激光沉積修復(fù)TA15鈦合金微觀組織及力學(xué)性能

邢如飛，許星元，黃雙君，王 磊，周 松，許 良

(1華晨汽車集團(tuán)控股有限公司，沈陽 110869；2沈陽航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，沈陽 110136)

TA15鈦合金屬于高Al當(dāng)量的近α型鈦合金，名義成分為Ti-6.5A1-2Zr-1Mo-1V，合金相變點(diǎn)是990～1020℃，其主要的強(qiáng)化機(jī)制是通過α穩(wěn)定元素Al的固溶強(qiáng)化，并加入中性元素Zr和β穩(wěn)定元素Mo,V以改善工藝性[1-3]。它不僅具有α型鈦合金良好的熱強(qiáng)性和可焊性以及接近于α+β型鈦合金的工藝塑性，還具有中等的室溫和高溫強(qiáng)度以及良好的熱穩(wěn)定性，主要被用來制造500℃以下長時間工作的飛機(jī)、發(fā)動機(jī)零件和焊接承力零部件[4-6]。TA15鈦合金在制造和使用過程中會出現(xiàn)意外，如果將受損零件直接做報廢處理，無疑會提高成本。于是，越來越多的研究人員把目光集中到能夠帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的修復(fù)技術(shù)上來[7]。激光沉積修復(fù)(laser deposition repair,LDR)技術(shù)結(jié)合了激光熔覆技術(shù)和快速成型技術(shù)的優(yōu)勢，所熔化沉積的組織致密、均勻、細(xì)小，不存在導(dǎo)致常規(guī)鑄態(tài)組織性能低下的宏觀偏析、縮松、組織粗大等缺陷，適合修復(fù)高性能、難加工、價格昂貴的零件，近年來得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用[8-10]。

張霜銀等[11]研究激光熔化沉積鈦合金的工藝得到激光功率影響柱狀晶的生長規(guī)律，搭接率影響熔合質(zhì)量的研究結(jié)果；薛蕾等[12]則對3種加工缺陷的Ti-6Al-4V合金進(jìn)行激光快速修復(fù)，發(fā)現(xiàn)修復(fù)件的拉伸性能均能達(dá)到鍛件標(biāo)準(zhǔn)；張旺峰等[13]通過對TA15 鈦合金進(jìn)行β熱處理，發(fā)現(xiàn)β熱處理提高了合金的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的差值；席明哲等[14]通過對激光快速成形TA15鈦合金進(jìn)行熱處理，發(fā)現(xiàn)退火溫度影響β轉(zhuǎn)變組織體積分?jǐn)?shù)以及初生α板條長寬比；謝旭霞等[15]對激光熔化沉積TA15鈦合金在α+β兩相區(qū)退火，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，強(qiáng)度和塑性下降。本工作采用激光沉積修復(fù)技術(shù)對TA15合金鍛件在加工和服役過程中產(chǎn)生的損傷進(jìn)行了修復(fù)，在考察修復(fù)試樣的微觀組織基礎(chǔ)上，對其力學(xué)性能進(jìn)行了測試，并研究了固溶時效熱處理對槽修復(fù)和體修復(fù)微觀組織及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗

本實(shí)驗基材為鍛造TA15鈦合金板，針對TA15鍛件損傷特點(diǎn)，將銑切溝槽定義為槽修復(fù)，加強(qiáng)筋缺損定義為體缺損，分別進(jìn)行預(yù)制缺陷處理。采用多層多道沉積方式修復(fù)試樣，激光沉積修復(fù)設(shè)備是沈陽航空航天大學(xué)構(gòu)建的LDM-800系統(tǒng)，由6kW的IPG光纖激光器、數(shù)控工作臺、粉末傳輸系統(tǒng)以及氬氣環(huán)境箱等部分組成,實(shí)驗中氬氣保護(hù)箱中的水氧含量可凈化至100×10-6以下。實(shí)驗前TA15金屬粉末置于烘箱內(nèi)在130℃下烘干3h，去除粉末中的水汽，避免在加工過程中產(chǎn)生缺陷。所用粉末為等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備的TA15球形粉末，其化學(xué)成分(原子分?jǐn)?shù)/%)為Al 6.53,Zr 1.78,Mo 1.53,V 1.47,Fe 0.13,Si 0.033,C 0.012,N 0.014,H 0.005,O 0.11,Ti為余量。為了分析兩種修復(fù)方式的組織與性能，固定其他實(shí)驗參數(shù)，經(jīng)過一系列的前期實(shí)驗探索，考慮修復(fù)效果，選用優(yōu)化修復(fù)參數(shù)如表1所示。修復(fù)后所有試樣進(jìn)行600℃/3h,AC去應(yīng)力退火熱處理。圖1為槽修復(fù)和體修復(fù)試樣加工示意圖，試樣尺寸為100mm×25mm×4mm，其中預(yù)制槽寬度為20mm，深度為2mm，槽坡度角θ為45°。

