前言

TA15(Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr)鈦合(he)(he)(he)金(jin)(jin)，是一種(zhong)典型(xing)的(de)近α型(xing)鈦合(he)(he)(he)金(jin)(jin)，具有比強度高、耐蝕(shi)性強、焊接(jie)性好的(de)特點，在坦克裝甲(jia)、武(wu)裝直升機、船(chuan)舶等(deng)防護領域有著關鍵應(ying)用[1－5]。但傳統鈦合(he)(he)(he)金(jin)(jin)加(jia)工制(zhi)(zhi)造(zao)工藝如鑄造(zao)、鍛造(zao)等(deng)存在生產(chan)周(zhou)期長(chang)、材料利(li)用率低(di)、過(guo)程(cheng)可控性小等(deng)不足，嚴重限制(zhi)(zhi)了鈦合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)進一步應(ying)用。鈦合(he)(he)(he)金(jin)(jin)加(jia)工周(zhou)期延長(chang)，提高了產(chan)品加(jia)工成本。增材制(zhi)(zhi)造(zao)技術(shu)能夠實現(xian)近凈成形，僅需少(shao)量加(jia)工，因此其在鈦合(he)(he)(he)金(jin)(jin)廣泛(fan)應(ying)用減少(shao)了成產(chan)成本，提高市場響(xiang)應(ying)速率。

近幾(ji)年(nian)來，增(zeng)(zeng)材(cai)(cai)制(zhi)造[6](AM，AddiTiVeMAn-ufActuring)技術(shu)的(de)(de)快速發展為解(jie)決傳統(tong)制(zhi)造的(de)(de)難(nan)題(ti)提供了(le)(le)解(jie)決途徑。對鈦(tai)合金的(de)(de)增(zeng)(zeng)材(cai)(cai)研究主要(yao)集中于激光增(zeng)(zeng)材(cai)(cai)。SAbbAn[７]研究了(le)(le)tA1的(de)(de)激光增(zeng)(zeng)材(cai)(cai)技術(shu)，創新性(xing)的(de)(de)使用(yong)循(xun)環熱處(chu)(chu)理(li)方式將(jiang)α晶粒球化并獲得雙態微觀結(jie)構，在保持(chi)材(cai)(cai)料(liao)原(yuan)有高強度(du)的(de)(de)同時，提高了(le)(le)延展性(xing)和韌性(xing)。ShengＺhAng等[８]研究了(le)(le)熱處(chu)(chu)理(li)對增(zeng)(zeng)材(cai)(cai)TA15組織(zhi)的(de)(de)影響并獲得了(le)(le)綜合性(xing)能良好三(san)態組織(zhi)。

然(ran)而，激光設(she)備投資大(da)(da)、運(yun)行(xing)(xing)成本高、沉(chen)積效率低(di)，無法滿足日(ri)益增長的大(da)(da)型(xing)結構件快速制造(zao)需求。絲(si)材＋電弧(hu)(hu)增材制造(zao)(Wire＋ArcAddi-TiVeMAnufActuring，WAAM)是一種以電弧(hu)(hu)為熱源、絲(si)材為填充金屬進(jin)行(xing)(xing)逐(zhu)層(ceng)堆積的增材制造(zao)技術(shu)[9]。

