引言

點(diǎn)式鍛壓激光成型工藝具有成型過(guò)程靈活、適用范圍廣、生產(chǎn)成本低等方面的特點(diǎn)，能夠有效克服鈦合金在傳統(tǒng)成型工藝下普遍存在的柱狀晶粗大、力學(xué)性能不足等問(wèn)題。苗廣輝等[1]通過(guò)點(diǎn)式鍛壓激光制備了TC4鈦合金葉片試件，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)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(yù)先對(duì)TC17鈦合金進(jìn)行770℃/4h退火處理，顯著提升了鈦合金在點(diǎn)式鍛壓激光成型后的拉伸強(qiáng)度;呂超等[3]通過(guò)連續(xù)點(diǎn)式鍛壓激光工藝對(duì)TC11鈦合金厚壁零件實(shí)施成型加工處理，發(fā)現(xiàn)成型后的TC11鈦合金內(nèi)部組織為等軸晶組織，等軸晶尺寸均勻，可避免出現(xiàn)常規(guī)成型工藝下常見(jiàn)的晶間斷裂問(wèn)題，提高鈦合金材料塑性。在現(xiàn)有成果的啟發(fā)下，本文研究通過(guò)點(diǎn)式鍛壓激光成型工藝對(duì)TC4和TC11兩種鈦合金實(shí)施成型加工處理，顯著提升了TC4/TC11合金材料的力學(xué)性能。

1、鈦合金的點(diǎn)式鍛壓激光成型方法

1.1 TC4/TC11鈦合金的成型與熱處理簡(jiǎn)介

本文研究的TC4/TC11鈦合金目標(biāo)厚度為20mm，分別采用以下方法進(jìn)行。

1.1.1激光成型

針對(duì)TC4實(shí)施激光沉積處理，待沉積厚度達(dá)到10mm后，將材料改為TC11再沉積10mm。

1.1.2點(diǎn)式鍛壓成型

針對(duì)TC4實(shí)施激光沉積處理，待沉積厚度達(dá)到7mm后，將整個(gè)體系轉(zhuǎn)移至點(diǎn)式鍛壓工作臺(tái)，用同樣的材料繼續(xù)沉積至10mm。在此基礎(chǔ)上，將材料更換為TC11并繼續(xù)點(diǎn)式鍛壓沉積至13mm，最后采用激光沉積工藝將整個(gè)體系沉積至20mm4-6。

1.1.3復(fù)合成型

針對(duì)TC4實(shí)施激光沉積處理，待沉積厚度達(dá)到5mm后，將整個(gè)體系轉(zhuǎn)移至點(diǎn)式鍛壓工作臺(tái)，用同樣的材料繼續(xù)沉積至10mm。在此基礎(chǔ)上，將材料更換為TC11，采用同樣的方法將整個(gè)體系沉積至20mm[7-9]。

1.1.4固溶處理

為改善材料塑性，通過(guò)電阻熱處理爐對(duì)TC4和TC11鈦合金粉末實(shí)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(shè)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(xiàng)材料均購(gòu)自上海中鎳實(shí)業(yè)有限公司，化學(xué)成分如表1~3所示。

1.2.2所需設(shè)備

所需設(shè)備包括FG450型光纖激光器組(深圳市非凡光電)，SX2-9-16A型電阻熱處理爐(上海捷呈)，WLS-CNC型光學(xué)顯微鏡(東莞微鈮斯)，ZC1139型掃描電子顯微鏡(上海茁彩)、UTM-0402萬(wàn)能拉伸機(jī)(承德金建)。

表1 TC4鈦合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

表2 TC11鈦合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3鈦合金基板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.3檢測(cè)和測(cè)試方法

1.3.1微觀檢測(cè)

通過(guò)光學(xué)微觀鏡觀察鈦合金材料的微觀形貌;通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)鈦合金材料進(jìn)行斷口形貌分析。

1.3.2拉伸性能測(cè)試

通過(guò)萬(wàn)能拉伸機(jī)對(duì)鈦合金材料進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，設(shè)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(cè)試結(jié)果

