鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、線膨脹系數(shù)低、生物相容性好等特點(diǎn)，因此被廣泛用于航空航天、能源化工和核工業(yè)等領(lǐng)域[1]。不銹鋼是應(yīng)用最廣泛的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料，其力學(xué)性能優(yōu)異、生產(chǎn)使用成本較低。

鈦合金/不銹鋼復(fù)合構(gòu)件不但能充分利用鈦合金與不銹鋼兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，還可以很好地滿足現(xiàn)代裝備制造業(yè)結(jié)構(gòu)減重和材料性能多樣化的要求。由于鈦合金和不銹鋼在熔點(diǎn)、線膨脹系數(shù)、比熱容、熱導(dǎo)率等物理性能方面存在明顯的差異，鈦合金和不銹鋼在焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)受熱不均和內(nèi)應(yīng)力過(guò)大等問(wèn)題，并且鈦合金和不銹鋼直接連接容易形成多種金屬間化合物，如TiFe、TiFe2等，導(dǎo)致接頭呈現(xiàn)較高的脆性，難以形成可靠的連接[2]。

目前，研究廣泛的激光增材制造技術(shù)可分為選區(qū)激光熔化技術(shù)（SLM）和激光直接能量沉積技術(shù)（LDED）[3]。

相比于選區(qū)激光熔化技術(shù)（SLM），LDED技術(shù)可根據(jù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，激光頭可精確靈活地進(jìn)行空間曲面運(yùn)動(dòng)，適用的范圍更廣。越來(lái)越多的研究采用LDED技術(shù)來(lái)解決鈦合金/不銹鋼異種金屬連接難題。Yang等人[4]采用LDED技術(shù)，將316L不銹鋼與Ti6Al4V直接進(jìn)行連接，研究結(jié)果表明，將鈦合金和不銹鋼直接連接會(huì)在界面處產(chǎn)生強(qiáng)烈的反應(yīng)區(qū)，生成大量的TiFe金屬間化合物，采用較大的激光功率和較小的掃描速度會(huì)促進(jìn)鈦合金與不銹鋼之間的元素?cái)U(kuò)散，在較短的時(shí)間內(nèi)，不銹鋼側(cè)形成了大量的長(zhǎng)條形β-Ti以及TiFe金屬間化合物。目前LDED技術(shù)用于鈦合金/不銹鋼連接尚在起步階段，對(duì)于增材制造缺陷控制及元素?cái)U(kuò)散行為缺少系統(tǒng)深入的研究。

因此，基于上述研究現(xiàn)狀，針對(duì)Ti-4Al-2V鈦合金/321不銹鋼異種金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)，文章采用V/Cr中間層，開(kāi)展LDED增材制造工藝試驗(yàn)，對(duì)異種金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件進(jìn)行缺陷控制及元素?cái)U(kuò)散行為研究，通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化，獲得成形良好的異種金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件，為鈦合金/不銹鋼異種金屬連接的應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1、實(shí)驗(yàn)材料與方法

如圖1所示，采用粒徑為53~150μm的321不銹鋼粉末、Ti-4Al-2V粉末、純V粉末及純Cr粉末作為試驗(yàn)原材料，純金屬粉末的純度≥99.9%。

試驗(yàn)用LDED成形設(shè)備由FL020C型光纖激光器、六軸KR30HA機(jī)器人等系統(tǒng)組成，輸出功率最高可達(dá)2000W，激光光斑直徑為2mm，LDED試驗(yàn)示意圖，如圖2所示。試驗(yàn)前對(duì)粉末進(jìn)行烘干處理，使用砂紙打磨并用酒精清潔基板，去除其表面污染物，試驗(yàn)在含氧量低于50ppm的氬氣環(huán)境中進(jìn)行。不同材料層的LDED工藝參數(shù)，如表1所示。打印完成后采用電離雙束掃描電子顯微鏡及其配套的EDS儀進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)微觀組織表征及元素?cái)U(kuò)散分析，采用XRD衍射儀對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行微區(qū)物相分析。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1激光功率對(duì)中間層缺陷的影響

LDED具有快速熔化快速凝固的特點(diǎn)，增材過(guò)程中粉末中的氣體或保護(hù)氣體進(jìn)入了熔池，熔池快速冷卻時(shí)氣體來(lái)不及逸出從而形成了氣孔缺陷。氣孔通常形狀規(guī)則，尺寸較小，呈球形或類球形。為了盡可能消除未熔合及氣孔缺陷，在LDED前應(yīng)對(duì)粉末進(jìn)行烘干處理，在LDED過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)增大激光功率，以保證足夠的熱輸入及熔池存在時(shí)間，利于氣體逸出[5]。在321不銹鋼/Cr/V復(fù)合結(jié)構(gòu)中采用不同激光功率制備V層，研究不同激光功率對(duì)中間層缺陷的影響。

