激光选区熔化成形TC4钛合金焊接接头组织与力学性能探究

激光选区熔化成形TC4钛合金焊接接头组织与力学性能探究

冯宝源

中国船舶集团第七一〇研究所 湖北省 宜昌市 443000

摘要：激光选区熔化技术（Selectivelasermelting，SLM）是一种利用激光束熔融粉末凝固成形的增材制造技术，能基于CAD模型，以逐层成形的方式制造零件。在每层的成形过程中，扫描振镜控制激光束在已铺好粉的表面按照计算的路径进行扫描，使粉末在激光扫描的位置形成熔池并迅速冷却凝固，在完成一层的扫描后，铺粉继续下一层的扫描，直至成形完成，这种离散的成形方式相较于传统的铸造等方式能够成形更为复杂的结构。随着零件尺寸的不断增大，单台激光器的激光选区熔化设备因扫描振镜、场镜等器件的限制，难以实现大尺寸零件的成形。而使用双激光甚至多激光的激光选区设备不仅解决了可成形零件在尺寸方面的限制，还因激光器数量的增加提高了成形效率。基于此，本篇文章对激光选区熔化成形TC4钛合金激光焊接头组织与力学性能进行研究，以供参考。

关键词：激光选区熔化成形；TC4钛合金；激光焊接头组织；力学性能

引言

为满足轻量化、整体化的制造要求，水下装备零件逐渐朝精密、复杂、薄壁化和结构性能一体化的方向发展，大量复杂内腔、超薄格栅和悬臂等结构的设计对制造技术提出全新的挑战，采用传统技术方法时遇到了瓶颈。而近年来飞速发展的增材制造技术为复杂精密构件的制造提供了新途径和方案，激光选区熔化成形被认为是最具发展潜力的增材制造技术，国外已尝试应用于航空发动机喷嘴及飞机结构连接部位。激光选区熔化技术适用于成形形状复杂、精密度高的小型零件，但受设备尺寸及工艺特点等因素影响，大尺寸零部件较为理想的制造方案是成型后进行拼焊连接。电子束焊接技术具有能量密度高、焊接变形小、焊缝质量高、可控性好等优点，不仅可实现高质量的薄壁件焊接，还能实现大厚度材料的深穿透焊接，可满足SLM成形材料不同结构不同厚度的焊接要求。

1钛合金激光焊接技术

常用于焊接的激光器类型有光纤激光、碟片激光、CO2激光和Nd:YAG激光。其中，光纤激光和碟片激光、CO2激光常采用连续激光模式开展焊接，而Nd:YAG激光采用脉冲激光进行焊接。可以看到，目前大多数钛合金焊接工作都采用光纤激光器、碟片激光器和ND:YAG激光器，而CO2激光器使用较少。这与激光器商业产品的最大功率、价格以及使用条件密切相关。CO2激光器由于设备成本以及使用成本高，且不能采用光纤传输，在激光焊接领域的使用范围逐渐减少。同时，高功率光纤激光器的普及促进了光纤激光焊接的研究。而ND:YAG激光器由于具有脉冲能量输出的特点，具备较好的可操作性，焊接接头性能较优，因此在新兴的钛合金焊接中被广泛运用。

2试验材料及方法

采用SLM成形的TC4钛合金，在SLM成形过程中，铺层的TC4合金粉末发生快速的熔化、凝固过程，加热冷却速度极快，最终形成均匀的针状马氏体α′组织。本研究采用ZD150–15MHCV3M电子束焊机设备。切割制备SLM成形的XY和XZ两方向的焊接试板，尺寸为200mm×150mm×9mm。针对焊接试板进行电子束焊接工艺试验。切割制备接头金相试样，采用LeicaDM6000M金相显微镜进行焊缝形貌特征分析。针对满足质量要求的焊接试板，采用线切割设计制备接头拉伸、疲劳试验件，借助Z100电子万能材料试验机进行室温拉伸、疲劳试验。

