TC4鈦合金組成為Ti-6Al-4V，屬于（α+β）型鈦合金，由于具有密度低、比強(qiáng)度高、優(yōu)良的耐腐蝕性能和較好的焊接性能等而被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，其使用量已經(jīng)達(dá)到世界鈦消費(fèi)品的50%以上。傳統(tǒng)鈦合金的制造技術(shù)由于存在需要大型鍛壓設(shè)備、材料利用率低和難易制造復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件等問(wèn)題而在一定程度上限制了諸如TC4鈦合金等的應(yīng)用。3D打?。ㄔ霾闹圃欤┛焖俪尚渭夹g(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)體零部件的制備，具有快速性、低成本、高柔性和高集成化等特性而被關(guān)注。國(guó)內(nèi)外在送粉式3D打印鈦合金的研究多集中在組織控制和成形性能上，通過(guò)后續(xù)的熱處理可以獲得性能良好的成形件，但是絕大多數(shù)采用的是CO₂激光或者旁軸送粉，而采用光纖激光+同軸送粉方式的研究較少[1-2]。因此，本文采用同軸送粉的沉積方式研究了成形工藝和熱處理工藝對(duì)3D打印TC4鈦合金組織與性能的影響，為高性能TC4鈦合金的制備提供了新的途徑，并有助于3D打印鈦合金工藝的優(yōu)化與性能提升。

1、試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)基材為尺寸160mm×50mm×5mm的熱軋TC4鈦合金板材，使用前需要進(jìn)行表面去氧化膜（化學(xué)清洗法）、丙酮清洗和烘干等步驟。3D打印所用TC4粉末為采用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備的粒度為-140～+320目球形粉末，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：6.1Al、4.1V、0.14Fe、0.02C、0.02N、0.003H，余量為Ti。3D打印的主要裝備包括德國(guó)YSL-10000型光纖激光器、德國(guó)KUKA公司的六軸機(jī)械人、德國(guó)YC52同軸熔覆頭、PT2/3型雙桶送粉器以及氣體保護(hù)裝置（氬氣）等。采用同軸送粉式3D打印所采用的同軸熔覆頭焦距為200mm、聚焦光斑直徑設(shè)定為準(zhǔn)0.25mm、熔覆頭噴涂與基材之間的距離控制在11mm，在制備過(guò)程中的保護(hù)氣包括同軸保護(hù)氣6L/min、載粉氣4.5L/min以及束流氣12L/min。為了對(duì)比不同3D打印工藝參數(shù)對(duì)TC4鈦合金成形性能的影響，主要通過(guò)控制激光功率（300～800W）、掃描速度（0.12～0.60m/min）、送粉速度（0.8～7.6g/min）和掃描方向（單向和往返）來(lái)制備沉積態(tài)TC4鈦合金。采用石英管真空密閉方法對(duì)3D打印TC4鈦合金成形件進(jìn)行固溶和時(shí)效熱處理，固溶處理溫度在900～1000℃，保溫時(shí)間為1h，時(shí)效處理溫度為540℃，保溫時(shí)間為4h，都采用空冷（AC）；另一種對(duì)比熱處理工藝為950℃保溫1h后隨爐冷卻（FC）。對(duì)TC4鈦合金成形件的橫截面和縱截面進(jìn)行打磨、機(jī)械拋光，然后采用體積比HF∶HNO₃∶H₂O=1∶2∶5的腐蝕劑進(jìn)行腐蝕后，在SMZ1500體視顯微鏡上進(jìn)行低倍組織觀察。高倍組織觀察采用體積比為HF∶HNO₃∶H₂O=3∶10∶87的混合試劑腐蝕后，在OlymplusGX51光學(xué)顯微鏡上觀察；采用捷克TESCANVEGAⅡ型掃描電子顯微鏡對(duì)組織和斷口形貌進(jìn)行觀察；采用美國(guó)MTS-810液壓伺服電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)TC4鈦合金試樣進(jìn)行常溫拉伸力學(xué)性能測(cè)試，拉伸速率為1.5mm/min，以3組試樣平均值作為測(cè)試結(jié)果。

