前言

激(ji)光選(xuan)區熔(rong)化(hua)成(cheng)(cheng)形（selective laser melting，SLM）技(ji)(ji)術是(shi)以原(yuan)型制(zhi)造(zao)技(ji)(ji)術為基本原(yuan)理發展起來的(de)(de)(de)一種先進的(de)(de)(de)激(ji)光增材制(zhi)造(zao)技(ji)(ji)術。通(tong)過專用軟(ruan)件(jian)(jian)對零件(jian)(jian)三維數(shu)模進行切(qie)片分層(ceng)，獲得(de)各(ge)截面的(de)(de)(de)輪(lun)廓(kuo)數(shu)據后，利用高(gao)能量(liang)激(ji)光束根(gen)據輪(lun)廓(kuo)數(shu)據層(ceng)選(xuan)擇(ze)性(xing)(xing)地熔(rong)化(hua)金(jin)屬粉(fen)末，通(tong)過逐層(ceng)鋪(pu)粉(fen)、逐層(ceng)熔(rong)化(hua)凝(ning)固堆積的(de)(de)(de)方(fang)式(shi)，制(zhi)造(zao)三維實體零件(jian)(jian)。SLM 技(ji)(ji)術可實現傳統工(gong)藝如鍛造(zao)、鑄造(zao)、焊接等無法制(zhi)造(zao)的(de)(de)(de)內部有(you)異(yi)形復雜結構的(de)(de)(de)高(gao)精度(du)、短流(liu)程零件(jian)(jian)的(de)(de)(de)制(zhi)造(zao)，而且成(cheng)(cheng)形零件(jian)(jian)的(de)(de)(de)性(xing)(xing)能滿足工(gong)程使用要(yao)求。

鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好、可焊性強等特點，廣泛應用于航空航天、醫療衛生、核動力行業等領域[1]。TA17 是一種我國基于前蘇聯牌號IIT-3B 合金研制的鈦合金材料 [2]。由于鈦(tai)合(he)金本身所具有(you)的(de)高(gao)(gao)(gao)熔(rong)點、高(gao)(gao)(gao)熔(rong)融態活性(xing)以及大(da)的(de)變形抗力等特(te)點，使得鈦(tai)合(he)金從原材料到零件制備(bei)成形的(de)成本及難度大(da)大(da)提高(gao)(gao)(gao)，且產(chan)量低(di)，周期長。SLM 制造(zao)鈦(tai)合(he)金具有(you)加工周期短、制造(zao)成本低(di)、高(gao)(gao)(gao)柔性(xing)化、高(gao)(gao)(gao)強度等特(te)點，在航空航天、醫療衛生(sheng)等多個專業領域(yu)受到越(yue)來越(yue)高(gao)(gao)(gao)的(de)重視(shi)[3]。

相關研究表明，SLM 成(cheng)(cheng)形件強度高(gao)、塑性差，需要熱處(chu)理(li)(li)方式進一(yi)步提高(gao)成(cheng)(cheng)形件的(de)綜合力學性能，若要達到工(gong)程應用，需提高(gao)材(cai)料塑性，改善材(cai)料性能[4]。文中(zhong)針對(dui)該問(wen)題，開展不同溫度、冷卻(que)方式下(xia)的(de)退(tui)(tui)火熱處(chu)理(li)(li)工(gong)藝(yi)研究，通過研究退(tui)(tui)火熱處(chu)理(li)(li)前后試驗(yan)件的(de)力學性能數據，分析(xi)退(tui)(tui)火熱處(chu)理(li)(li)工(gong)藝(yi)對(dui)TA17鈦合金SLM 試驗(yan)件的(de)影(ying)響(xiang)，獲得改善材(cai)料性能的(de)最(zui)優熱處(chu)理(li)(li)工(gong)藝(yi)。

1、 研究對象

開展TA17鈦合(he)金激光(guang)選(xuan)區熔(rong)化成(cheng)(cheng)形(xing)工藝(yi)試驗(yan)，獲得(de)了TA17鈦合(he)金SLM 試驗(yan)件(jian)(jian)。試驗(yan)采(cai)用德國EOS M400 金屬快速成(cheng)(cheng)形(xing)機。設備包含(han)冷卻系(xi)統(tong)、循環過(guo)濾系(xi)統(tong)、成(cheng)(cheng)型系(xi)統(tong)、氣(qi)體保護(hu)系(xi)統(tong)等多個系(xi)統(tong)，成(cheng)(cheng)形(xing)艙成(cheng)(cheng)型尺寸為(wei) 400 mm×400 mm×400 mm，激光(guang)功率≥ 1 000 W。試驗(yan)采(cai)用橫向(xiang)雙向(xiang)鋪粉，通過(guo)振(zhen)鏡調節激光(guang)束掃描(miao)成(cheng)(cheng)形(xing)艙基(ji)板每一個零件(jian)(jian)的(de)斷層(ceng)輪廓，逐層(ceng)疊(die)加最(zui)終成(cheng)(cheng)形(xing)整(zheng)個零件(jian)(jian)。

