium alloy tensile specimen: (a)indistinct zone; (b)distinct zone

图5 TC4钛合金堆积体断口附近滑移带形貌Fig.5 Slip bands morphology found in a large α colony near the fracture surface of EBRM TC4 titanium alloy

3 结 论

(1)电子束熔丝沉积TC4钛合金出现沿堆积高度方向显微组织的不一致性，表现为堆积件底部为模糊晶，之后逐渐转变为清晰晶；高倍下模糊晶区的组织特征为条状或棒状α相呈编织排列，而清晰晶区组织特征为细条状α相呈大面积平行排列，形成粗大α集束，低倍下表现为“雪花”状特征。

(2)清晰晶区试样的塑性明显偏低，而模糊晶区试样的强塑性匹配良好。其原因是清晰晶区粗大α集束容易导致拉伸变形过程中应变局部集中，从而导致塑性降低。

(3)模糊晶区编织排列的短棒状α相相比清晰晶区集束排列的α相具有更高的协同变形能力，多个晶粒协同变形有利于积累高塑性。