前言

鈦及鈦合金是 20 世紀 40 年代才開始投入商業生產的金屬結構材料，憑借其比強度高、耐腐蝕、熔點高等顯著優點，得到了廣泛應用[1]。TC4鈦合金是目(mu)前應用最(zui)廣的(de)一種(zhong)(zhong)（α+β）兩相鈦合金[2]，具有良好的(de)強度、塑性(xing)及韌性(xing)等綜(zong)合力(li)學性(xing)能，適合于(yu)各種(zhong)(zhong)壓力(li)加(jia)工(gong)(gong)成型(xing)，可(ke)用于(yu)制作工(gong)(gong)作溫度 400 ℃以(yi)下的(de)各類零件[3-4]。在汽(qi)輪(lun)機(ji)機(ji)組中，使用長度超(chao)過1 400 mm 的(de)低壓汽(qi)輪(lun)機(ji)末級(ji)(ji)動葉(xie)片(pian)，可(ke)以(yi)使機(ji)組的(de)功率增加(jia) 20％[5]。目(mu)前已(yi)經公開(kai)的(de)資料表明，日本三菱重(zhong)工(gong)(gong)已(yi)經能夠生產出(chu)長度 1 830 mm 的(de)鈦合金汽(qi)輪(lun)機(ji)末級(ji)(ji)葉(xie)片(pian)，俄羅(luo)斯(si)動力(li)設備公司也已(yi)生產出(chu)長度 1 530 mm 的(de)鈦合金汽(qi)輪(lun)機(ji)末級(ji)(ji)葉(xie)片(pian)。

激(ji)光(guang)快(kuai)(kuai)(kuai)速成(cheng)型(xing)技術(shu)(shu)興起于(yu) 20 世紀 70 年代(dai)末，美國最(zui)先將(jiang)激(ji)光(guang)快(kuai)(kuai)(kuai)速成(cheng)型(xing)的(de)鈦合金應(ying)用到航空領域[6]，隨(sui)后英國[7]、瑞典(dian)[8]、日本[9]等(deng)國家也(ye)(ye)相(xiang)繼(ji)開展(zhan)了激(ji)光(guang)快(kuai)(kuai)(kuai)速成(cheng)型(xing)技術(shu)(shu)的(de)研(yan)究，并取(qu)得了不(bu)同(tong)程度的(de)進(jin)展(zhan)。我國很多高(gao)校(xiao)及研(yan)究機構也(ye)(ye)對激(ji)光(guang)快(kuai)(kuai)(kuai)速成(cheng)型(xing)的(de)組織、性能等(deng)方面進(jin)行了大量(liang)研(yan)究，并取(qu)得了一定的(de)研(yan)究成(cheng)果(guo)。

相較于傳統成(cheng)型(xing)方式的(de)(de)(de)鈦合金葉片(pian)，采用(yong) 3D打(da)印(yin)成(cheng)型(xing)技術成(cheng)型(xing)的(de)(de)(de)鈦合金葉片(pian)具(ju)(ju)有(you)快速、低成(cheng)本(ben)、適應生產各種復雜形狀零部件的(de)(de)(de)優勢[10]。3D 打(da)印(yin)成(cheng)型(xing)方式能(neng)夠保證每(mei)一(yi)只葉片(pian)都具(ju)(ju)有(you)極高的(de)(de)(de)成(cheng)型(xing)精度，有(you)效解決了裝配過(guo)程(cheng)中因尺寸(cun)精度不足和(he)尺寸(cun)差(cha)異而帶(dai)來的(de)(de)(de)裝配難題和(he)導致汽輪(lun)機運行(xing)過(guo)程(cheng)中出(chu)現(xian)的(de)(de)(de)其他問題。但采用(yong) 3D 打(da)印(yin)方式成(cheng)型(xing)的(de)(de)(de)葉片(pian)在顯微組織形貌控制、葉片(pian)性能(neng)的(de)(de)(de)一(yi)致性等方面相對(dui)于傳統鍛造(zao)+熱處理方式成(cheng)型(xing)的(de)(de)(de)鈦合金而言，尚存(cun)在一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)差(cha)距。本(ben)文針對(dui)該葉片(pian) 3D 打(da)印(yin)工藝目(mu)前存(cun)在的(de)(de)(de)問題進行(xing)研究，特別是對(dui)力(li)學性能(neng)未達到(dao)要求指標的(de)(de)(de)原因進行(xing)分析與討(tao)論。

