激光增材TB6鈦合金板拉伸組織演變：β 晶界裂紋抑制與 α 簇物相及滑移帶調控

引言

TB6鈦合金是一種由α相與β相組成的材料，因具備優(yōu)異綜合性能（高強度與耐腐蝕），在航空元件?高精度設備和機電設備行業(yè)中都發(fā)揮著舉足輕重的作用[1]。但由于鈦合金的加工難度較大，導致鈦合金造價比鋼鐵成本高出近10倍，限制了進一步應用推廣。鈦合金TB6是一個物相轉變成分，采用分層累加的成型方式生產制品時會出現底部凝固組織轉異化的問題，生成特定方向具有凝固傾向性的組織[2]。目前，許多研究人員都對鈦合金TB6進行了相關研究。李懷學等[3]研究TB6鈦合金沉積態(tài)的沉積態(tài)組織為等軸晶，拉伸斷口為沿晶/穿晶混合斷裂方式，發(fā)現熱等靜壓工藝可以有效調控激光直接沉積TB6鈦合金的組織及性能。李長富等[4]研究不同熱處理對激光沉積制造TB6鈦合金力學性能的各向異性影響，激光沉積制造鈦合金組織中原始β晶粒形狀與初生α相，熱處理后力學性能得到加強。

激光技術是將光源聚焦到的能量作用到粉末上使其融化成型的方法，實現對粉末加熱和熔融的增材制造[5]。但這種激光加工方式易引起縫隙缺陷，產生的氣相可能在冷卻階段混入金屬液體內形成氣泡，導致不可融合缺陷出現。這些冶金成型問題是初始裂紋的主要形成原因。張文博等[6]通過增材制造TC4鈦合金，通過高溫退火對激光增材件的組織和力學性能進行加強，使得顯微硬度下降，抗拉強度略有增加，屈服強度略有下降。韋玉堂等[7]選擇激光熔覆技術在GH586合金表面制得了CoCrAlSiHf涂層，涂層包含網狀結構組織，在晶界上形成大量微裂紋結構，實施氧化處理后得到了含有許多微孔結構的氧化膜。

到目前為止，許多研究人員都已開展關于TB6鈦合金的拉伸特性研究，而對TB6鈦合金的斷裂機理開展的研究工作主要還是從斷裂區(qū)微觀組織特征并結合相應的力學行為進行推測，很少有人研究有關TB6鈦合金的在線拉伸試驗工作。本文在前人研究的基礎上，通過激光增材技術制備TB6鈦合金，并對試樣拉伸組織演變開展實驗測試分析。

1、實驗材料和方法

本研究選擇外徑尺寸介于50~200μm的合適TB6鈦合金板。采用常規(guī)制造方式如鑄造和鍛造方式時，都會產生大量廢渣，從而降低利用率，尤其是在鑄造生產過程中容易出現縮孔現象，這增加了制造難度[8]。激光增材工藝是依靠激光熱量將熔池中合金粉末進行升溫熔融，同時持續(xù)向熔池內增加合金粉末，分層累加后達到形成立體增材試樣的效果。激光增材是通過光纖激光器往復掃描來完成對TB6合金粉末加熱的目的，參數設定為：掃描速度(800~1200)mm/min，束斑直徑8mm，粉末輸送量900g/h，厚度0.7μm，控制氬氣通入。激光增材制造現場圖片見圖1。

本實驗采用與激光走刀相同方向進行刻蝕的方式，獲得形狀規(guī)則與尺寸46mm×5mm×0.7mm的拉伸鈦合金試驗塊。采用Al₂O₃粉末顆粒對鈦合金不規(guī)則粗糙面進行磨削，經過上述處理后的磨制表面形成了平整?光滑且具有反射光澤的金屬外觀。最后在室溫下放置24h后，再對表面采用高純N₂吹掃清理殘余水分。