與(yu)以電子束(shu)、激(ji)光(guang)等(deng)(deng)(deng)為熱(re)源增(zeng)材(cai)方式相(xiang)(xiang)比(bi)，WAAM技術具有沉積(ji)效率高、材(cai)料利用率高、設(she)備(bei)投資成(cheng)(cheng)本(ben)低(di)等(deng)(deng)(deng)巨大(da)優勢，受(shou)到了國內(nei)外研究學者(zhe)的(de)(de)廣泛關注。Wu等(deng)(deng)(deng)[10]研究了tc４電弧增(zeng)材(cai)過(guo)程中(zhong)熱(re)積(ji)累對成(cheng)(cheng)形(xing)質量的(de)(de)影(ying)響(xiang)，發現由于散(san)熱(re)路徑的(de)(de)改變將影(ying)響(xiang)構件形(xing)狀特征。等(deng)(deng)(deng)離(li)子電弧增(zeng)材(cai)技術以壓縮電弧為熱(re)源，能量密(mi)度高、沉積(ji)效率高、成(cheng)(cheng)型精度高、電弧穩(wen)定性強的(de)(de)特點，在鈦合金(jin)增(zeng)材(cai)制造(zao)領域有著重要應用。徐俊強等(deng)(deng)(deng)[11]研究了協同送(song)絲等(deng)(deng)(deng)離(li)子增(zeng)材(cai)制造(zao)異種鈦合金(jin)組織與(yu)性能，結果(guo)表(biao)明增(zeng)材(cai)構件中(zhong)存在兩種微(wei)觀組織形(xing)態，即(ji)分(fen)布在沉積(ji)層(ceng)交界處(chu)的(de)(de)α相(xiang)(xiang)集(ji)束(shu)組織和分(fen)布在沉積(ji)層(ceng)中(zhong)心的(de)(de)α＋β相(xiang)(xiang)片層(ceng)組織，成(cheng)(cheng)功將等(deng)(deng)(deng)離(li)子電弧增(zeng)材(cai)應用到異種鈦合金(jin)的(de)(de)制造(zao)。

由于目前使(shi)用等離子(zi)電弧增材(cai)制造TA15鈦合(he)(he)金(jin)的研(yan)究較少。本文通過研(yan)究等離子(zi)電弧增材(cai)制造TA15鈦合(he)(he)金(jin)組織與(yu)(yu)性能，以期擴展(zhan)TA15成(cheng)型方法(fa)與(yu)(yu)應(ying)用，為(wei)鈦合(he)(he)金(jin)電弧增材(cai)發展(zhan)應(ying)用提供理論與(yu)(yu)實踐(jian)基礎。

1、試驗材料及方法

等離子電弧增材示意圖如圖1所示。基板為200MM×100MM×6MM的TA15鈦合金板材，沉積金屬為(wei)TA15鈦合金絲材，其化(hua)學成分如表(biao)1所示。

增材(cai)開始前，對鈦(tai)合金(jin)基(ji)板的待增材(cai)表(biao)(biao)面進行打磨并用丙酮擦拭，除去表(biao)(biao)面氧化(hua)層和油(you)污(wu)。使用夾具(ju)固定基(ji)板，防止(zhi)基(ji)板變(bian)形對增材(cai)過(guo)程產生(sheng)影響。

增材時，在一層堆積完成后(hou)，下一層電弧運(yun)動方向(xiang)與(yu)上(shang)一層運(yun)動方向(xiang)相反(fan)。等離子電弧增材制造TA15鈦合金工(gong)藝參(can)數如表2所示。

增材完成后(hou)，從增材構(gou)件上(shang)使(shi)用線切割機(ji)取拉(la)伸試樣和金相(xiang)(xiang)試樣進(jin)行表征。取樣方(fang)式如圖1所示(shi)。對金相(xiang)(xiang)試樣依(yi)次在2４0＃、４00＃、600＃、８00＃、1200＃、2000＃砂紙上(shang)進(jin)行打磨至光亮，經拋光、腐(fu)蝕劑(ji)(３MＬhf、３0MＬhno３、6７MＬh2o2)腐(fu)蝕、酒精清洗并(bing)吹干后(hou)獲(huo)得金相(xiang)(xiang)試樣。

依據標準gb/t22８—2002取(qu)得拉伸試(shi)樣(yang)，并利用(yong)(yong)萬能(neng)試(shi)驗(yan)機測試(shi)室溫下的拉伸性(xing)能(neng)，分析不(bu)同(tong)區(qu)域的性(xing)能(neng)變(bian)化規律(lv)。采用(yong)(yong)光學顯微(wei)鏡(jing)對增材樣(yang)件顯微(wei)組織進(jin)行表征(zheng)，使用(yong)(yong)feiＱuAntA250f場發射掃(sao)描(miao)電鏡(jing)觀察微(wei)觀組織及(ji)拉伸斷口(kou)形貌。

2、試驗結果及分析

2.1增材TA15微觀(guan)組織(zhi)