1、葉片成型工藝

葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)為國(guo)內新一代超(chao)(chao)超(chao)(chao)臨界汽輪(lun)機組所(suo)用的(de)低(di)壓末(mo)級葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)，葉(xie)(xie)(xie)(xie)根(gen)(gen)采(cai)用樅樹形(xing)(xing)直齒結構，葉(xie)(xie)(xie)(xie)型(xing)(xing)是(shi)自由(you)成(cheng)形(xing)(xing)彎(wan)扭結構，葉(xie)(xie)(xie)(xie)型(xing)(xing)中間內背面(mian)(mian)有拉(la)筋(jin)凸臺，葉(xie)(xie)(xie)(xie)頂相(xiang)對于葉(xie)(xie)(xie)(xie)根(gen)(gen)截(jie)面(mian)(mian)達到 82°超(chao)(chao)大(da)扭轉(zhuan)角，葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)厚度(du)(du)連續(xu)變化(hua)，具有長高(gao)(gao)型(xing)(xing)結構特征，垂直高(gao)(gao)度(du)(du)方(fang)向(xiang)上(shang)葉(xie)(xie)(xie)(xie)型(xing)(xing)面(mian)(mian)的(de)最大(da)外(wai)廓尺寸(cun)約(yue)為 440 mm×170 mm，面(mian)(mian)積(ji)相(xiang)對較(jiao)小(xiao)，沿高(gao)(gao)度(du)(du)方(fang)向(xiang)激(ji)光成(cheng)形(xing)(xing)增高(gao)(gao)，應力和(he)變形(xing)(xing)控(kong)制(zhi)難(nan)度(du)(du)不(bu)大(da)。葉(xie)(xie)(xie)(xie)型(xing)(xing)面(mian)(mian)的(de)扭轉(zhuan)角度(du)(du)約(yue)為每100 mm 扭轉(zhuan) 6°，從葉(xie)(xie)(xie)(xie)根(gen)(gen)到葉(xie)(xie)(xie)(xie)冠，型(xing)(xing)面(mian)(mian)扭轉(zhuan)帶來截(jie)面(mian)(mian)外(wai)廓向(xiang)外(wai)延伸(shen)傾斜(xie)的(de)角度(du)(du)典型(xing)(xing)值為 8°，最大(da)可達12.7°。扭轉(zhuan)葉(xie)(xie)(xie)(xie)型(xing)(xing)面(mian)(mian)通過(guo)激(ji)光成(cheng)形(xing)(xing)二維(wei)截(jie)面(mian)(mian)外(wai)廓的(de)逐漸(jian)外(wai)延自然成(cheng)形(xing)(xing)獲得(de)。在(zai)沉積(ji)方(fang)向(xiang)上(shang)，中央拉(la)筋(jin)和(he)葉(xie)(xie)(xie)(xie)冠存在(zai)截(jie)面(mian)(mian)突然變大(da)的(de)特征，對葉(xie)(xie)(xie)(xie)冠和(he)頂部凸臺，采(cai)取添加工藝支撐(cheng)的(de)方(fang)式成(cheng)形(xing)(xing)；對拉(la)筋(jin)結構，根(gen)(gen)據(ju) mx數模和(he) cymx 數模的(de)不(bu)同尺寸(cun)大(da)小(xiao)，可以選取添加工藝支撐(cheng)或者將葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)放平最后兩面(mian)(mian)成(cheng)形(xing)(xing)出拉(la)筋(jin)的(de)方(fang)式成(cheng)形(xing)(xing)。

葉(xie)片在(zai)熱(re)處(chu)(chu)理后需進行(xing)(xing)機加工成型裝配，該葉(xie)片采用送粉(fen)法進行(xing)(xing)成型。根據葉(xie)片驗收(shou)要求，激光功率(lv)(lv)控制在(zai) 8~10 kW，送粉(fen)率(lv)(lv) 2 200~2 400 g/h，光斑(ban)直徑 8.5~10.0 mm，掃描頻率(lv)(lv) 1 000~1 500 mm/min。熱(re)處(chu)(chu)理工藝(yi)為雙重退火，其工藝(yi)參數為：β 轉變溫(wen)度(du)（Tβ）以(yi)下 40 ℃，保溫(wen) 3 h，風(feng)冷(leng)；550 ℃，保溫(wen) 2 h，空冷(leng)。