3结果与讨论

3.1母材形貌及组织

图1为SLM成形TC4钛合金宏观组织和微观组织的三维形貌。在XOY平面呈现了等轴晶形貌，如图1(b)所示。其微观组织为α+β双相组织，在β-Ti晶粒内分布着大量束状针状α'马氏体，如图1(c)所示。而在YOZ和XOZ方向，也就是打印件的两侧面，同样呈现了粗大的柱状晶，如图1(d)所示。β-Ti晶粒呈现连续外延生长，并贯穿多个微熔池，且在柱状β-Ti晶粒内部分布着网篮状针状α'-Ti马氏体，如图1(e)所示。

图1SLM成形TC4钛合金组织

3.2力学性能

3.2.1接头显微硬度

对SLM成形TC4钛合金的三维方向进行了显微硬度测试，平均硬度值在361.9~375HV之间，三维方向硬度值差异较小。此数值与传统锻造TC4钛合金硬度相比明显提高，主要原因为SLM成形TC4钛合金组织中含有针状α'马氏体，其硬度值高于传统锻造TC4钛合金的α+β相。对两个不同能量输入接头不同区域进行了显微硬度测试。两种接头焊缝区的硬度分别为388.7HV和403.3HV，HAZ硬度分别为373.9HV和377.8HV，母材硬度为370.6HV。相对于母材，两种焊缝金属具有更高的硬度，这是由于β柱状晶中分布着大量的针状α'马氏体，而HAZ硬度与母材接近，焊接接头的硬度满足使用要求。

3.3.2拉伸性能及断口分析

SLM成形TC4钛合金母材的拉伸强度与断后延伸率与传统锻造TC4钛合金一致。焊接后，接头的抗拉强度和屈服强度分别为1027MPa和1018MPa，相对于母材略有降低。然而，延伸率却从9.5%降低到0.5%，表明SLM成形TC4钛合金接头的室温塑性显著降低。可见，SLM成形TC4钛合金激光焊接后，接头的拉伸强度略有降低，而室温塑性显著低于母材。

3.3工程化应用

基于上述1.5mm厚TC4钛合金激光焊接工艺试验结果，对1.5mm厚钛合金构件进行焊接。仿照焊接试件的清理模式，在焊前2h内用细砂纸对待焊构件焊道周边10mm范围内区域进行打磨，并用丙酮擦拭干净，放在特制的焊接工装夹具上进行焊接。焊接完成后，对接头进行X射线检测。接头内部质量良好，没有产生裂纹与气孔等缺陷，较优的焊接质量从而让该技术在工程上得到了大量应用。

结束语

综上所述，1)光纤激光、碟片激光、CO2激光、ND:YAG激光都被成功应用于钛合金激光焊接中，不同的激光模式(连续或脉冲)及激光扫描振荡模式都会对焊接熔池行为产生影响，导致焊缝成形及缺陷情况的变化，最终体现在接头性能受到激光特征的影响。2)α型钛合金具有良好的焊接性以及较高的接头性能;α+β型钛合金具有较好的焊接性，但是其接头性能会有一定的降低，尤其是接头韧性;而β型钛合金表现出较差的焊接性，接头的性能会有明显下降。3)激光焊接工艺(焊接功率及速度)对于单相α型和单相β钛合金接头组织影响主要体现在微观结构尺寸上，而对α+β型钛合金接头组织的影响复杂，焊接工艺改变会导致焊缝区及热影响区中α'马氏体相、α相和β相的相变行为发生变化，影响各相形貌、大小及数量，改变接头的力学性能。4)α型钛合金激光焊接接头性能较好，一般不用进行焊后热处理;β型钛合金激光焊接头性能会较母材有明显的降低，需通过热处理进行改善;(α+β)型钛合金可以通过焊后热处理调整两相形态数量，改善接头力学性能，但有部分(α+β)钛合金接头力学性能良好，可直接使用，满足相关性能要求。

参考文献

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