Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.25Si(TC11)是我國(guó)開(kāi)發(fā)的可在500℃以下長(zhǎng)期使用的α+β型高溫鈦合金，具有良好的綜合性能，與英國(guó)IMl685合金性能相當(dāng)，主要用來(lái)制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤(pán)轉(zhuǎn)子葉片以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。目前制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉輪、轉(zhuǎn)子葉片等復(fù)雜零件的方法主要有鑄造加工、粉末冶金、電子束快速成形(electric beam rapid forming，EBPF)或激光立體成形(1aser solid forming，LSF)等。鑄造加工工藝存在材料利用率極低、加工困難等問(wèn)題。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高性能零件，發(fā)展近凈成形技術(shù)是近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。在近凈成形技術(shù)中，粉末冶金需要專(zhuān)
門(mén)模具，電子束快速成形國(guó)內(nèi)外研究剛剛起步。激光立體成形技術(shù)具有材料利用率高、加工零件形狀和尺寸不受限、加工速度快等一系列優(yōu)點(diǎn)，在TC4、TA15等鈦合金激光立體成形方面相對(duì)比較成熟，是制備高性能復(fù)雜致密零件的一種理想方法。
長(zhǎng)期以來(lái)，制作TC11鈦合金飛機(jī)轉(zhuǎn)子葉片等零件的方法主要是鍛造加工，用LSF技術(shù)直接成形TC11鈦合金復(fù)雜零件的方法尚沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道。對(duì)與TC11鈦合金相同類(lèi)型的兩相α+β合金，瑞典Acam公司曾用電子束快速成形的方法制作TC4鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪；國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)也對(duì)TC4、TC21鈦合金復(fù)雜零件的LSF成形技術(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)期研究。如陳靜等人
研究了TC4鈦合金的激光立體成形特性及熔凝組織，張霜銀等人研究了熱處理對(duì)激光成形TC4鈦合金組織及性能的影響，昝林等人研究了激光快速成形TC21鈦合金沉積態(tài)組織。對(duì)500℃以下長(zhǎng)期使用的TC11鈦合金，周義剛等人的近β鍛造研究表明，由等軸瓠片狀反和轉(zhuǎn)變聲基體組成的雙/三態(tài)組織綜合性能最好；而對(duì)TC4等鈦合金的LSF研究表明，
激光立體成形沉積態(tài)組織大部分是粗大的柱狀晶組織，經(jīng)熱處理后難以得到雙/三態(tài)組織。因此，作為L(zhǎng)SF技術(shù)成形TC11鈦合金復(fù)雜零件的基礎(chǔ)研究，能否通過(guò)后續(xù)熱處理工藝得到雙/三態(tài)組織顯得尤為重要。
本實(shí)驗(yàn)通過(guò)柱狀晶/等軸晶轉(zhuǎn)變模型計(jì)算，選擇合適的工藝參數(shù)制備TC11鈦合金激光立體成形件，研究不同熱處理工藝對(duì)沉積態(tài)組織的影響，考察能否僅僅通過(guò)熱處理得到高溫綜合性能優(yōu)良的雙/三態(tài)組織。
1、實(shí)驗(yàn)
本研究是在西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建立的LRF．I型激光立體成形裝備上完成。該裝備由RS．850型5 kW C02激光器、LPM一408四軸三聯(lián)動(dòng)數(shù)控工作臺(tái)、JPSF一2型送粉器和惰性氣氛保護(hù)箱等組成。
