激光增材修復(fù)TC6鈦合金工藝性能研究

范朝　程宗輝　張志強　程東海

摘要：在TC6鈦合金上進行激光增材TA15粉末試驗，利用WDW-100試驗機測量增材修復(fù)后試樣的抗拉強度，利用沖擊韌性試驗機測量修復(fù)后試樣的沖擊韌性，利用光學(xué)顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）觀察分析接頭的力學(xué)性能及接頭顯微組織構(gòu)成。研究結(jié)果表明：TC6損傷激光增材修復(fù)接頭成形良好，接頭界面結(jié)合處無裂紋、氣孔。接頭抗拉強度可達1 000 MPa，沖擊韌性可達27.5 J/cm2，試樣斷裂于靠近TC6母材的熱影響區(qū);TC6激光增材最佳工藝參數(shù)為：激光增材粉末TA15，激光功率1 400 W，掃描速度0.01 m/s，送粉器讀數(shù)low%（英文），載粉氣8 L/min，搭接率40%，光斑直徑2 mm，單熔覆層高度0.3 mm;TC6激光增材接頭由焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)、母材組成。焊縫區(qū)主要是細小的針狀馬氏體;熔合區(qū)半融化的晶粒主要是基底外延生長的β柱狀晶，并且熔合區(qū)由粗大的柱狀晶組成，晶粒呈“八”字形生長;熱影響區(qū)主要為α'片狀馬氏體。

關(guān)鍵詞：TC6;TA15粉末;熱影響區(qū);熔合區(qū)

中圖分類號：TG456.7文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0115-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.21

0 前言

TC6鈦合金是馬氏體型α+β兩相熱強鈦合金，是目前應(yīng)用最廣泛的Ti-Al-Mo-Cr-Fe-Si系鈦合金，其名義成分為Ti-6Al-1.5Mo-2.5Cr-0.5Fe-0.3Si，使用溫度可達450 ℃左右[1-4]，廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。然而TC6鈦合金制重要承力構(gòu)件在使用過程中存在表面腐蝕、劃傷、裂紋等缺陷，一般通過激光增材修復(fù)完成，并確保增材修復(fù)接頭性能滿足使用要求。TC6鈦合金結(jié)構(gòu)件屬于關(guān)鍵承力件，價格貴，采用換新修理成本高、采購周期長，嚴重影響生產(chǎn)效率。激光焊接具有能量密度高、掃描速度快、熱影響區(qū)小、增材變形小、熔池凈化效應(yīng)明顯等優(yōu)點，因此在航空維修過程中開展激光增材修復(fù)TC6鈦合金材料研究具有廣闊的發(fā)展前景。目前激光增材修復(fù)的研究主要集中在鈦合金、結(jié)構(gòu)鋼、奧氏體不銹鋼等損傷零部件的修復(fù)上。欽蘭云等[5]對BT20鈦合金鍛件當量孔損傷進行激光增材修復(fù)試驗，研究表明增材區(qū)與基材之間形成了致密冶金結(jié)合，Al、Zr、Mo、V合金元素由鍛件基體到激光增材區(qū)均勻分布，無宏觀偏析，硬度分布從基材到增材區(qū)依次提高。熱影響區(qū)組織是由基材的雙態(tài)組織過渡到網(wǎng)籃組織;沉積區(qū)組織為粗大的原始柱狀β晶，晶粒內(nèi)為α/β網(wǎng)籃組織，晶內(nèi)α片層取向隨機。張志強等[6]采用激光增材修復(fù)30CrMnSiNi2A鋼制零件表面損傷，研究表明熔覆層與基體呈現(xiàn)牢固的冶金結(jié)合，基體熱影響區(qū)域小，熔覆區(qū)的抗拉強度大于基體強度的80%，熔覆區(qū)材質(zhì)的脆性較基材有所增加。

本研究針對TC6鈦合金進行激光增材修復(fù)試驗，獲得了質(zhì)量較好的激光增材接頭，并對工藝參數(shù)對接頭力學(xué)性能和顯微組織轉(zhuǎn)變的影響進行分析，為激光增材修復(fù)TC6在航空維修中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 試驗材料及方法

試驗材料為TC6棒材，填充材料為TA15球形合金粉末，粒徑為60～120 μm，材料的主要成分如表1所示，主要物理性能如表2所示，試驗工藝參數(shù)如表3所示。材料預(yù)處理：激光熔覆前將TC6基體表面打磨粗化，之后用無水乙醇清洗基體材料，去除表面油污。試驗在激光熔覆成套設(shè)備（LFR-M-Ⅱ）上完成。增材修復(fù)合金粉末經(jīng)光內(nèi)同軸送粉噴嘴送進激光熔池。為防止氧化，采用高純氬氣進行保護。試驗件上預(yù)制槽型缺口如圖1、圖2所示，利用激光增材修復(fù)設(shè)備進行激光增材修復(fù)試驗，并機械加工制作拉伸試樣、沖擊試樣后進行X射線探傷，檢測接頭內(nèi)部缺陷情況。增材修復(fù)層位于試樣的中心。拉伸試驗在WDW-100試驗機上完成，沖擊試驗在沖擊試驗機上完成，試驗結(jié)果如表4所示。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 激光增材熱輸入對TC6激光增材接頭力學(xué)性能的影響