2、葉片解剖分析結果

為確(que)認采用該工藝制(zhi)造的(de)(de)成品(pin)是否能夠達到(dao)相關標準的(de)(de)要求，在完(wan)成所(suo)有加工過程之后，對成品(pin)葉片進行解(jie)剖分析。

2.1葉片(pian)的(de)化學成(cheng)分(fen)檢(jian)測結果

對 3D打印成型的鈦合金葉片（鈦合金葉輪）進行化學成分(fen)檢查，試驗(yan)方法為 GB/T 20123、GB/T 20124、GB/T 223.82。其檢測(ce)結果(guo)如表(biao) 1 所示。

從(cong)表(biao) 1 可以看出，該葉(xie)片的主要(yao)成分滿足 GB/T 3620.1[11]的要(yao)求(qiu)（見(jian)表(biao) 2）。其(qi)中 C、N、H 遠低于標準要(yao)求(qiu)上(shang)(shang)限值(zhi)，V 含量比要(yao)求(qiu)范圍(wei)的中值(zhi)略高，Al含量靠(kao)近上(shang)(shang)限要(yao)求(qiu)值(zhi)。

2.2金相試驗結果

2.2.1金(jin)相取樣位(wei)置

為分析 3D 打印葉(xie)(xie)片(pian)在不同位置(zhi)的組(zu)織形(xing)貌以(yi)及組(zu)織差異性(xing)，在葉(xie)(xie)片(pian)的葉(xie)(xie)頂、葉(xie)(xie)根(gen)、汽(qi)道處(chu)取(qu)樣進(jin)行金相試驗。

2.2.2宏觀檢查結果

解剖 3D 打印葉(xie)片，并進行(xing)宏(hong)觀試驗，結果如(ru)圖1~圖 3 所示。

由圖 1~圖 3 可知，在葉片(pian)不(bu)同(tong)位置的宏觀(guan)組織上(shang)均(jun)形成了層帶。這是因為激(ji)光(guang)束產生(sheng)的能量呈高斯(si)分布，即(ji)激(ji)光(guang)束的中心溫(wen)度高，邊(bian)緣溫(wen)度低，造成粉末熔(rong)化不(bu)充(chong)分、不(bu)均(jun)勻。兩個(ge)相鄰光(guang)斑之(zhi)間出現搭(da)接區(qu)域，而(er)搭(da)接區(qu)域部(bu)分屬于重熔(rong)區(qu)域，進而(er)導致層帶的形成。

2.2.3微觀(guan)(guan)組(zu)織(zhi)觀(guan)(guan)察結果(guo)

分別在葉根、1/3 汽(qi)道、2/3 汽(qi)道和葉頂(ding)的低倍試(shi)樣上取樣進行微(wei)觀組織觀察(cha)，如圖 4~圖 7 所示。

由圖 4~圖 7 可知，葉(xie)頂和(he)葉(xie)根(gen)位置的(de)金相組(zu)(zu)織(zhi)為馬氏體+魏(wei)氏組(zu)(zu)織(zhi)，且存在明顯的(de)熔池現(xian)象(xiang)；葉(xie)身組(zu)(zu)織(zhi)分別為 α+β 相和(he)長條魏(wei)氏組(zu)(zu)織(zhi)，說明葉(xie)片本身的(de)組(zu)(zu)織(zhi)均勻性不好(hao)，會對(dui)葉(xie)片的(de)性能結果造成影響。

2.2.4物相分析檢(jian)查結果

TC4 合金(jin)為(wei) α-β 兩相(xiang)鈦合金(jin)，α 相(xiang)和 β 相(xiang)在合金(jin)中起(qi)到不同的作用，β 相(xiang)成(cheng)分一般占(zhan)比約為(wei) 8％~10％。葉根(gen)、1/3 汽(qi)道、2/3 汽(qi)道物相(xiang)分析如圖(tu) 8~圖(tu) 10所示。

由圖可(ke)知，1/3 汽道處存在約為 5％的(de) β 相，而(er)葉(xie)(xie)根和 2/3 汽道處的(de) β 相含量(liang)為 0，這更加證明(ming)(ming)了葉(xie)(xie)片金相組織(zhi)的(de)不(bu)均勻(yun)性，且相成分也存在明(ming)(ming)顯(xian)差異(yi)。這些都會(hui)對(dui)葉(xie)(xie)片的(de)性能(neng)產生影(ying)響。