熔覆材料為等離子旋轉(zhuǎn)電極法(plasma rotateelectron powder,PREP)制備的球形TCl l鈦合金粉末，成分見(jiàn)表1，粉末平均粒度為120μm，基材為純Ti板材。實(shí)驗(yàn)前將TC11鈦合金球形粉末在40℃左右真空條件下烘干，以防止粉末表面水分在熔覆過(guò)程中形成氧化膜，并對(duì)鈦基材表面打磨，用丙酮去除污漬，以減少表面氧化膜、油污等對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。
圖1是采用林鑫等發(fā)展的柱狀晶／等軸晶轉(zhuǎn)變模型(columnar to equiaxed transition，CET)計(jì)算的TC11鈦合金的CET曲線。從中可以看出，激光立體成形的實(shí)驗(yàn)條件范圍與等軸晶形成區(qū)域相交面積較少，選擇成形工藝參數(shù)時(shí)，盡可能讓工藝參數(shù)落在CET曲線等軸晶區(qū)域內(nèi)，這樣，沉積態(tài)組織經(jīng)熱處理后，越容易出現(xiàn)雙／三態(tài)組織。本實(shí)驗(yàn)選擇的激光成形工藝參數(shù)如表2所示。
對(duì)于熱處理制度的選擇，TC11鈦合金一般在相變點(diǎn)以下30~40℃鍛造加工可以得到雙／三態(tài)組織，而激光立體成形與鍛造加工得到的初始組織差異較大，且成形件不能進(jìn)行預(yù)變形，因此，只能參照鍛造加工的熱處理制度，然后進(jìn)行分析調(diào)整。本實(shí)驗(yàn)所選熱處理制度如表3所示。
2、結(jié)果與分析
2.1 沉積態(tài)組織形貌特征
圖2是TC11鈦合金激光立體成形件的顯微組織。
從圖2a中可以看出，成形件的宏觀組織由貫穿多個(gè)熔覆層粗大雕狀晶和等軸晶組成：由于組織內(nèi)不同的結(jié)晶學(xué)取向，宏觀組織呈現(xiàn)明暗交替牛長(zhǎng)的現(xiàn)象。粗大等軸晶的存在會(huì)導(dǎo)致熱處理時(shí)再結(jié)晶形核部位增多，使相組織中等軸a含量增多。圖2b是SEM觀察到的肺內(nèi)組織。可看出，原始柱狀β-Ti晶內(nèi)的微觀組織是由大量較細(xì)小的條狀α和殘留觸成，條狀α的寬度約0.2μm，長(zhǎng)度在1~8μm之間。這是由于激光熔覆過(guò)程冷卻速率較快，在冷卻過(guò)程中晶內(nèi)α來(lái)不及長(zhǎng)大，以細(xì)小條狀α析出，未析出的磁保留下來(lái)。
2.2不同熱處理制度對(duì)組織的影響
圖3是9種不同熱處理制度下TC11鈦合金的金相組織。圖4是不同熱處理制度下TC11鈦合金晶界變化的金相照片。圖5為不同熱處理制度下TC11鈦合金的SEM照片。圖3a顯示，在相變點(diǎn)(1000℃左右)以下較低的溫度(850℃)進(jìn)行熱處理時(shí)，原始β組織中開(kāi)始發(fā)生相變生成細(xì)條狀口和部分等軸α。圖3b～3d顯示，TC11鈦合金沉積態(tài)組織在950℃分別進(jìn)行l(wèi)～2 h固溶及時(shí)效后生成近似雙／三態(tài)組織(圖3b，3c，圖5a)。晶內(nèi)細(xì)條狀口長(zhǎng)大并且網(wǎng)籃化，原始晶粒及晶界α基本破碎(圖4a)，在未破碎的晶界上可見(jiàn)少量碟束(圖4b)。基于周義等人對(duì)該合金進(jìn)行的近β鍛造研究表明，這種組織由于等軸α均勻分布在網(wǎng)籃組織之間，起著變形協(xié)調(diào)作用，具有良好的高溫綜合性能。固溶溫度進(jìn)一步提高至970℃，晶內(nèi)組織呈現(xiàn)典型網(wǎng)籃狀特征(圖3e，3f)，晶內(nèi)條狀α進(jìn)一步粗化，等軸a數(shù)量減少，主要分布在破碎的晶界周?chē)Ы绂敛糠制扑榘l(fā)生球化，部分增厚變粗(圖
4e)。圖39則顯示，在970℃經(jīng)兩次固溶空冷再時(shí)效后組織更加均勻(圖39，圖5b)，但在970℃延長(zhǎng)固溶時(shí)間則會(huì)讓抗板條顯著長(zhǎng)大(圖3h，圖5c)。固溶溫度進(jìn)一步提高至相變點(diǎn)以上，在1030℃保溫30 min空冷再經(jīng)950℃固溶1 h處理后，柱狀晶部
分發(fā)生再結(jié)晶轉(zhuǎn)變成粗大的等軸晶(圖6)。晶內(nèi)組織呈現(xiàn)典型的魏氏組織特征，僅板條沿晶界成集束排列。
由于熱處理時(shí)冷卻速度較快，大量細(xì)小的殘留君組織被保留下來(lái)，均勻分布在初生a邊界和a內(nèi)部；晶界幾乎沒(méi)有發(fā)生斷裂，較小的口晶粒內(nèi)部中n板條顯著大于較大的口晶粒，晶內(nèi)沒(méi)有等軸α(圖3i，圖5d)，這是因?yàn)樵俳Y(jié)晶后晶內(nèi)組織發(fā)生了重排，凝固殘留熱應(yīng)力消失，在兩相區(qū)固溶處理時(shí)，沒(méi)有足夠的驅(qū)動(dòng)力使初生a板條發(fā)生異化轉(zhuǎn)變，只能保留下來(lái)析出形成魏氏組織。