2、試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1激光功率

圖1為單向掃描方式和掃描速度為0.36m/min條件下不同激光功率下TC4鈦合金的低倍宏觀形貌?？梢钥吹?，激光功率為300W、500W和800W時(shí)的宏觀組織都為定向外延生長(zhǎng)的粗大β柱狀晶形態(tài)，但是不同激光功率下柱狀晶的尺寸存在明顯差異。當(dāng)激光功率為300W時(shí)，TC4鈦合金中β柱狀晶的晶粒尺寸約為320μm；隨著激光功率增加至500W和800W，TC4鈦合金中β柱狀晶的晶粒尺寸分別為538μm和866μm。由此可見(jiàn)，在掃描方向和掃描速度不變前提下，β柱狀晶的晶粒尺寸會(huì)隨著激光功率的增加而增大。這主要是由于隨著激光功率的增加，沉積件熔池中的溫度梯度會(huì)有所降低，在掃描速度不變情況下，合金中的晶粒尺寸會(huì)有所增大[3]。

圖2為不同激光功率下TC4鈦合金的常溫拉伸力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。隨著激光功率的增加，TC4鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都表現(xiàn)為先升高而后降低的趨勢(shì)，在激光功率為500W時(shí)取得最大值；而斷后伸長(zhǎng)率隨著激光功率的增加而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，在激光功率為800W時(shí)，TC4鈦合金的斷后伸長(zhǎng)率為4.80%。從3種激光功率下TC4鈦合金 的力學(xué)性能上來(lái)看，3D打印鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都超過(guò)了國(guó)標(biāo)GB/T6614-2014和國(guó)標(biāo)GB/T2965-1996中對(duì)鑄件和鍛件退火態(tài)的要求（抗拉強(qiáng)度≥895MPa，屈服強(qiáng)度≥825MPa），但是斷后伸長(zhǎng)率未超過(guò)鑄件（6%）和鍛件退火態(tài)（10%）的標(biāo)準(zhǔn)[4]。

2.2掃描速度

圖3為單向掃描方式和激光功率為500W條件下不同激光掃描速度下TC4鈦合金的低倍宏觀形貌?？梢钥吹?，當(dāng)掃描速度在0.36～0.60m/min時(shí)，TC4鈦合金的晶粒形態(tài)都為柱狀晶，而掃描速度為0.24m/min時(shí)的晶粒形態(tài)為柱狀晶和等軸晶。

從掃描速度對(duì)柱狀晶形態(tài)的影響上來(lái)看，當(dāng)激光掃描速度從0.24m/min增加至0.60m/min時(shí)，柱狀晶的寬度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，而柱狀晶高度逐漸增加。這主要是由于掃描速度的升高會(huì)增加熔池中的溫度梯度，熔池冷卻過(guò)程中的過(guò)冷度增加，柱狀晶寬度會(huì)減小。如果掃描速度較低（0.24m/min），熔池中的溫度梯度減小，使得固液界面和熔池內(nèi)部的形核條件接近一致就會(huì)形成等軸晶。此外，還可以發(fā)現(xiàn)，隨著掃描速度的增加，柱狀晶與掃描方向的夾角逐漸增大，在掃描速度為0.60m/min時(shí)柱狀晶與掃描方向幾乎垂直。這主要是由于掃描速度較大時(shí)，成形過(guò)程中基體上形成的溫度場(chǎng)范圍變小，晶粒會(huì)垂直于熔池中心線生長(zhǎng)，而形成了近似于與掃描方向呈90°的柱狀晶[5]。