2.2.2能譜分析

對葉片不同位置進行(xing)能譜分(fen)析(xi)，其結果如圖11~圖 13、表(biao) 3~表(biao) 5 所(suo)示。

3、葉片力學試驗結果

因為葉(xie)身位置(zhi)厚度(du)極(ji)薄，最厚處不超(chao)過15 mm，所(suo)以力學(xue)試(shi)(shi)(shi)(shi)樣的(de)取(qu)樣位置(zhi)在葉(xie)頂和葉(xie)身處。拉伸試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)按(an)照 GB/T 228.1 的(de)要求進行，拉伸試(shi)(shi)(shi)(shi)樣斷(duan)裂形(xing)貌見(jian) 14，按(an)照 GB/T 229 的(de)要求進行沖擊(ji)試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)。3D 打印成(cheng)(cheng)型(xing)鈦合金葉(xie)片(pian)不同部(bu)位力學(xue)性(xing)能如表 6 所(suo)示。由表 6 可知(zhi)，3D 打印成(cheng)(cheng)型(xing)葉(xie)片(pian)的(de)橫向(xiang)和縱(zong)向(xiang)拉伸性(xing)能差異很大，其中(zhong)橫向(xiang)的(de)強度(du)高于縱(zong)向(xiang)，但橫向(xiang)的(de)塑性(xing)比縱(zong)向(xiang)差，且未能達(da)到 GB/T 2965[12]中(zhong)對于 TC4 合金的(de)要求值（見(jian)表 7）。

究其原(yuan)因：該(gai)葉片(pian)在成(cheng)(cheng)型時(shi)是沿著(zhu)葉片(pian)的(de)(de)(de)縱(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)方向(xiang)(xiang)(xiang)生長，而在橫向(xiang)(xiang)(xiang)同一截面(mian)的(de)(de)(de)粉末則是同時(shi)熔化成(cheng)(cheng)型并(bing)被(bei)送到指定位置并(bing)最終凝固成(cheng)(cheng)型。從金相(xiang)試驗結果可以看出(chu)，熔池凝固時(shi)，會形(xing)成(cheng)(cheng)較(jiao)為粗大(da)的(de)(de)(de)柱狀 β 相(xiang)，并(bing)在β 相(xiang)內部(bu)進一步生成(cheng)(cheng) α 或(huo)者 α' 相(xiang)。而當鈦合金從高溫快(kuai)速冷(leng)卻時(shi)，極高的(de)(de)(de)冷(leng)卻速度使 β相(xiang)來不及(ji)轉變為 α 相(xiang)，因此轉變為成(cheng)(cheng)分與母(mu)相(xiang)相(xiang)同、晶(jing)體結構不同的(de)(de)(de) α' 相(xiang)。快(kuai)速冷(leng)卻過程中形(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)片(pian)狀 α 和 α' 相(xiang)Ti6Al4V 合金為密排(pai)六方結構，該(gai)結構的(de)(de)(de)滑移系數量少(shao)、塑性(xing)(xing)較(jiao)差(cha)；而滑移系較(jiao)多(duo)的(de)(de)(de) β相(xiang)含量極低，從而影響了合金的(de)(de)(de)塑性(xing)(xing)；細(xi)針(zhen)狀馬氏體組織(zhi)（見圖 5）具有(you)高強(qiang)度、高硬度，但其韌性(xing)(xing)差(cha)，具有(you)硬而脆的(de)(de)(de)特點。這兩個因素使得成(cheng)(cheng)形(xing)的(de)(de)(de)組織(zhi)表現出(chu)較(jiao)強(qiang)的(de)(de)(de)脆性(xing)(xing)。