當(dāng)激光功率為400W時(shí)，V層上有一些微小的裂紋以及未熔孔，復(fù)合結(jié)構(gòu)相鄰兩層的界面結(jié)合良好，無(wú)明顯缺陷，如圖3（a）所示。當(dāng)激光功率為500W時(shí)，V層存在裂紋缺陷，并且存在微小的孔洞，如圖3（b）所示。當(dāng)激光功率為600W時(shí)，V層裂紋減少，孔洞數(shù)量也有所減少，如圖3（c）所示。當(dāng)激光功率為700W時(shí)，V層質(zhì)量較好，該工藝下缺陷數(shù)量最少，僅有一些微小孔洞，V/Cr結(jié)合界面處成型良好，如圖3（d）所示。當(dāng)激光功率為800W時(shí)，Cr與V中間層上面出現(xiàn)了一條貫穿裂紋，還出現(xiàn)一些密集的孔隙如圖3（e）所示。由于沉積V層800W的激光功率較高，增材過(guò)程中中間層的熱應(yīng)力較大，冷卻后中間層出現(xiàn)了開(kāi)裂的現(xiàn)象。通過(guò)開(kāi)展激光功率對(duì)中間層缺陷的影響研究，沉積V層的最優(yōu)功率為700W。

2.2打印順序?qū)χ虚g層缺陷的影響

以321不銹鋼→Cr→V→鈦合金的打印順序制備了異種金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)。采用SEM對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了微觀組織表征，如圖4所示。

結(jié)果表明，鈦合金在V層上的成型質(zhì)量較差，界面處存在較多的大尺寸孔洞，復(fù)合結(jié)構(gòu)邊緣出現(xiàn)了開(kāi)裂的現(xiàn)象，同時(shí)V/Cr中間層中也存在微孔缺陷。采用鈦合金→V→Cr→321不銹鋼的打印順序制備了異種金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)，各層打印的工藝參數(shù)，如表1所示。采用SEM對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了微觀組織表征，如圖5所示。結(jié)果表明，復(fù)合結(jié)構(gòu)的整體成型質(zhì)量較好，V/Cr中間層存在少量的氣孔缺陷，復(fù)合結(jié)構(gòu)Cr層的邊緣處存在裂紋。調(diào)整打印順序后，以鈦合金作為基底層的復(fù)合結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量得到了較好地改善。通過(guò)開(kāi)展打印順序?qū)χ虚g層缺陷的影響研究，采用鈦合金→V→Cr→321不銹鋼的打印順序?yàn)樽顑?yōu)成形順序。

2.3激光重熔對(duì)中間層缺陷的影響

激光重熔的作用是在打印過(guò)程中對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)熱，減小打印過(guò)程中復(fù)合結(jié)構(gòu)的溫度梯度，降低冷卻速度，在一定程度上釋放熱應(yīng)力，從而避免裂紋的產(chǎn)生。本文采用鈦合金→V→Cr→321不銹鋼的打印順序，各層打印的工藝參數(shù)如表1所示（V層激光功率為700W），在沉積完V層之后立即進(jìn)行一次激光重熔處理（處理1），在沉積Cr層之前對(duì)V層再進(jìn)行一次激光重熔處理（處理2）。圖6展示了未進(jìn)行激光重熔處理的復(fù)合結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示Cr層垂直裂紋較多，且在兩側(cè)均出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，V層存在一些孔洞缺陷，復(fù)合結(jié)構(gòu)中間層的成型質(zhì)量較差。

圖7展示了兩次激光重熔處理后（處理1+處理2）的復(fù)合結(jié)構(gòu)。在激光重熔后，Cr層中的垂直裂紋幾乎消除，V層未見(jiàn)孔洞缺陷，復(fù)合結(jié)構(gòu)整體的成型質(zhì)量較好。結(jié)果表明，激光重熔處理有利于消除中間層中的裂紋及氣孔缺陷，可以有效地解決復(fù)合結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量問(wèn)題。通過(guò)開(kāi)展激光重熔對(duì)中間層缺陷的影響研究，對(duì)V層進(jìn)行激光重熔為最優(yōu)打印策略。

2.4復(fù)合結(jié)構(gòu)元素?cái)U(kuò)散行為研究

鈦合金中的Ti元素會(huì)和不銹鋼中的Fe元素易形成TiFe、TiFe2等脆性金屬間化合物，在冷卻過(guò)程中，又會(huì)因鈦合金與不銹鋼的線膨脹系數(shù)不匹配而導(dǎo)致接頭中形成較大內(nèi)應(yīng)力，在內(nèi)應(yīng)力的作用下，硬脆的金屬間化合物易開(kāi)裂形成裂紋，從而嚴(yán)重降低復(fù)合結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量。為避免脆性金屬間化合物的形成，本文以V、Cr為中間層，研究不同中間層厚度的復(fù)合結(jié)構(gòu)元素?cái)U(kuò)散行為。