對試(shi)驗件(jian)進行了橫向（XY）/ 縱向（YZ/XZ）的室溫拉(la)伸、高溫拉(la)伸、沖擊試(shi)驗測試(shi)，結果如(ru)表(biao) 1、表(biao) 2所示(shi)。國(guo)內對TA17 的力(li)學性能要(yao)求(qiu)(qiu)如(ru)表(biao) 3 所示(shi)，對比可知(zhi)，TA17鈦合金SLM 試(shi)驗件(jian)滿足技術要(yao)求(qiu)(qiu)[5]。

由表 1~ 表 3 可(ke)知，TA17鈦合金SLM 試驗件各項力(li)學(xue)性(xing)(xing)能滿足(zu)國內TA17 力(li)學(xue)性(xing)(xing)能要求，具有(you)(you)較高的強度、較低的塑性(xing)(xing)。為了(le)使材料(liao)具有(you)(you)更加良好(hao)的綜(zong)合力(li)學(xue)性(xing)(xing)能，采用退火(huo)熱處(chu)理方(fang)式來(lai)提高材料(liao)塑性(xing)(xing)[6]。

2、 試驗過程及結果

2.1 試驗過程

TA17 是從TC4 演(yan)變(bian)而(er)來的(de)低合金α 型(xing)鈦合金，相變(bian)溫(wen)度(du)為 965~970 ℃，適(shi)當(dang)的(de)熱(re)(re)處(chu)(chu)理(li)能夠有(you)針對性(xing)的(de)進一步提高(gao)材(cai)料的(de)力學性(xing)能指(zhi)標(biao)[6-7]。退火(huo)熱(re)(re)處(chu)(chu)理(li)工藝研(yan)究主要從熱(re)(re)處(chu)(chu)理(li)溫(wen)度(du)、冷卻(que)方式兩個方面研(yan)究退火(huo)熱(re)(re)處(chu)(chu)理(li)對TA17鈦合金SLM 試驗件力學性(xing)能的(de)影響。

試驗(yan)分為 800~900 ℃空(kong)冷(leng)（AC）、800~900 ℃爐冷(leng)（FC）、900~950 ℃空(kong)冷(leng)（AC） 3 組不同退(tui)火熱處(chu)理工藝(yi)，具(ju)體的工藝(yi)指(zhi)標如表 4 所(suo)示。

2.2 室溫拉伸試驗結果(guo)

按照(zhao)GB/T228-2008《金屬材料(liao)室溫拉伸試驗(yan)(yan)方法(fa)》標準規(gui)定，對(dui)退火熱處理后的 3 組試驗(yan)(yan)件進行了橫向(xiang)（XY）/ 縱(zong)向(xiang)（YZ/XZ）的室溫拉伸試驗(yan)(yan)，結果(guo)如(ru)圖 1、圖 2 所示(shi)。 

分(fen)析圖(tu) 1、圖(tu) 2 可(ke)知：

（1）經過熱處理后，TA17鈦合(he)金SLM 試驗件(jian)的室(shi)溫抗拉強度、屈服強度均明顯地下降(jiang)，均滿(man)足標準要求；

（2）不(bu)同的(de)熱處理方式均(jun)會使材料的(de)伸長率有一(yi)定提高(gao)，而室(shi)溫斷面收縮率表現不(bu)同；

（3）經過(guo) 800~900 ℃空冷（AC）或(huo)800~900 ℃爐(lu)冷（FC）退(tui)火熱處(chu)理后，該材料(liao)的斷面收縮率明顯(xian)降低；

（4）經過 900~950 ℃空冷（AC）退(tui)火熱處理后，斷面收(shou)縮(suo)率(lv)有一定提高，表明(ming)該材料塑性得(de)到增強；

（5）經過 900~950 ℃空冷（AC）退火熱處(chu)理后，縱(zong)向YZ/XZ 方向與(yu)橫向XY 方向的室(shi)溫(wen)力學(xue)(xue)性(xing)能數據(ju)差異(yi)減小，表明該材料整體(ti)的室(shi)溫(wen)力學(xue)(xue)性(xing)能較均衡。