2.1 4TC4/TC11鈦合金拉伸性能測(cè)試結(jié)果

TC4/TC11鈦合金的拉伸性能測(cè)試結(jié)果如圖2所示。根據(jù)圖2可知，點(diǎn)式鍛壓工藝能夠顯著提升TC4/TC11鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，點(diǎn)式鍛壓成型鈦合金相較于激光成型鍛件的抗拉強(qiáng)度增加了105.2%，屈服強(qiáng)度增加了116.4%，延伸率則有所降低。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于，TC4/TC11鈦合金在點(diǎn)式鍛壓工藝下存在內(nèi)部殘余應(yīng)力，后續(xù)的激光沉積無(wú)法充分釋放材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，致使成型件出現(xiàn)加工硬化[10-11]。除此之外，激光成型工藝在快速冷卻的過(guò)程中釋放大量熱應(yīng)力，致使合金內(nèi)部出現(xiàn)較多片層狀的a相微觀組織，降低了TC4/TC11鈦合金的延伸率[12-13]。為提高該材料的延伸率，使其在工業(yè)加工過(guò)程中體現(xiàn)出更加理想的塑性，研究思路為對(duì)TC4和TC11鈦合金粉末實(shí)施固溶處理。

2.2固溶處理對(duì)鈦合金微觀組織的影響

以TC11鈦合金為例，該材料在經(jīng)過(guò)固溶處理后的表面微觀形貌如圖3所示。根據(jù)圖3(b)可知，在固溶溫度由930℃增加至950℃的過(guò)程中，合金材料的a相體現(xiàn)出了更加明顯的球化特征,a相寬度也隨之提升;根據(jù)圖3(c)可知,在固溶溫度達(dá)到970℃的情況下，合金材料內(nèi)部晶粒主要表現(xiàn)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(xì)小。

2.3固溶處理對(duì)TC4/TC11鈦合金拉伸性能的影響

經(jīng)過(guò)固溶處理的TC4/TC11鈦合金拉伸性能測(cè)試結(jié)果如表4所示。鈦合金的塑性與強(qiáng)度主要與其內(nèi)部所含有的α相有關(guān)，α相的寬度與材料強(qiáng)度成反比，與塑性成正比[14?15]。根據(jù)表4可知，在固溶溫度逐漸增加的過(guò)程中，激光成型的鈦合金強(qiáng)度呈先降后升的趨勢(shì)，延伸率走勢(shì)則相反。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于，鈦合金內(nèi)部的a相含量隨固溶溫度的提升而增加，β相含量相對(duì)減少，在增加合金材料強(qiáng)度的同時(shí)也降低了延伸率[16-17]。而在固溶溫度達(dá)到970℃的情況下，a相的長(zhǎng)寬比隨之下降，出現(xiàn)等軸狀和棒狀a相，合金材料延伸率得到提升，塑性得到改善。

在點(diǎn)式鍛壓成型工藝方面，TC4/TC11鈦合金強(qiáng)度在固溶溫度增加過(guò)程中呈現(xiàn)出先降后升的趨勢(shì)。當(dāng)固溶溫度為930℃時(shí)，合金材料內(nèi)部的a相較為狹長(zhǎng)，在固溶溫度提升至950℃后，合金材料內(nèi)部因點(diǎn)式鍛壓所造成的形變得到恢復(fù)，a相呈板條狀且相對(duì)含量增加，致使材料的強(qiáng)度隨之下降[18-19]。在固溶溫度達(dá)到970℃的情況下，材料內(nèi)部的a相重新恢復(fù)到均勻且狹長(zhǎng)的狀態(tài)，晶界處出現(xiàn)等軸a相，使得合金材料的強(qiáng)度得到顯著提升。

表4不同固溶溫度下鈦合金的拉伸性能測(cè)試結(jié)果

2.4固溶處理對(duì) TC4/TC11鈦合金斷口形貌的影響

經(jīng)過(guò)固溶處理的TC4/TC11鈦合金微觀斷口形貌如圖4~6所示。根據(jù)圖4可知，經(jīng)過(guò)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(nèi)部存在沿晶斷裂，塑性不足。

根據(jù)圖5可知，經(jīng)過(guò)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(nèi)部呈現(xiàn)出塑性斷裂特征。

根據(jù)圖6可知，經(jīng)過(guò)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(méi)有明顯的解理平臺(tái)，韌窩均勻且深度更大，材料內(nèi)部呈現(xiàn)出韌性斷裂特征，塑性得到了顯著改善。

3、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了點(diǎn)式鍛壓激光工藝在鈦合金加工成型處理中的應(yīng)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(jīng)拉伸后發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)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(duì)TC4和TC11兩種鈦合金粉末實(shí)施固溶處理。經(jīng)微觀形貌觀察后發(fā)現(xiàn)，隨著固溶溫度的提升，合金材料內(nèi)部的α相形態(tài)得到顯著改善，且斷面韌窩深度隨之提升。當(dāng)固溶溫度達(dá)到970℃時(shí)，合金材料內(nèi)部呈現(xiàn)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(diǎn)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(chǔ)上有效提升其拉伸性能。

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（注，原文標(biāo)題：TC4/TC11鈦合金成型工藝比較及性能分析）

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