圖8（a）（b）（c）分別展示了1層V+1層Cr、2層V+2層Cr、3層V+3層Cr復(fù)合結(jié)構(gòu)的EDS結(jié)果。3種復(fù)合結(jié)構(gòu)的EDS面掃及線掃結(jié)果均表現(xiàn)出元素分布的梯度變化現(xiàn)象，復(fù)合結(jié)構(gòu)相鄰兩層之間存在一定的元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象。由圖8（a）可知，在V層及Cr層中存在較多的Ti元素，說(shuō)明1層V+1層Cr中間層結(jié)構(gòu)對(duì)于Ti元素的阻隔效果有限。由圖8（b）可知，Ti元素在V層及Cr層中有少量的擴(kuò)散，2層V+2層Cr中間層結(jié)構(gòu)對(duì)Ti元素有一定的阻隔效果。由圖8（c）可知，在V層及Cr層中幾乎觀察不到Ti元素，說(shuō)明3層V+3層Cr中間層結(jié)構(gòu)對(duì)Ti元素的阻隔效果較好。

表2匯總了3種不同厚度中間層的復(fù)合結(jié)構(gòu)的點(diǎn)掃結(jié)果，點(diǎn)掃區(qū)域選取如圖8（a）（b）（c）所示。在1層V+1層Cr的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，Cr層中Ti元素原子百分比為1.80%，不銹鋼層中Ti元素原子百分比為1.03%；2層V+2層Cr的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，Cr層中Ti元素原子百分比為0.42%，不銹鋼層中Ti元素原子百分比為0.47%；3層V+3層Cr的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，Cr層中Ti元素原子百分比為0.04%，不銹鋼層中Ti元素原子百分比為0.42%。結(jié)果表明，中間層的厚度越大，對(duì)于復(fù)合結(jié)構(gòu)中的Ti、Fe元素?cái)U(kuò)散的阻隔效果越明顯。

采用微區(qū)XRD對(duì)2層V+2層Cr復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣的不銹鋼-Cr界面，V-Cr界面，鈦合金-V界面進(jìn)行了物相分析，測(cè)試區(qū)域面積為0.5mm×0.5mm，如圖9所示。結(jié)果表明，在不銹鋼-Cr界面上檢測(cè)到（αFe、Cr）和γFe的衍射峰，（αFe、Cr）是Fe與Cr形成的固溶體，為BCC結(jié)構(gòu)，γFe為奧氏體FCC結(jié)構(gòu)。在V-Cr界面上檢測(cè)到（V，Cr）固溶體的衍射峰。在鈦合金-V界面上檢測(cè)到αTi、純V以及（β-Ti，V）的衍射峰。由于鈦合金與321不銹鋼之間添加了V/Cr作為中間層，在復(fù)合結(jié)構(gòu)中檢測(cè)到大量的固溶體，微區(qū)XRD結(jié)果表明，復(fù)合結(jié)構(gòu)沒(méi)有觀察到Ti-Fe金屬間化合物。因此，當(dāng)V層及Cr數(shù)量各為2層時(shí)，可以有效地阻隔Ti元素?cái)U(kuò)散至321不銹鋼層，避免脆性金屬間化合物的生成。

3、結(jié)論

（1）隨著激光功率的增加，復(fù)合結(jié)構(gòu)的V層中的裂紋及孔洞缺陷先減少后增加，當(dāng)沉積V層的激光功率為700W時(shí)，復(fù)合結(jié)構(gòu)中間層的成型質(zhì)量最佳。

（2）通過(guò)改變復(fù)合結(jié)構(gòu)的打印策略，打印順序從321不銹鋼→Cr→V→鈦合金調(diào)整為鈦合金→V→Cr→321不銹鋼，復(fù)合結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量得到較好地改善。

（3）對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行兩次激光重熔處理，降低打印過(guò)程中的溫度梯度，減小冷卻速率，消除了中間層中的裂紋及氣孔缺陷，有效地解決了復(fù)合結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量問(wèn)題。

（4）復(fù)合結(jié)構(gòu)元素分布為梯度變化，相鄰各層之間存在元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象，中間層厚度越大，對(duì)Ti、Fe元素?cái)U(kuò)散的阻隔效果越明顯。微區(qū)XRD結(jié)果表明，復(fù)合結(jié)構(gòu)中沒(méi)有觀察到脆性相，當(dāng)V層及Cr層各為2層時(shí)，可以有效地阻隔Ti元素?cái)U(kuò)散至不銹鋼層，避免脆性金屬間化合物的生成。

（5）文章的研究結(jié)果為L(zhǎng)DED技術(shù)制備鈦合金/不銹鋼異種金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論基礎(chǔ)，更有利于進(jìn)一步促進(jìn)鈦合金/不銹鋼異種金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用。

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