金相試樣采用Kroll腐蝕劑(HF∶HNO3∶H2O=5∶15∶80)進(jìn)行腐蝕。利用OLYMPUS-DP71型光學(xué)顯微鏡和JSM-7001F場發(fā)射掃描電鏡觀察微觀組織及斷口。

表1 激光沉積修復(fù)工藝參數(shù)Table 1 Technological parameters of laser deposition repair

圖1 激光沉積修復(fù)TA15鈦合金試樣加工示意圖 (a)槽修復(fù)試樣；(b)體修復(fù)試樣Fig.1 Sample processing schematic diagrams of LDR TA15 titanium alloy (a)groove repair sample;(b)body repair sample

采用HVS-1000A型數(shù)顯顯微硬度計測試修復(fù)件的顯微硬度：截面距上、下表面各1mm處和截面中間共3排點(diǎn)，打點(diǎn)間距0.5mm，熱影響區(qū)附近間距0.25mm，保壓時間16s，載荷4.903N，加載時間12s。采用INSTRON5982電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行修復(fù)試樣室溫拉伸性能測試，最大載荷為300kN。分別對兩種修復(fù)方式的試樣進(jìn)行熱處理，熱處理制度為：固溶時效950℃/1h,WQ+550℃/6h,AC。

2 實(shí)驗結(jié)果與分析

2.1 組織分析

圖2為激光沉積修復(fù)TA15鈦合金退火態(tài)宏觀組織。槽修復(fù)和體修復(fù)試樣的宏觀組織基本一致，均由3部分組成：基體C、熱影響區(qū)B和激光沉積修復(fù)區(qū)A，鍛件基體和修復(fù)區(qū)呈現(xiàn)致密的冶金結(jié)合。激光修復(fù)區(qū)A的宏觀組織為貫穿多個沉積層外延生長的粗大原始β柱狀晶，寬度約為0.5mm，高度方向可達(dá)修復(fù)區(qū)頂部，近似于定向生長。圖3為激光沉積修復(fù)TA15鈦合金退火態(tài)微觀組織。TA15鍛件的基體區(qū)域是雙態(tài)組織，在α/β片層組織上均勻分布等軸狀的初生αp相和β轉(zhuǎn)變組織(圖3(a))。熱影響區(qū)的組織較為復(fù)雜，等軸晶有不同程度的粗化，既有等軸狀、片狀，又含有少量的針狀，等軸狀的初生αp相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺瞀羢相。整個熱影響區(qū)呈現(xiàn)了基體的雙態(tài)組織到激光修復(fù)區(qū)網(wǎng)籃組織的漸變(圖3(b))。激光修復(fù)區(qū)β柱狀晶內(nèi)具有十分細(xì)小的α/β網(wǎng)籃狀片層組織，且片層集束取向隨機(jī)(圖3(c))。

圖2 激光沉積修復(fù)TA15鈦合金退火態(tài)宏觀組織Fig.2 Macrostructure of LDR TA15 titanium alloy after annealing

圖3 激光沉積修復(fù)TA15鈦合金退火態(tài)微觀組織 (a)基材；(b)熱影響區(qū)；(c)修復(fù)區(qū)Fig.3 Microstructures of LDR TA15 titanium alloy after annealing (a)substrate；(b)heat affected zone；(c)repaired zone

圖4為TA15鈦合金固溶時效熱處理后的顯微組織。TA15鈦合金的β相轉(zhuǎn)變溫度為980～1020℃，本實(shí)驗選用固溶熱處理溫度為950℃，略低于β轉(zhuǎn)變點(diǎn)，使α相不會全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵瑢?dǎo)致殘余初生α相板條在高溫固溶擴(kuò)散過程中粗化。在水冷時，由于冷卻速率較高，導(dǎo)致高溫β相發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，β相轉(zhuǎn)變?yōu)榱今R氏體α′。從圖4(b)熱影響區(qū)微觀組織可以看出六方馬氏體α′呈板條狀，這些條狀馬氏體之間的邊界由位錯壁構(gòu)成，而內(nèi)部有比較密集的位錯紊亂，因此可得到初生α相和六方馬氏體α′兩種組織(圖4(c))。在后續(xù)的時效過程中，由于時效溫度較低，六方馬氏體α′依舊較為穩(wěn)定，形狀沒有較大改變。