取(qu)電(dian)弧(hu)增(zeng)材(cai)TA15直壁上(shang)(shang)(shang)、中、下三(san)部分(fen)金(jin)(jin)相試樣，獲得微(wei)觀組(zu)織(zhi)(zhi)如圖(tu)(tu)2所示(shi)，其(qi)中圖(tu)(tu)2A、圖(tu)(tu)2c、圖(tu)(tu)2e為(wei)不同位(wei)置的金(jin)(jin)相照片(pian)(pian)，圖(tu)(tu)2b、圖(tu)(tu)2d、圖(tu)(tu)2f為(wei)不同位(wei)置的SeM照片(pian)(pian)。從圖(tu)(tu)2A中可以看出，上(shang)(shang)(shang)部組(zu)織(zhi)(zhi)主要有類似于網籃(lan)(lan)的網籃(lan)(lan)組(zu)織(zhi)(zhi)，以及取(qu)向一致的片(pian)(pian)層狀組(zu)織(zhi)(zhi)，另(ling)外存(cun)在(zai)少量的針狀α和α′。結合TA15相圖(tu)(tu)，不難(nan)分(fen)辨出，上(shang)(shang)(shang)部微(wei)觀組(zu)織(zhi)(zhi)主要由針、片(pian)(pian)狀α、針狀馬氏體(ti)α′、網籃(lan)(lan)組(zu)織(zhi)(zhi)、魏氏組(zu)織(zhi)(zhi)及大等軸原始β晶組(zu)成(cheng)(cheng)(cheng)。其(qi)中，馬氏體(ti)α′相的形成(cheng)(cheng)(cheng)主要與增(zeng)材(cai)過程中的形核、冷卻(que)速度(du)以及成(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)擴散有關。對于最上(shang)(shang)(shang)部組(zu)織(zhi)(zhi)，等離(li)子增(zeng)材(cai)完(wan)成(cheng)(cheng)(cheng)后，最上(shang)(shang)(shang)層鈦合金(jin)(jin)溫度(du)高于β相轉變溫度(du)，且散熱(re)較快，β相在(zai)較快的冷卻(que)速度(du)下轉變成(cheng)(cheng)(cheng)馬氏體(ti)。

中層(ceng)位(wei)置主(zhu)要(yao)有(you)網籃組(zu)織(zhi)(zhi)、少(shao)量魏氏組(zu)織(zhi)(zhi)、少(shao)量馬氏體α′、集束組(zu)織(zhi)(zhi)、棒狀α和原始β晶界。中、下位(wei)置α′的(de)(de)減(jian)少(shao)的(de)(de)主(zhu)要(yao)原因是(shi)，后續(xu)(xu)多(duo)層(ceng)熱(re)循環的(de)(de)累積(ji)(ji)，對中下層(ceng)有(you)熱(re)處理作用，使得馬氏體α′分解，并形(xing)成集束組(zu)織(zhi)(zhi)[12]。而中、下位(wei)置的(de)(de)片層(ceng)寬度增大，也(ye)是(shi)后續(xu)(xu)沉(chen)積(ji)(ji)層(ceng)的(de)(de)熱(re)積(ji)(ji)累而形(xing)成的(de)(de)熱(re)處理作用。

下(xia)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)位置的組(zu)織(zhi)與(yu)中(zhong)(zhong)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)相似，有(you)(you)網籃組(zu)織(zhi)、部分針狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)α、少量α′、魏氏組(zu)織(zhi)、原始β晶界，但有(you)(you)比(bi)中(zhong)(zhong)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)組(zu)織(zhi)更加明(ming)顯(xian)的短棒(bang)(bang)(bang)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)(等(deng)軸狀(zhuang)(zhuang)(zhuang))α晶。值得關注(zhu)的是中(zhong)(zhong)、下(xia)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)組(zu)織(zhi)存在短棒(bang)(bang)(bang)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)(或等(deng)軸狀(zhuang)(zhuang)(zhuang))α，且下(xia)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)棒(bang)(bang)(bang)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)α較中(zhong)(zhong)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)尺(chi)寸大(da)，這是由于(yu)中(zhong)(zhong)、下(xia)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)組(zu)織(zhi)受到后續沉(chen)積層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)熱(re)處理作(zuo)用，使得短棒(bang)(bang)(bang)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)α生(sheng)長(chang)。通常(chang)認為(wei)短棒(bang)(bang)(bang)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)的α晶初生(sheng)α晶，片層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)α晶為(wei)次(ci)生(sheng)α晶[８]。中(zhong)(zhong)、下(xia)部組(zu)織(zhi)與(yu)上部組(zu)織(zhi)有(you)(you)著明(ming)顯(xian)差(cha)別，主(zhu)要是由于(yu)中(zhong)(zhong)下(xia)部層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)收到了后續多層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)熱(re)循(xun)環(huan)作(zuo)用。中(zhong)(zhong)下(xia)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)α片層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)尺(chi)寸更大(da)。三個位置均有(you)(you)取向一致的α針片狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)組(zu)織(zhi)。這是由于(yu)直壁構件(jian)整體散(san)熱(re)較慢，冷(leng)卻速度遠(yuan)小于(yu)最上層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)組(zu)織(zhi)，過冷(leng)度較小，易于(yu)晶界處形(xing)核并生(sheng)長(chang)，從(cong)而形(xing)成(cheng)取向一致的針片狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)α從(cong)組(zu)織(zhi)。