熱處理組織中a集束的尺寸對(duì)TC11鈦合金高溫性能有一定影響。俄歲斯學(xué)者研究認(rèn)為，組織中含有20％~30％等軸僅并且當(dāng)口晶粒盡可能小，a域尺寸為30～50μm，α片厚度為2.5～3.5μm時(shí)l引，TC11鈦合金(俄羅斯類(lèi)似牌號(hào)BT-9)的性能才能達(dá)到最佳匹配。TC11鈦合金沉積態(tài)組織在950℃進(jìn)行熱處理時(shí)，反集束尺寸在40～150μm之間，大部分尺寸超過(guò)50μm，
集束內(nèi)單個(gè)抗板條的厚度在1.5-2.5μm之間(圖7a)；在970℃進(jìn)行熱處理時(shí)，α集束尺寸大部分在40～60ttm之間，域內(nèi)α片厚度在2μm以上(圖7b)，在970℃經(jīng)均勻化和雙退火處理后(表2中7#熱處理)集束內(nèi)α板條變得短小(圖7c)；在1030和950℃進(jìn)行熱處理后，僅板條沿晶界排列形成的集束尺寸在幾十至幾百微米不等(圖7d)。因此可知，在950和970℃固溶處理時(shí)，α集束尺寸比較接近俄羅斯學(xué)者認(rèn)為的最佳組織參數(shù)。由于在970℃固溶會(huì)導(dǎo)致等軸α數(shù)量減少，因此，可以在950℃調(diào)整熱處理時(shí)間使較長(zhǎng)的晶界進(jìn)一步破碎，進(jìn)而調(diào)整碟束尺寸，使組織參數(shù)達(dá)到最佳匹配。
晶界α的變化對(duì)合金塑性和斷裂韌性有很大影響。晶界α的斷裂能提高合金塑性，而晶界α的增厚則會(huì)降低塑性。與此同時(shí)，晶界α的形成及其增厚可使晶界斷裂變?yōu)榫?nèi)斷裂，又可提高高溫?cái)嗔秧g性。
因此，優(yōu)化熱處理工藝，控制品界變化，對(duì)LSF TC11鈦合金高溫性能有重要意義。熱處理后a相的粗化和球化機(jī)制，國(guó)內(nèi)外已有許多描述該過(guò)程的模型，如晶界分裂、片狀晶遷移終止、基于Rayleigh微動(dòng)理論建立起來(lái)的各種不穩(wěn)定性理論，還有N．Stefanssontl3基于Ti-6AI-4V鈦合金研究提出的靜態(tài)球化機(jī)制。在本研究中，TC11鈦合金晶界周?chē)牡容Sa，主要是因
為晶界分裂后造成片狀組織分離并逐步球化(圖4a)。對(duì)于晶內(nèi)a的球化現(xiàn)象，作者認(rèn)為與柱狀晶內(nèi)存在一定數(shù)量的亞晶有關(guān)。與鍛造加工預(yù)變形產(chǎn)生的應(yīng)力不同，激光立體成形件中的殘余應(yīng)力是由激光熔池經(jīng)歷快速熔凝變化過(guò)程中所產(chǎn)牛的不均勻熱應(yīng)力和相變應(yīng)力引起的。當(dāng)激光掃描功率較高時(shí)(2500 W)，熱應(yīng)力較大，從而使成形件在激光成形過(guò)程中儲(chǔ)存了
較多的畸變能。這些相變應(yīng)力和畸變能，一方面造成位錯(cuò)塞積，在口柱狀晶內(nèi)產(chǎn)生一定數(shù)量的亞晶并使部分口柱狀晶斷裂成粗人等軸晶(圖2a)；另一方面，在熱處理過(guò)程中，相變應(yīng)力和和畸變能的共同作用造成了粗大口晶和等軸晶界的斷裂破碎、球化和亞晶界的球化，從而產(chǎn)生一定數(shù)量的等軸反。
3、結(jié)論
1)TC11鈦合金的激光沉積態(tài)組織是由貫穿多個(gè)熔覆層粗大柱狀晶和等軸晶組成；原始柱狀β-Ti晶內(nèi)組織是由細(xì)小α板條和殘留口組成。
2)沉積態(tài)試樣在850～950℃熱處理后可以得到由等軸α、條狀α和β轉(zhuǎn)變基體組成的近似雙／三態(tài)組織，晶界α大部分破碎球化消失，部分未破碎的晶界上有α集束形成；沉積態(tài)試樣在970℃熱處理后為網(wǎng)籃組織，等軸反較少，晶內(nèi)和α集束內(nèi)口板條較950℃有粗化趨勢(shì)；沉積態(tài)試樣在聲相區(qū)熱處理空冷后再經(jīng)950℃固溶處理的組織是由粗人口板條組成的魏氏組織，大量細(xì)小殘留口均勻分布在α邊界和α內(nèi)部，晶界α基本沒(méi)有破碎消失。
3)粗大β晶內(nèi)等軸α的產(chǎn)生與晶內(nèi)亞晶有關(guān)。
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