前言

大型TC4鈦合金構(gòu)件制造技術(shù)已被公認(rèn)為是飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等重大裝備制造的核心關(guān)鍵技術(shù)之一，鍛造成形是該類鈦合金零件加工的主要方法之一[1，2]，但是目前面對(duì)集成度、精細(xì)度越來越高的大型復(fù)雜鈦合金構(gòu)件，整體鍛壓成形的傳統(tǒng)制造技術(shù)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的制造要求。尤其是在航空航天領(lǐng)域，如新型飛機(jī)主承力大型結(jié)構(gòu)件，其局部存在薄壁高筋、異形凸耳等復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)，其成形對(duì)設(shè)備噸位要求極高，且制造效率低下，成本極高。近年來，塑性成形與其他技術(shù)交叉及結(jié)合的方法不斷涌現(xiàn)，其中將增材制造與鍛造技術(shù)相結(jié)合的方法，充分發(fā)揮增材制造高性能、精細(xì)化、柔性化的特點(diǎn)和傳統(tǒng)技術(shù)制造不規(guī)則構(gòu)件的成本、效率優(yōu)勢(shì)，符合航空航天等國之重器領(lǐng)域中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件對(duì)高效率、低成本、高性能制造技術(shù)的迫切需求[3-7]。若將增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)制造成形相結(jié)合，在傳統(tǒng)鍛壓獲得的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的大型零部件上激光增材制造成形局部尺寸相對(duì)較小的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這將是制造這一類零構(gòu)件高效的、低成本的復(fù)合制造手段。但目前國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域的相關(guān)研究剛起步，尚未見到復(fù)合制造TC4鈦合金構(gòu)件工程應(yīng)用的報(bào)道[1，6，8，9]。

1、TC4鈦合金激光增材復(fù)合制造研究

進(jìn)展復(fù)合成形工藝研究基于激光沉積制造技術(shù)（LDM）和激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM），張力書[10]、王維[6]研究了TC4鈦合金LDM要SLM復(fù)合成形工藝，討論了復(fù)合成形過程中組織演變規(guī)律及復(fù)合件組織對(duì)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在合適的激光混合制造工藝參數(shù)條件下，獲得TC4鈦合金復(fù)合件無明顯缺陷，符合成形件標(biāo)準(zhǔn)。

曹銘[11]研究了TC4鈦合金鍛件上LMD成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合制造工藝，通過調(diào)整工藝參數(shù)、不同預(yù)處理工藝及熱處理制度，得到該復(fù)合制造工藝最佳工藝參數(shù)為為激光功率激光功率5000W、掃描速度1200mm/min、送粉速度750g/h、搭接率50%；TC4鈦合金鍛件表面最佳結(jié)合表面質(zhì)量為粗糙度Ra=25；熱處理制度為940℃，30min+560℃，4h，空冷，可獲得最佳力學(xué)性能。

王亞輝等[1]研究了LSF（激光立體成形技術(shù)）和鍛造TC4鈦合金復(fù)合成形工藝，采用單向拉伸等實(shí)驗(yàn)對(duì)復(fù)合成形件性能進(jìn)行測(cè)試，采用金相顯微鏡、電子顯微鏡等表征手段對(duì)其微觀組織以及拉伸斷口進(jìn)行顯微觀察，發(fā)現(xiàn)激光功率為1000W條件成形的復(fù)合件，其室溫抗拉強(qiáng)度為1091MPa，屈服強(qiáng)度995MPa，能達(dá)到鍛造基體水平拉伸性能最好，且復(fù)合制造TC4結(jié)合區(qū)的熱影響區(qū)（0.2mm）由組織明顯不同的過渡區(qū)1和過渡區(qū)2構(gòu)成，與其經(jīng)歷的熱影響具體過程有關(guān)。

王瑞等[12]以飛機(jī)TC4鈦合金連接箱體這種帶局部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵金屬構(gòu)件為典型應(yīng)用對(duì)象，研究在退火態(tài)TC4鍛件傳統(tǒng)制造基體上激光立體成形（LSF）局部復(fù)雜/精細(xì)結(jié)構(gòu)的復(fù)合制造工藝，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率為1500W，掃描速度為15mm/s，基體預(yù)熱溫度為400℃時(shí)，可以制造出合格零件（圖1），同時(shí)，大大地縮短了制造時(shí)間，降低了材料用量，提升了制造效率。

2、TC4鈦合金復(fù)合件成形組織演變規(guī)律及力學(xué)性能研究

朱言言等[13]以TC4鈦合金鍛件作為基體，采用不同單層層厚的兩種典型增材工藝參數(shù)激光選區(qū)熔化（SLM）制備出復(fù)合制造TC4鈦合金試樣，通過金相和掃描組織表征、室溫拉伸測(cè)試及斷口形貌觀察，分析兩種工藝的復(fù)合制造TC4試樣顯微組織和拉伸性能特征，揭示了梯度組織結(jié)合區(qū)的組織形成機(jī)理和變形行為，獲得鍛造+激光選區(qū)熔化復(fù)合制造TC4鈦合金的成形工藝參數(shù)和組織性能調(diào)控方法。

