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

1.1TC4/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T(mén)C11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T(mén)C11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20mm[46]。

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T(mén)C11,采用同樣的方法將整個(gè)體系沉積至20mm[79]。

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。

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

（Tab.1 Chemical Composition of TC4 Titanium Alloy）

O	H	N	C	Fe	Cr	Mo	Zr	Sn	Al	其他	Ti
0.08~0.13	≤0.0125	≤0.05	≤0.05	≤0.30	3.5~4.5	3.5~4.5	1.6~2.4	1.6~2.4	4.5~5.5	≤0.30	余量
注：原文中 O 元素范圍 “0.8 ~ 0.13” 應(yīng)為筆誤，結(jié)合 TC4 合金標(biāo)準(zhǔn)成分修正為 “0.08~0.13”。

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

（Tab.2 Chemical Composition of TC11 Titanium Alloy）

O	H	N	C	Fe	V	Al	其他	Ti
≤0.20	≤0.012	≤0.05	≤0.10	≤0.30	3.5~4.5	5.6~6.8	≤0.4	余量

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

（Tab.3 Chemical Composition of Titanium Alloy Substrate）

H	N	C	Si	Fe	V	Al	O	其他	Ti
0.01	0.05	0.1	0.12	0.3	3.5~4.5	6.5~6.8	0.2	≤0.5	余量
注：原文表格存在排版錯(cuò)位，已修正元素對(duì)應(yīng)關(guān)系。

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),SX2916A型電阻熱處理爐(上海捷呈),WLSCNC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)、UTM0402萬(wàn)能拉伸機(jī)(承德金建)。

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

2.14TC4/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[1011]。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α相微觀組織,降低了TC4/TC11鈦合金的延伸率[1213]。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)鈦合金微觀組織撓跋�

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α相體現(xiàn)出了更加明顯的球化特征,α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[1415]。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α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[1617]。而在固溶溫度達(dá)到970℃的情況下,α相的長(zhǎng)寬比隨之下降,出現(xiàn)等軸狀和棒狀α相,合金材料延伸率得到提升,塑性得到改善。

表 4 不同固溶溫度下鈦合金的拉伸性能測(cè)試結(jié)果

（Tab.4 Tensile Properties Test Results of Titanium Alloy at Different Solution Temperatures）

固溶處理制度	成型工藝	延伸率 /%	抗拉強(qiáng)度 /MPa	屈服強(qiáng)度 /MPa
970℃/2h	點(diǎn)式鍛壓成型	13.5	1178	1080
970℃/2h	復(fù)合成型	15.2	1061	897
970℃/2h	激光成型	12.8	1052	883
950℃/2h	點(diǎn)式鍛壓成型	14.8	1023	973
950℃/2h	復(fù)合成型	12.6	1073	935
950℃/2h	激光成型	11.9	1011	857
930℃/2h	點(diǎn)式鍛壓成型	12.2	1101	1012
930℃/2h	復(fù)合成型	8.3	1182	1098
930℃/2h	激光成型	10.9	1035	869
注：原文表格列名存在錯(cuò)位，已根據(jù)性能指標(biāo)邏輯修正延伸率、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

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α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),α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[1819]。在固溶溫度達(dá)到970℃的情況下,材料內(nèi)部的α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α相,使得合金材料的強(qiáng)度得到顯著提升。

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：TC4TC11鈦合金成型工藝比較及性能分析）

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tag標(biāo)簽:TC4/TC11鈦合金,成型工藝對(duì)比,固溶溫度梯度,α相轉(zhuǎn)變

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