组织演变对TC11钛合金拉伸性能的影响

组织演变对TC11钛合金拉伸性能的影响

陆金香,彭耿琦,孙斌

中国航发南方工业有限公司 湖南省株洲市 412002

【摘要】TC11钛合金是一类重要的航空材料，其优点主要有密度小、强度高、及耐腐蚀性强等，现阶段在我国航空发动机方面应用极高，广泛用于制造发动机的压气机盘、叶片和鼓筒等构件。本文以TC11钛合金为对象，探讨宏观晶粒变化的机制及其对拉伸性能的影响。

【关键词】激光熔化沉积；钛合金；宏观和微观结构；力学性能

TC11钛合金作为一类常用的航空核心材料，其优越的性能使其在航空工业中应用极为普及，多用来进行飞机发动机叶盘、压气机盘、承力件等的制造。一般来说，其在（）这一两相区上部进行锻造以便大幅度提升综合性能。然而因为TC11钛合金的低热导率及变形抗力高等特征，如果选取“锻造+机械加工”的传统制造方法来开展各构件的制造，存在着延长生产周期、降低材料利用率及抬高制造成本等弊端，无法满足航空钛合金构件制造的快速化需求。对照传统制造方法，激光熔化沉积有效化解了传统制造存在的各类不足，为研制并生产大型钛合金构件提供全新的技术渠道。TC11的复合制造（激光熔化沉积+锻造）共有激光沉积区（LAMZ）、锻造基板区（WSZ）和复合区（HZ）三个区域。TC11 钛合金的性能优劣由其组织结构决定，为改善其性能、提升实用性通常会运用形变热处理方法进行处理，所以开发各种不同的变形温度及热处理方法能有效影响其微观组织，优化其自身性能。

1试验材料及试验方法

1.1实验材料

BLT-C1000系统是进行激光熔化沉积的试验装置。由一套光纤激光器（4kW）、一套同轴送粉装置（BSF-2）及一套四轴数控机床（Fagor-8055）组成。TC11粉末的化学成分参看下表，即Ti-88.18、A1-6.38、Mo-3.47、Zr-1.68、Si-0.28、Fe-0.001、其它-0.009。试验在不高于50ppm含氧量的氩气保护腔内进行，以防试样的氧化。

1.2试验方法

成形的试验参数为：激光功率为3.2千瓦，扫描速度为每分钟0.6~1m，光斑大小6毫米，层高度1~1.2毫米，层与层时间间隔为2分钟，运用Meander型扫面填充方式，原始角度45º，层与层的相位角90º。送粉速率每分钟分别为15g、25g、35g、45g、55g，制备的钛合金试验样品的尺寸是长宽高分别为100毫米、90毫米和80毫米。为了对照拉伸性能受晶粒形态的影响程度，在相同参数状态下，送粉速率每分钟保持在15g，制备钛合金试样尺寸的长宽高分别为220毫米、120毫米和140毫米。沿XOZ面对所有试样进行截取观测，金相试样采用标准的金相试样制备方式进行制备。根据标准的程序观测的金相试样组织，并放在1mLHF、100mLH2O及6mLHNO3溶液中腐蚀30秒。分析宏观组织及微观组织分别使用体式显微镜、金相显微镜及扫描电镜。分析组织定量使用ImageJ软件，对平均晶粒尺寸及薄片宽度等进行测量。沿XOZ面，纤维硬度使用FM-700型Vickers硬度测试，加载载荷200g、时间为20s。按照GB/T228.1标准对拉伸试样进行制备，尺寸长宽分别为68毫米（L）和11毫米（D）。室温下使用电子万能试验仪EM105D测定拉伸性能。为方便后续进行讨论，定义水平方向试样为H-sample，垂直方向试样为V-sample。每个方向进行三次试样测定，然后计算平均值。对断口形貌的分析使用ZEISSGeminiSEM500扫描电镜。

2 试验结果分析

2.1宏观组织演变

TC11钛合金经激光熔化沉积后呈现的宏观组织形貌会发生变化。试验发现，以其他参数保持不变为前提，送粉速率由15g/min提升至55g/min，则宏观组织会快速演变成等轴晶粒，且层高由1mm逐渐攀升天地4mm，层间带在此过程中慢慢消失。增加送粉速率至55g/min时，试样产生未熔合的缺陷。送粉速率保持在15g/min之时，试样为柱状晶区（宽3.1~3.5mm）及等轴晶区（宽1.3~1.9mm）共同组成，两个区域全部从层间带穿过。