另外可以看到，顯微組織中同(tong)時(shi)存在不(bu)連續晶(jing)(jing)界(jie)和連續晶(jing)(jing)界(jie)(圖(tu)2A)。李雷(lei)等[12]認為，該晶(jing)(jing)界(jie)是(shi)(shi)由塊狀的初生α相組成(cheng)。沒有形(xing)(xing)(xing)成(cheng)連續晶(jing)(jing)界(jie)的原因是(shi)(shi)，晶(jing)(jing)界(jie)處溫(wen)度(du)低，冷卻速度(du)較慢(man)，過冷度(du)較小(xiao)，α在該處形(xing)(xing)(xing)核并緩慢(man)長(chang)大，從而形(xing)(xing)(xing)成(cheng)不(bu)連續晶(jing)(jing)界(jie)。

2.2增材TA15力學性能

不同方向不同部(bu)位的拉伸性能(neng)如圖３所示(shi)。

可以看出，等離(li)子增(zeng)材(cai)(cai)TA15鈦合金，對于(yu)(yu)平(ping)行于(yu)(yu)焊(han)縫(feng)(feng)方(fang)向的(de)(de)試樣(yang)，其(qi)抗拉強(qiang)度和(he)屈(qu)服強(qiang)度均大于(yu)(yu)垂直于(yu)(yu)焊(han)縫(feng)(feng)方(fang)向的(de)(de)試樣(yang)，伸長率小于(yu)(yu)垂直于(yu)(yu)焊(han)縫(feng)(feng)方(fang)向的(de)(de)試樣(yang)，增(zeng)材(cai)(cai)試樣(yang)具(ju)有明顯的(de)(de)各向異性；從上到下，抗拉強(qiang)度逐漸增(zeng)大。主要(yao)是由(you)于(yu)(yu)受到多層(ceng)熱(re)循環的(de)(de)作用(yong)，中(zhong)(zhong)下部組織殘留β基體中(zhong)(zhong)生長出更多片層(ceng)狀(zhuang)次生α相，使(shi)得試樣(yang)強(qiang)度增(zeng)大。由(you)于(yu)(yu)增(zeng)材(cai)(cai)時(shi)電弧運動路徑(jing)上下層(ceng)不同，使(shi)得增(zeng)材(cai)(cai)冷卻后沒(mei)(mei)有形成貫穿多層(ceng)的(de)(de)大柱狀(zhuang)晶粒，且左右兩側(ce)受熱(re)作用(yong)相似(si)，因此同一水(shui)平(ping)方(fang)式(shi)取樣(yang)下，垂直于(yu)(yu)焊(han)縫(feng)(feng)方(fang)向的(de)(de)兩側(ce)試樣(yang)強(qiang)度沒(mei)(mei)有明顯的(de)(de)差(cha)距。