拉伸形變在AGS-X10KN電子萬能試驗機上進行，拉伸試樣厚度1mm，標距長為25mm，拉伸速率0.1mm/min，每組試樣試驗三次取均值。利用JSM-6360LV掃描電鏡表征試樣的組織演變。

2、實驗結果與討論

2.1TB6鈦合金的組織形貌

激光增材制造TB6鈦合金的SEM圖像見圖2。從圖2可以觀察到：在當前條件下合金材料中形成了大量柱狀β晶組織，并且排列方向與堆積取向是相同的。這是因為激光增材時存在較大的熱梯度，進而引發(fā)垂直物相表面發(fā)生了熱流，此時在熱流的作用下，堆積層形貌會產生排列增長，導致排列增長方向與堆積取向一致[9]。從微觀結構層面進行分析可以觀察到合金組織構型，β晶界形成了垂直形態(tài)分布結構，而β晶附近則形成了大量平行分布的α晶塊和α簇物相，α相組織長寬比約為[原文未明確數據]，實際冷卻速度并不快。

2.2拉伸變形過程

不同拉伸位移下TB6鈦合金滑移帶的SEM圖像見圖3。圖3顯示：合金拉伸位移550μm中已經開始出現大量滑移帶，并沿著與β晶界相同的方向進行延展，見圖3(a)；隨著變形程度的加大，形成了更加無序排列的組織結構，見圖3(b)。由于鈦合金α和β相存在非常明顯的晶體結構差異，因此在塑性變形期間，兩者并不能夠形成良好的協(xié)調配合，致使最初出現在α相內的滑移組織基本都發(fā)生于α相表面層，而當位移量繼續(xù)增大時，可以看到此時合金中形成了無規(guī)則排布的晶粒，且滑移方向出現了顯著改變，從而形成交錯型滑移帶[10]。隨著滑移帶的占比持續(xù)增加后，合金中組織結構開始從平坦化特征變形為有著明顯高低結構的形態(tài)，并且伴隨α組織片層發(fā)生扭卷與延伸現象。

隨著拉伸位移的增加，α相變得較復雜，β晶界出現了明顯下陷的現象，產生了凸起結構的β晶組織，且伴隨著裂紋的形成。初生β晶界上產生了清晰的微裂紋，并沿約45°角的方向分布在β晶界上，裂紋沿著β晶界進一步擴展，并在β晶界上方形成了裂紋條帶。拉伸位移增加到800μm后，裂紋仍沿β晶界擴展，說明β晶界對于裂紋擴展起到了明顯抑制作用。黃琪等[10]研究激光增材修復鈦合金的組織及力學性能，熱影響區(qū)組織呈現由雙態(tài)組織向網籃組織的過渡特征，拉伸斷口特征斷裂機制為混合型斷裂。

當發(fā)生斷裂后，靠近孔洞部分有眾多β晶界發(fā)生斷裂，但斷裂過程并非沿著滑帶方向，與β晶界長大方向接近。對拉伸斷口區(qū)域進行分析時，未觀察到頸縮區(qū)，此時β晶都垂直于拉力方向，對拉力的傳遞起到了阻礙作用，從而導致合金伸長率的減小，形成明顯的剪切斷口特征[11]。隨著變形程度的加大，形成了更加無序排列的組織結構[12]。當以較快速度降低溫度時，殘留β相就沿堆積取向進行垂直成長，使裂紋更傾向于沿β晶界發(fā)生擴展。

3、結論

本文開展激光增材制造TB6鈦合金拉伸組織演變研究，取得如下有益結果：

合金中形成了大量柱狀β晶組織，β晶界形成了垂直形態(tài)分布結構，β晶附近形成了大量平行分布的α晶塊和α簇物相。

合金中開始出現大量滑移帶，沿著與β晶界相同的方向進行延展。隨著滑移帶的占比持續(xù)增加后，合金中伴隨α組織片層發(fā)生扭卷與延伸。

參考文獻

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