2.2微观组织演变

为方便对比TC11钛合金经激光熔化沉积后送粉速率对其微观组织产生的影响，全部观察区域所有组织均为等轴晶区域组织。送粉速率分别是15g/min、25g/min、35g/min、45g/min和55g/min的时候，薄片宽度分别为0.32~0.45、0.42~0.57、0.54~0.65、0.74~0.89；试样的等轴晶区内部及边界从全部为细小并纵横交错的网篮组织，渐渐演变为内部是细小的网篮组织，而部分边界会呈现出细小的束域组织，再逐渐变成内部是网篮组织，边界的部分区域是加量的束域组织，最后变成内部是网篮组织及束域组织的组合，而边界则全是束域组织。当试样在区间进行冷却时，→的转变遵循一个相可向12种取向的相转变，且相的生长方向会逐渐依照界面能最小的方向延伸直至

/的界面能失稳，即伯氏矢量关系（BOR）。

2.3室温拉伸性能

不同的试样对应着不同的抗拉强度、屈服强度及延伸率,，换言之，不同试样展示出室温下TC11钛合金经激光熔化沉积后不同的拉伸性能。在15-H这一试样中其对应的抗拉强度、屈服强度及延伸率遵循为1228、1106及5.2；而15-V这一试样中其对应的抗拉强度、屈服强度及延伸率遵循为1142.6、1029及9。从可以发现，15-H试样呈高强低塑特征，而15-V试样呈塑性异性特征。因试样有细小的网篮组织，其细小的薄片与/界面纵横交错，增加了滑移的变形阻碍，无法穿过/界面，导致一个滑移系难以向其它滑移系扩展，界面严重错位塞积，造成试样的高强低塑这一特点。此外，因试样的柱状晶非常粗大且含有连续的晶界，这就导致了横向加载试样和纵向加载试样分别呈现出脆性断裂及滑移断裂的模式，两种加载模式出现了很大差别，所以试样在两个方向上呈现出塑性各向异性。试样55-H及55-V强度相对不高，均存在未熔合缺陷，测定尚未发现其屈服强度。

TC11钛合金经激光熔化沉积后其断口形貌同样会发生变化。试样15-H晶界周围存在很多解离的平面和韧窝，断口沿晶断裂，具有和韧性断裂的特征，但其加载是与柱状晶晶界呈垂直状态，这就造成了其断口呈现脆性断裂的模式。相比之下，试样15-V加载是沿柱状晶的边界，侧面及解离阶梯相对较多，所以其断口呈准静态断裂的模式。

在送粉速率各异的情况下，试样显微硬度的分布形态。送粉速率不断提升，试样的薄片宽度逐渐增加，显微硬度随之逐渐减弱。送粉速率分别为15g/min和55g/min时，试样显微硬度从最高逐步降至最低。同一视场内的薄片，随其宽度的增加，其含量则逐渐减少，且/界面相对较少，位错可滑移于相对宽的薄片内，位错滑移开动阻力小、/界面塞积程度低，这些因素都会减弱其显微硬度。

结语

本文研究总结出以下结论：TC11钛合金经激光熔化沉积后的宏观组织是由柱状及等轴晶粒逐渐向细小等轴晶粒转变，转化过程中层间带不断弱化直到完全消失。送粉速率调整至55g/min时，激光能量难以熔化全部粉末颗粒，导致少数区域形成未熔合缺陷；随着沉积层冷却速率的不断减小，→转变驱动力随着下滑；试样在处于低送粉速率状态时，试样特性表现为高强低塑，且两个不同方向的试样呈现塑性及各向异性。试样在处于高送粉速率状态时则会形成未熔合缺陷。

参考文献：

[1]陈军红，徐伟芳，张方举，张军，陈刚.TC11钛合金应变率相关的拉伸行为（英文）[J].稀有金属材料与工程，2021，50（06）：1883-1889

.[2]古一，戚延龄，夏长清，李学雄，王志辉.热暴露对TC11钛合金组织和力学性能的影响[J].中国有色金属学报，2013，23（04）：997-1004.