圖4為不同掃描速度下TC4鈦合金的常溫拉伸力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。隨著掃描速度的增加，TC4鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)，而斷后伸長(zhǎng)率逐漸升高。在掃描速度為0.24m/min時(shí)TC4鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為1360MPa和1282MPa，而斷后伸長(zhǎng)率為4.25%；在掃描速度為0.60m/min時(shí)TC4鈦合金的抗拉強(qiáng) 度和屈服強(qiáng)度分別為1106MPa和1008MPa，而斷后伸長(zhǎng)率為7.15%。由此可見(jiàn)，單相掃描、激光功率500W、掃描速度0.12～0.60m/min時(shí)TC4鈦合金沉積件的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都超過(guò)了鑄件和鍛件退火態(tài)的要求，但是斷后伸長(zhǎng)率的變化范圍與不同激光功率下的沉積件相似，且都未超過(guò)鑄件和鍛件退火態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3掃描方向

圖5為激光功率為500W、掃描速度0.36m/min時(shí)單向掃描和往返掃描方式下TC4鈦合金的低倍宏觀形貌。對(duì)比分析可見(jiàn)，在其它工藝參數(shù)一定條件下，單向掃描時(shí)TC4鈦合金的柱狀晶呈現(xiàn)定向外延生長(zhǎng)趨勢(shì)，而往返掃描時(shí)TC4鈦合金的柱狀晶由定向生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p相生長(zhǎng)，且沉積層間還出現(xiàn)了一定數(shù)量的等軸晶，同時(shí)可見(jiàn)往返掃描條件下TC4鈦合 金沉積件的高度更高。這主要是因?yàn)橥祾呙钘l件下會(huì)產(chǎn)生較多的熱積累，熔池面積更大從而可以吸收更多的粉末，而單向掃描條件下的熱積累較少[6]，沉積件的高度相對(duì)較低；此外，在熱積累過(guò)程中，往返掃描時(shí)熔池中的溫度梯度會(huì)有一定程度降低，為等軸晶的形成創(chuàng)造了條件，且由于沉積層上部分的等軸晶在沉積下一層時(shí)不能完全重熔，因此，宏觀形貌中會(huì)出現(xiàn)柱狀晶和等軸晶交替的形態(tài)[7]。

圖6為單向和往返掃描條件下TC4鈦合金的常溫拉伸力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。在其它工藝參數(shù)一定條件下，激光掃描方向從單向轉(zhuǎn)變?yōu)橥祾呙?，TC4鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有所提高，但是斷后伸長(zhǎng)率卻下降較為明顯。在往返掃描方式下TC4鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為1322MPa和1250MPa，而斷后伸長(zhǎng)率為2.32%。這可能是由于往返掃描時(shí)定向外延生長(zhǎng)的柱狀晶形態(tài)發(fā)生破壞，形成了柱狀晶與等軸晶交替的形態(tài)，在拉伸過(guò)程中會(huì)有更多的晶界阻礙，而使得往返掃描沉積件具有高強(qiáng)低韌的特征[8]。

2.4固溶與時(shí)效熱處理

對(duì)沉積態(tài)和不同固溶時(shí)效熱處理工藝下的3D打印TC4鈦合金的常溫力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。沉積態(tài)TC4合金進(jìn)行910～990℃固溶+540℃時(shí)效熱處理后空冷得到的試樣的抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)強(qiáng)度有所降低，但是斷后伸長(zhǎng)率卻明顯提高；尤其是熱處理工藝為950℃/AC/1h+540℃/AC/4h時(shí)試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別達(dá)到1206MPa和1122MPa，而斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到13.42%，其強(qiáng)度和塑性都超過(guò)了國(guó)標(biāo)對(duì)TC4鈦合金鑄件和鍛件退火態(tài)的要求。相比950℃/FC/1h的熱處理，試樣的強(qiáng)度略有提高，但是斷后伸長(zhǎng)率卻大幅度降低至2.42%，明顯低于沉積態(tài)試樣。由此可見(jiàn)，通過(guò)固溶和時(shí)效熱處理可以有效改善沉積態(tài)TC4鈦合金的強(qiáng)度和塑性，熱處理后的冷卻速度對(duì)鈦合金的強(qiáng)度和塑性影響較大，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)該加以控制。