圖5為固溶時效后晶界和α′集束變化的金相照片。晶粒邊緣上析出粗大連續(xù)的晶界α′相板條，α′相板條在高溫固溶擴(kuò)散過程中長大并且網(wǎng)籃化，原始β柱狀晶及晶界α破碎，α′板條主要分布在破碎的晶界周圍，部分晶界增厚變粗(圖5(a))；在破碎的晶界上可見大量的α′集束，α′集束尺寸在20～150μm之間，大部分尺寸超過50μm，集束內(nèi)單個α′板條的厚度在1.5～2.5μm之間，同一集束內(nèi)有較多的α′片彼此平行，成同一取向(圖5(b))；由于熱處理時冷卻速率較快，大量細(xì)小的殘留β組織被保留下來，均勻分布在初生α邊界和α′內(nèi)部。合金的塑性和斷裂韌度隨晶界α的厚度和α集束尺寸而變化。因此，調(diào)整α集束尺寸，控制晶界變化，對提高激光沉積修復(fù)TA15鈦合金的力學(xué)性能具有重要的意義。

圖4 激光沉積修復(fù)TA15鈦合金固溶時效態(tài)微觀組織 (a)基材；(b)熱影響區(qū)；(c)修復(fù)區(qū)Fig.4 Microstructures of LDR TA15 titanium alloy after solution-aging (a)substrate；(b)heat affected zone；(c)repaired zone

圖5 固溶時效后晶界和α′集束變化OM圖 (a)晶界；(b)α′集束Fig.5 OM images of grain boundary change and bunching-α′ changes after solution-aging (a)grain boundary;(b)bunching-α′

2.2 顯微硬度分析

圖6為激光沉積TA15鈦合金修復(fù)件的顯微硬度HV0.5分布曲線，槽修復(fù)與體修復(fù)顯微硬度變化一致?？梢钥闯?，退火態(tài)試樣硬度在330～410HV0.5范圍變化，從基材、熱影響區(qū)到修復(fù)區(qū)，硬度依次提高，修復(fù)區(qū)的硬度比鍛件基材提高24%，熱影響區(qū)的硬度居于二者之間，大約為380HV0.5。這是因為在激光沉積修復(fù)過程中，原始β相晶粒粗化，修復(fù)區(qū)組織中不存在等軸α相，其中細(xì)長的針狀α相和極其細(xì)密α/β板條都使修復(fù)區(qū)顯微硬度提高。固溶時效后，馬氏體的出現(xiàn)使基材、熱影響區(qū)及修復(fù)區(qū)的硬度均明顯提高，其修復(fù)區(qū)域硬度范圍是400～420HV0.5，比退火態(tài)修復(fù)區(qū)域的顯微硬度提高13%左右。

圖6 激光沉積TA15鈦合金修復(fù)件的顯微硬度分布Fig.6 Microhardness distribution of LDR TA15 titanium alloy

2.3 室溫拉伸性能分析

不同修復(fù)方式退火和固溶時效熱處理試樣的室溫拉伸性能結(jié)果如表2所示。由表2可知，鍛件基材退火后的力學(xué)性能無明顯改變，退火態(tài)槽修復(fù)和體修復(fù)的抗拉強(qiáng)度在990～1050MPa之間，高于鍛件基材，具有良好的拉伸性能。同時，退火態(tài)槽修復(fù)試樣斷在基材一側(cè)，亦可說明修復(fù)區(qū)抗拉強(qiáng)度高于基材，如圖7(a)所示，這是由于修復(fù)后試樣的顯微組織α/β片層集束交錯排列，具有較小的橫縱比，α相板條形貌即橫縱比在一定程度上有利于提高TA15鈦合金的力學(xué)性能。退火態(tài)槽修復(fù)由于修復(fù)區(qū)體積僅占整個試樣的10%，修復(fù)區(qū)體積分?jǐn)?shù)大，拉伸結(jié)果實(shí)際上主要體現(xiàn)退火態(tài)基體的性能；體修復(fù)的室溫屈服強(qiáng)度為964MPa，斷面平均收縮率為14.6%，伸長率為7.1%。與槽修復(fù)相比，屈服強(qiáng)度有所提升，斷面收縮率和伸長率都降低。這是由于體修復(fù)試樣修復(fù)區(qū)體積分?jǐn)?shù)為50%，體積分?jǐn)?shù)大，拉伸時修復(fù)區(qū)β轉(zhuǎn)變組織中的α/β界面上易產(chǎn)生空洞，使片層組織中的空洞在較低的應(yīng)變作用下就能擴(kuò)展到臨界尺寸，導(dǎo)致退火態(tài)體修復(fù)試樣塑性降低，斷在修復(fù)區(qū)一側(cè)，可見明顯的層帶(圖7(c))。