4、分析與討論

（1）由理論分析可(ke)知，隨著(zhu)熔(rong)(rong)化層(ceng)高(gao)度(du)(du)的(de)逐(zhu)漸(jian)增加(jia)，激光(guang)束(shu)產(chan)生(sheng)的(de)能量在(zai)熔(rong)(rong)化層(ceng)不斷(duan)積累(lei)中(zhong)(zhong)，使得熔(rong)(rong)化層(ceng)溫(wen)(wen)度(du)(du)也逐(zhu)漸(jian)升(sheng)高(gao)，激光(guang)束(shu)的(de)熱作(zuo)用區也不斷(duan)擴大。當激光(guang)束(shu)熔(rong)(rong)化粉(fen)末時(shi)對前一層(ceng)熔(rong)(rong)化層(ceng)產(chan)生(sheng)的(de)溫(wen)(wen)度(du)(du)影響超過 α 相(xiang)相(xiang)變硬化溫(wen)(wen)度(du)(du)時(shi)，熔(rong)(rong)化層(ceng)中(zhong)(zhong)的(de)層(ceng)帶將消失[10]。而在(zai)本文的(de)葉(xie)片金(jin)(jin)相(xiang)組(zu)(zu)織(zhi)中(zhong)(zhong)，葉(xie)根(gen)(gen)、葉(xie)身、葉(xie)頂位置處金(jin)(jin)相(xiang)組(zu)(zu)織(zhi)的(de)層(ceng)帶均未消失，且在(zai) 葉(xie)根(gen)(gen)和葉(xie)頂的(de)金(jin)(jin)相(xiang)組(zu)(zu)織(zhi)中(zhong)(zhong)發現了非常明顯的(de)熔(rong)(rong)池現象，說明制造過程(cheng)中(zhong)(zhong)激光(guang)束(shu)產(chan)生(sheng)的(de)熱作(zuo)用偏小(xiao)，導致層(ceng)帶未能完全消失。

（2）根據金(jin)相(xiang)(xiang)和物相(xiang)(xiang)分(fen)析結果(guo)，采用 3D 打印成型的(de)(de)鈦合金(jin)葉(xie)(xie)片在不(bu)同位(wei)置(zhi)的(de)(de) β 相(xiang)(xiang)比例差(cha)別明(ming)顯，即使(shi)在含量較(jiao)多的(de)(de) 1/3 汽(qi)道處，其 β 相(xiang)(xiang)比例也(ye)比常用航空用 TC4 合金(jin)的(de)(de) β 相(xiang)(xiang)含量低，從而(er)導(dao)致葉(xie)(xie)片力學性能在不(bu)同方向上(shang)的(de)(de)差(cha)異較(jiao)大。

（3）根據能譜分析結果，采(cai)用 3D 打印(yin)成(cheng)型的(de)葉片，w（V）為 4.14％。在 1/3 汽道處，α 相(xiang)穩(wen)定(ding)(ding)元素(su) Al和 β 相(xiang)穩(wen)定(ding)(ding)元素(su) V 分布不均(jun)，但也起(qi)到了穩(wen)定(ding)(ding)相(xiang)關相(xiang)成(cheng)分的(de)作(zuo)用，而其余(yu)位(wei)置的(de) β 相(xiang)穩(wen)定(ding)(ding)元素(su) V含量分布過于均(jun)勻或(huo)差異較大，未能起(qi)到促進 β 生長和穩(wen)定(ding)(ding)的(de)作(zuo)用，最終導(dao)致 β 相(xiang)含量過低。

5、結論和建議

（1）該 3D 打印(yin)的(de)激光光斑直徑選取過(guo)大(da)，可采用減小(xiao)(xiao)光斑直徑，增大(da)掃描功率和速(su)率，減小(xiao)(xiao)層(ceng)帶，提高重熔率，令組(zu)織更(geng)加(jia)均(jun)勻。

（2）改進熱(re)處理工藝，使葉片組織(zhi)更(geng)加均(jun)勻化，降低因(yin)組織(zhi)不均(jun)勻而造成的力學性能差異(yi)明顯。

（3）鈦合金(jin)的(de)(de)退火溫(wen)(wen)度(du)在(zai) β 單相(xiang)區時晶粒會急劇長大，在(zai)冷卻時會析出大的(de)(de)片狀 α 相(xiang)魏(wei)氏組(zu)織(zhi)(zhi)，嚴重降低材料的(de)(de)塑性(xing)，加之葉(xie)(xie)片總體的(de)(de) V 含量相(xiang)對于 GB/T 3620.1 的(de)(de)要求值離上限要求較近，所以可考慮適當(dang)降低葉(xie)(xie)片的(de)(de)退火溫(wen)(wen)度(du)，從而避免產生“β脆性(xing)”，以及導致 β 相(xiang)晶粒大量分解成為魏(wei)氏組(zu)織(zhi)(zhi)。

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