圖7為沉積態(tài)、950℃/AC/1h+540℃/AC/4h和950℃/FC/1h熱處理態(tài)TC4鈦合金的金相組織。對(duì)于沉積態(tài)TC4鈦合金，金相組織為馬氏體α'針為主的魏氏組織；經(jīng)過(guò)950℃/AC/1h+540℃/AC/4h熱處理后，金相組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)籃組織；950℃/FC/1h熱處理后金相組織轉(zhuǎn)變?yōu)殡p態(tài)組織，合金中部分α相發(fā)生球化，而另一部分仍然具有網(wǎng)籃組織特征。其中，魏氏組織的塑性和沖擊韌性較差，網(wǎng)籃組織的強(qiáng)度、塑性以及高溫蠕變性能較好，而雙態(tài)組織的強(qiáng)度較高、塑性較差[8]。對(duì)比分析爐冷和空冷方式下TC4鈦合金網(wǎng)籃組織的掃描電鏡顯微形貌，結(jié)果見(jiàn)圖8。

在空冷制度下，TC4鈦合金將發(fā)生半擴(kuò)散型相變，合金在固溶處理后得到桿狀的初生α相，隨后經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后，初生α相之間的β相會(huì)以細(xì)小次生α相形式出現(xiàn)（圖8（a））；爐冷制度下，TC4鈦合金將發(fā)生擴(kuò)散型相變，固溶處理后會(huì)由于成分偏析而形成雙態(tài)組織，合金中初生α相之間的β相由于沒(méi)有后續(xù)的時(shí)效熱處理而并沒(méi)有析出次生α相（圖8（b））；同時(shí)對(duì)比分析可見(jiàn)，爐冷制度下晶界α相和晶內(nèi)α相都要相對(duì)空冷制度下更粗大，受外力作用下的裂紋更容易在爐冷條件下的晶界處萌生和擴(kuò)展，造成合金的塑性降低。

3、結(jié)論

（1）在掃描方向和掃描速度不變前提下，β柱狀晶的晶粒尺寸會(huì)隨著激光功率的增加而增大。隨著激光功率的增加，TC4鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都表現(xiàn)為先升高而后降低的趨勢(shì)；在激光功率為500W時(shí)取得最大值；而斷后伸長(zhǎng)率隨著激光功率的增加而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。

（2）當(dāng)掃描速度在0.36～0.60m/min時(shí)，TC4鈦合金的晶粒形態(tài)都為柱狀晶。而掃描速度為0.12m/min時(shí)的晶粒形態(tài)為柱狀晶和等軸晶；當(dāng)激光功率從0.12m/min增加至0.60m/min時(shí)，柱狀晶的寬度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，而柱狀晶高度逐漸增加；隨著掃描速度的增加，TC4鈦合金板的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)，而斷后伸長(zhǎng)率逐漸升高。

（3）在其它工藝參數(shù)一定條件下，單向掃描時(shí)TC4鈦合金的柱狀晶呈現(xiàn)定向外延生長(zhǎng)趨勢(shì)。而往返掃描時(shí)TC4鈦合金的柱狀晶由定向生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p相生長(zhǎng)，且沉積層間還出現(xiàn)了一定數(shù)量的等軸晶；激光掃描方向從單向轉(zhuǎn)變?yōu)橥祾呙?，TC4鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有所提高，但是斷后伸長(zhǎng)率卻下降較為明顯。

（4）固溶+時(shí)效熱處理可以有效改善沉積態(tài)TC4鈦合金的強(qiáng)度和塑性，其強(qiáng)度和塑性都超過(guò)了國(guó)標(biāo)對(duì)TC4鈦合金鑄件和鍛件退火態(tài)的要求。

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