張力書[10]基于激光沉積制造（LDM）技術(shù)與選區(qū)激光熔融（SLM）技術(shù)，研究了LDM-SLM復(fù)合成形TC4鈦合金組織與性能，討論了LDM-SLM復(fù)合成形TC4鈦合金沉積過程中的組織演變規(guī)律，并研究了組織對(duì)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，LDM-SLM復(fù)合成形Ti-6Al-4V合金試樣沉積態(tài)顯微組織是由底部的SLM區(qū)細(xì)長(zhǎng)針狀α'馬氏體經(jīng)熱影響區(qū)過渡到頂部的LDM區(qū)細(xì)長(zhǎng)α板條。沉積態(tài)SLM成形Ti-6Al-4V鈦合金試樣全部由細(xì)長(zhǎng)針狀α'馬氏體組成，沉積態(tài)LDM成形Ti-6Al-4V鈦合金試樣主要由細(xì)長(zhǎng)α板條及少量β相與針狀α'馬氏體組織；復(fù)合成形試樣力學(xué)性能呈現(xiàn)明顯的各向異性：橫向取樣的抗拉強(qiáng)度極限與屈服強(qiáng)度高于縱向取樣，而塑性相反。

ZhaoZhuang等[14]采用LSF工藝修復(fù)鍛造TC4鈦合金基材，觀察分析了修復(fù)件的顯微組織和力學(xué)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，修復(fù)態(tài)TC4鈦合金的宏觀組織可以分為三個(gè)區(qū)域：LDZ（激光沉積區(qū)域）、HAZ（熱影響區(qū)）和SZ（基體區(qū)域）。LDZ區(qū)域的微觀組織總體上呈現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)變：底部是由網(wǎng)籃組織和魏氏體組織組成的復(fù)合形貌，而頂部完全呈針狀魏氏體形貌。

MaJ等[15]研究了Ti-6Al-4V合金鍛件和LSF激光增材復(fù)合成形件熱影響區(qū)域（HAZ）的的微觀組織和力學(xué)性能。結(jié)果表明，由于不同的熱影響，HAZ區(qū)域的微觀組織從下到上呈現(xiàn)梯度變化（圖2）。HAZ底部區(qū)域呈等軸α相和層狀α相雙重組織。HAZ中部區(qū)域析出大批次生α相；而在HAZ上部區(qū)域，為魏氏組織，含有更細(xì)的層狀α相。拉伸性能的測(cè)量表明，結(jié)合區(qū)域較基體和增材區(qū)具有更高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，但伸長(zhǎng)率較低。所有拉伸試樣的斷裂位置都位于基體和遠(yuǎn)離熱影響區(qū)的位置，這進(jìn)一步表明HAZ次生α相的形成對(duì)高強(qiáng)度有極大的貢獻(xiàn)。

3、TC4鈦合金復(fù)合件成形件熱處理研究

Zhang等[16]研究了熱處理對(duì)LSF成形的TC4鈦合金微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響：固溶4~8h，固溶溫度在β轉(zhuǎn)變線下20~50℃，時(shí)效4~8h，時(shí)效溫度在550~600℃能得到最好的力學(xué)性能增材結(jié)構(gòu)件。WangW等[17]基于激光沉積制造（LDM），對(duì)具有特殊設(shè)計(jì)的V形槽的Ti-6Al-4V鈦合金鍛件進(jìn)行連接，然后對(duì)接頭進(jìn)行熱處理，并對(duì)熱處理后的沉積區(qū)和基板組織及力學(xué)性能進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)，熱處理對(duì)結(jié)合區(qū)α相和β相的比值、大小和分布有明顯的影響。沉積態(tài)原樣和固溶+時(shí)效處理態(tài)接頭件抗拉強(qiáng)度更高，而時(shí)效態(tài)和退火態(tài)試樣強(qiáng)度較低（圖3），并低于基體的強(qiáng)度，但熱處理工藝對(duì)接頭的塑性幾乎沒有影響。合適的熱處理工藝可以同時(shí)滿足基體和接合區(qū)力學(xué)性能的要求。

張力書[10]針對(duì)LDM-SLM復(fù)合成形試樣進(jìn)行退火等熱處理，對(duì)其組織演變進(jìn)行分析，試樣經(jīng)退火處理后，復(fù)合成形試樣的SLM區(qū)與LDM區(qū)均主要由α相、β相及少量α'馬氏體組成。隨著退火溫度的升高，復(fù)合成形試樣強(qiáng)度略有降低但塑性明顯提高，斷裂方式由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢饫戆腠g性斷裂。當(dāng)退火溫度為850℃時(shí)，出現(xiàn)雙頸縮現(xiàn)象，綜合性能明顯改善；隨著循環(huán)熱處理次數(shù)的增加，細(xì)長(zhǎng)針狀α'馬氏體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣料嗯c次生β相，且α相不斷發(fā)生粗化，且LDM區(qū)、SLM區(qū)及熱影響區(qū)的α相長(zhǎng)寬比逐漸減小，顯微硬度逐漸減小，塑性得到明顯改善。

結(jié)束語

近年來，隨著激光增材制造技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)TC4鈦合金的激光增材技術(shù)進(jìn)行了更深入的研究，但是針對(duì)TC4鈦合金激光復(fù)合制造的深入研究還較少，目前僅停留在復(fù)合件不同區(qū)域的微觀組織和拉伸性能的對(duì)比研究，在復(fù)合件的內(nèi)部缺陷控制技術(shù)、缺陷無損檢測(cè)、高溫力學(xué)性能（蠕變、疲勞等）及整體適應(yīng)性熱處理等方面還需作進(jìn)一步研究。

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