2.3 室(shi)溫沖擊試驗結(jie)果

按(an)照GB/T229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖(chong)擊(ji)試驗(yan)方法(fa)》標準規定，對(dui)退火熱處理后的 3 組試驗(yan)件進(jin)行(xing)了橫向(xiang)（XY）/ 縱向(xiang)（YZ/XZ）的室溫沖(chong)擊(ji)試驗(yan)，結(jie)果如圖 3 所示。

分析圖 3 可知，經(jing)過 800~900℃空冷（AC）或800~900℃爐冷（FC）退火熱(re)處理(li)(li)后，TA17鈦合金SLM試(shi)驗件的(de)沖(chong)擊韌性(xing)AKU 明顯降(jiang)低，但經(jing)過 900~950 ℃空冷（AC）退火熱(re)處理(li)(li)后，室溫(wen)沖(chong)擊韌性(xing)AKU 有一定(ding)增加，該材料的(de)韌性(xing)提高。

根據(ju)室溫拉(la)伸性(xing)能、沖擊性(xing)能結果，表明經(jing)900~950 ℃空冷（AC）退火熱處理(li)后(hou)，TA17鈦(tai)合金SLM 試驗件的(de)室溫的(de)塑性(xing)、韌性(xing)得到提(ti)高(gao)(gao)，為 3 種熱處理(li)工藝(yi)中最優。選定 900~950 ℃空冷（AC）熱處理(li)后(hou)的(de)試件開展 350 ℃高(gao)(gao)溫拉(la)伸性(xing)能試驗。

2.4 高溫拉伸試驗結果

按照GB/T4338-2006《金屬材料高溫試(shi)驗(yan)方法》標準規定，對 900~950 ℃空(kong)冷（AC）后的TA17鈦合(he)金SLM 試(shi)驗(yan)件開(kai)展高溫拉伸試(shi)驗(yan)，結果(guo)如圖 4、圖 5所示。

根據高溫（350℃）拉(la)伸試(shi)驗結果可(ke)知，經 900~950 ℃空冷（AC）退(tui)火熱(re)處(chu)理后：

（1）TA17鈦合金SLM試驗(yan)件(jian)的高溫（350 ℃）抗拉(la)強(qiang)度與屈服(fu)強(qiang)度均有(you)明顯降低，滿足技術(shu)要求；

（2）縱(zong)向(xiang)YZ/XZ 方(fang)向(xiang)與橫向(xiang)XY 方(fang)向(xiang)的力學(xue)性(xing)能(neng)數(shu)據差異減小(xiao)，表明該材(cai)料整體的力學(xue)性(xing)能(neng)較均衡；

（3）延伸率有顯著提(ti)高，與熱處理前相比提(ti)高了約 50%；

（4）橫向斷面(mian)收縮率略有降(jiang)低，縱向收縮率有所提高；

（5）橫、縱向的(de)高溫力學(xue)性(xing)能數據差異減小，表明該材(cai)料整體的(de)高溫力學(xue)性(xing)能較均衡(heng)。

綜(zong)合(he)來看，TA17鈦合(he)金SLM 試(shi)驗件經 900~950℃空(kong)冷（AC）退(tui)火熱處理后(hou)，室溫(wen)與高溫(wen)（350 ℃）強度(du)顯(xian)著降低，延伸(shen)率(lv)顯(xian)著提(ti)高，斷面收縮(suo)率(lv)有所提(ti)高，均(jun)滿足技術要求。表明(ming)該材料的室溫(wen)、高溫(wen)（350 ℃）的塑性(xing)與韌(ren)性(xing)得(de)到明(ming)顯(xian)提(ti)高。

3、 結論

通過對TA17鈦合金激光選(xuan)區(qu)熔化(hua)成形材料做退(tui)火熱(re)處理工(gong)藝試(shi)驗(yan)研究，對比(bi) 3 種不同溫(wen)度、冷(leng)卻方式下(xia)的退(tui)火熱(re)處理工(gong)藝后室溫(wen)拉(la)伸、350 ℃高(gao)溫(wen)拉(la)伸、沖擊試(shi)驗(yan)性能數(shu)據(ju)，得(de)到以下(xia)結論：

（1）800~900℃空冷(leng)或(huo)者爐冷(leng)熱處理后，該材料的室(shi)溫強度降低，塑(su)性提(ti)高(gao)，但韌性降低。

（2）900~950℃下保(bao)溫 2 h 后(hou)空冷(leng)（AC）為最優的(de)退火(huo)熱處(chu)理工藝(yi)方案(an)，在此方案(an)下，該材(cai)料的(de)強度降低，塑(su)性(xing)與(yu)韌性(xing)得到明顯提高，整體的(de)力學性(xing)能較均(jun)衡，滿足技術要求。

參考文獻：

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