圖(tu)４顯示(shi)了(le)三組平行(xing)于(yu)焊縫方向試(shi)樣(yang)的(de)典(dian)型拉(la)伸斷(duan)口(kou)(kou)微觀形(xing)貌。圖(tu)４A斷(duan)口(kou)(kou)含(han)有(you)剪切韌(ren)窩(wo)以及少(shao)量(liang)等(deng)軸韌(ren)窩(wo)，是一種典(dian)型的(de)延性(xing)(xing)斷(duan)裂(lie)特(te)征(zheng)。圖(tu)４b顯示(shi)了(le)平行(xing)于(yu)焊縫方向中部(bu)的(de)拉(la)伸斷(duan)裂(lie)形(xing)貌，其中含(han)有(you)較多(duo)的(de)等(deng)軸韌(ren)窩(wo)，這也(ye)驗證(zheng)了(le)圖(tu)４b組試(shi)樣(yang)的(de)抗拉(la)強度大于(yu)圖(tu)４A組試(shi)樣(yang)。圖(tu)４c斷(duan)口(kou)(kou)有(you)明顯的(de)準解(jie)理斷(duan)裂(lie)特(te)征(zheng)，為(wei)韌(ren)、脆混合斷(duan)裂(lie)。這也(ye)證(zheng)明了(le)下(xia)層位置(zhi)的(de)試(shi)樣(yang)塑(su)性(xing)(xing)較差，主要是由于(yu)熱累積使得下(xia)層晶粒生長而(er)粗大。

同時值得關注的(de)(de)是，水平(ping)(ping)垂直于(yu)(yu)(yu)焊(han)縫試樣(yang)的(de)(de)左、右兩(liang)部(bu)(bu)分(fen)的(de)(de)塑(su)(su)性(xing)高于(yu)(yu)(yu)中(zhong)部(bu)(bu)位置。通(tong)常在增材過程中(zhong)，水平(ping)(ping)方向上焊(han)縫中(zhong)心位置較(jiao)兩(liang)側散熱速(su)度(du)慢，片(pian)層間距較(jiao)大(da)，晶(jing)粒(li)(li)較(jiao)粗?而邊緣(yuan)冷卻速(su)度(du)快(kuai)，片(pian)層間距較(jiao)窄，晶(jing)粒(li)(li)較(jiao)小。通(tong)常細化晶(jing)粒(li)(li)后，單位體(ti)積內晶(jing)粒(li)(li)增多，變形(xing)易分(fen)散在更多的(de)(de)晶(jing)粒(li)(li)中(zhong)，不容易造(zao)成應力集中(zhong)，從而使得塑(su)(su)性(xing)提(ti)高。因此(ci)同一水平(ping)(ping)方向上，邊緣(yuan)位置的(de)(de)塑(su)(su)性(xing)略高于(yu)(yu)(yu)中(zhong)心部(bu)(bu)位的(de)(de)塑(su)(su)性(xing)。

從本(ben)文(wen)分析可以看(kan)出(chu)，等離子電(dian)弧(hu)增材直(zhi)壁(bi)試樣的拉伸性能在二(er)維(wei)方向具有(you)明顯的方向性，差距(ju)較大。

４、結論

(1)等(deng)(deng)離(li)子電弧增材獲(huo)得的直壁體(ti)中，上層(ceng)(ceng)組(zu)(zu)(zu)織主要有(you)(you)針、片狀(zhuang)α、針狀(zhuang)馬(ma)氏(shi)體(ti)α′相、網籃(lan)組(zu)(zu)(zu)織、魏氏(shi)組(zu)(zu)(zu)織及大等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)原始β晶(jing)?中下層(ceng)(ceng)組(zu)(zu)(zu)織較為相似(si)，均有(you)(you)網籃(lan)組(zu)(zu)(zu)織、少(shao)量魏氏(shi)組(zu)(zu)(zu)織、少(shao)量馬(ma)氏(shi)體(ti)α′、集束組(zu)(zu)(zu)織、原始β晶(jing)界，但下層(ceng)(ceng)組(zu)(zu)(zu)織存(cun)在(zai)短棒狀(zhuang)(等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)狀(zhuang))α晶(jing)，為初生α相。

(2)等離子電弧(hu)增(zeng)材獲得的直壁(bi)體中(zhong)，沿增(zeng)材方(fang)向組織差異明顯，中(zhong)下層α片層寬度(du)較(jiao)上層大(da)。

(３)TA15電弧增材制造直壁構(gou)件存在(zai)明顯的(de)各向異性，平行于焊(han)縫方(fang)向的(de)抗(kang)拉(la)強度大于垂直于焊(han)縫方(fang)向的(de)抗(kang)拉(la)強度。

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