表2 激光沉積TA15鈦合金修復(fù)件的室溫拉伸性能Table 2 Room temperature tensile properties of LDR TA15 titanium alloy sample

圖7 激光沉積TA15鈦合金修復(fù)件的宏觀斷口(a)退火態(tài)槽修復(fù)；(b)固溶時效態(tài)槽修復(fù)；(c)退火態(tài)體修復(fù)；(d)固溶時效態(tài)體修復(fù)Fig.7 Macroscopic fractures of LDR TA15 titanium alloy(a)groove+annealing;(b)groove+solution-aging;(c)body+annealing;(d)body+solution-aging

TA15鈦合金屬于近α型鈦合金，熱處理后的強(qiáng)化效果不明顯，一般在退火狀態(tài)下使用。然而，實(shí)驗結(jié)果表明，固溶時效后槽修復(fù)和體修復(fù)的抗拉強(qiáng)度均得到了顯著的提高，達(dá)到了1000MPa，比退火態(tài)基材的抗拉強(qiáng)度分別提高了15.4%和13.3%，屈服強(qiáng)度較退火態(tài)修復(fù)件分別增加了81MPa和55MPa，斷面收縮率和伸長率均明顯下降，說明塑性顯著降低，強(qiáng)度提高。這是由于在固溶過程中，α相形成較粗大晶界，α相體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，淬火時冷卻速率較快，β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣痢湎啵倘茉讦禄w中；在隨后的6h時效過程中，β基體析出細(xì)小α′相，產(chǎn)生大量α′/β界面，對位錯運(yùn)動的阻擋增加，起到了很好的強(qiáng)化作用。固溶時效態(tài)槽修復(fù)和體修復(fù)的拉伸試樣均斷在修復(fù)區(qū)(圖7(b),(d))，表明了固溶時效態(tài)基材的抗拉強(qiáng)度明顯高于修復(fù)區(qū)。這是由于熱處理后，鍛件基材雙態(tài)組織中的等軸初生α相的體積分?jǐn)?shù)減少，β轉(zhuǎn)變組織的體積分?jǐn)?shù)增大(圖3(a),4(a))，使固溶時效態(tài)基材的抗拉強(qiáng)度在一定程度上得到了提高。

圖8為激光沉積TA15鈦合金修復(fù)件室溫微觀拉伸斷口形貌。由于退火態(tài)槽修復(fù)試樣斷裂于基材，斷口微觀形貌與鍛件基材基本相同，由大量等軸韌窩組成，韌窩密且深，還存在許多微孔，是典型的韌窩延性斷口(圖8(a))；由于修復(fù)區(qū)塑性要低于基材，體修復(fù)試樣斷裂于修復(fù)區(qū)一側(cè)，其微觀斷口呈現(xiàn)出沿列狀枝晶排布方向明顯的韌窩，斷裂方式主要是穿晶斷裂，存在穿晶小平面，還有明顯的撕裂棱(圖8(c))。固溶時效后斷口微觀形貌與退火態(tài)相比，韌窩小而淺，韌性特征明顯降低，還可看見由于韌性降低發(fā)生解理，α′相被撕裂而形成的撕裂棱。固溶時效態(tài)槽修復(fù)和體修復(fù)的拉伸斷口均可以看到粗糙斷面，仍是穿晶斷裂方式(圖8(b),(d))。

3 結(jié)論

(1)TA15合金激光修復(fù)區(qū)的微觀組織為細(xì)小的網(wǎng)籃組織，β柱狀晶內(nèi)具有十分細(xì)小的α/β片層組織，且片層集束取向隨機(jī)；固溶時效后，β相發(fā)生馬氏體相變，得到初生α相和六方馬氏體α′兩種組織。

(2)固溶時效后，原始β柱狀晶及晶界破碎，部分晶界增厚變粗，在破碎的晶界上可見大量的α′集束，大部分α′集束尺寸超過50μm。

(3)修復(fù)后試樣退火態(tài)和固溶時效態(tài)的顯微硬度從基材、熱影響區(qū)及修復(fù)區(qū)均依次提高，固溶時效態(tài)修復(fù)區(qū)顯微硬度比退火態(tài)提高了13%。

(4)TA15鈦合金退火態(tài)和固溶時效態(tài)均有良好的拉伸性能，固溶時效后抗拉強(qiáng)度明顯提高，塑性降低。