本試驗的目的是通過設(shè)置激光功率、掃描速度來研究激光增材熱輸入對TC6接頭抗拉強度、沖擊韌性的影響（試驗中固定送粉器讀數(shù)low%（英文），載粉氣8 L/min，搭接率50%，光斑直徑2 mm;單道熔覆層高度不大于0.3 mm）。由表4可知，修復(fù)試樣均斷裂于靠近母材的熱影響區(qū)。在修復(fù)粉末一定的情況下，TC6激光增材試樣力學(xué)性能主要受激光熱輸入影響，即受激光功率、掃描速率等因素影響。

不同激光熱輸入對接頭抗拉強度影響如圖3所示。可以看出，隨激光熱輸入的增加，接頭抗拉強度先增大后減小，當激光熱輸入為80 J/mm時，因熱輸入較小，熔合區(qū)成形不佳，抗拉強度僅為800 MPa，為TC6母材基體抗拉強度的73%。當激光熱輸入為140 J/mm時，TC6接頭抗拉強度為1 000 MPa，可達母材基體抗拉強度的92.2%;當激光熱輸入為200 J/mm時，抗拉強度為900 MPa，說明激光熱輸入過大，激光熱累積效應(yīng)使得接頭組織變?yōu)榇执蟮闹鶢罹?，由于熱脹冷縮導(dǎo)致接頭殘余應(yīng)力變大，力學(xué)性能降低。

不同激光熱輸入對接頭沖擊韌性的影響如圖4所示。由圖可知，接頭的沖擊韌性隨著激光熱輸入的增加呈先突增后緩慢下降的特點。激光熱輸入為200 J/mm時，接頭沖擊韌性較低，原因是過大的激光熱輸入使基體熔化過多，導(dǎo)致基體元素?zé)岱瓭L至增材修復(fù)層中，同時接頭在組織轉(zhuǎn)變過程中晶粒粗大，此時熔池還伴隨著飛濺，且增材修復(fù)層、熱影響區(qū)附近顯示為淡黃色，在較大的熱輸入作用下，熔池金屬處于熔融態(tài)時間延長，增加了液態(tài)金屬與氧氣接觸時間，增大了接頭表面氧化傾向和熱變形，進而導(dǎo)致TC6增材試樣殘余應(yīng)力大，沖擊韌性較低;隨著激光熱輸入的降低，增材修復(fù)成形良好，熔合區(qū)成形較好，晶粒細小，接頭沖擊韌性逐漸提高。當激光熱輸入為140 J/mm時，接頭沖擊韌性達到最大27.5 J/cm2。

綜上所述，TC6激光增材修復(fù)最佳參數(shù)為：固定送粉器讀數(shù)low%（英文），載粉氣8 L/min，搭接率40%，光斑直徑2 mm，激光功率1 400 W，激光掃描速度0.01 m/s。在此工藝參數(shù)下對所獲得接頭進行顯微組織分析，并對鈦合金在不同激光熱輸入下的組織轉(zhuǎn)變進行分析。

2.2 激光增材修復(fù)TC6合金的顯微組織

2.2.1 最優(yōu)工藝參數(shù)下熔合區(qū)及熱影響區(qū)組織分析

TC6激光增材接頭熔合區(qū)與熱影響區(qū)低倍微觀組織照片和掃描電鏡微觀組織照片分別如圖5、圖6所示。由圖可知，熔合區(qū)、熱影響區(qū)均未觀察到裂紋和氣孔。圖5b中有以熔合區(qū)半融化的晶粒為基底外延生長的β柱狀晶，并且熔合區(qū)由粗大的柱狀晶組成，晶粒呈“八”字形生長，其邊界依稀可見。這是由于鈦合金的導(dǎo)熱性能較差，對過熱十分敏感，晶粒的生長方式由激光增材熱源作用特點決定。增材區(qū)這種粗大的晶粒將會嚴重增加組織的脆性。進一步放大觀察熔合區(qū)微觀組織（見圖6a），可見柱狀晶內(nèi)部細小的針狀馬氏體呈網(wǎng)籃狀分布。這是因為激光焊接過程中熔合區(qū)金屬被加熱到相變點以上，且焊后冷卻度很快，導(dǎo)致相變過程中以柱狀晶形式存在的β相來不及轉(zhuǎn)變成α相，而是發(fā)生了β→α'無擴散形轉(zhuǎn)變，α'是合金元素在α相中來不及擴散形成的過飽和固溶體，又稱鈦馬氏體。在激光增材修復(fù)時溫度和應(yīng)力的綜合作用下，形成網(wǎng)籃狀亞結(jié)構(gòu)，其塑性、蠕變抗力及高溫持久強度等綜合性能都較好。

熱影響區(qū)是在激光熱源的作用下，增材區(qū)兩側(cè)母材發(fā)生組織變化的區(qū)域。由于激光增材修復(fù)速度快，能量密度集中，所以熱影響區(qū)非常窄，為α+β+α'組織（見圖5c），與在β轉(zhuǎn)變溫度以下淬火的組織相似，形狀為細小的馬氏體針，α'片狀集團的數(shù)量較多。這是由于此處熱影響區(qū)的溫度低于熔合區(qū)，使得α相并未完全轉(zhuǎn)變。而已轉(zhuǎn)變的α相因高溫停留時間短，β相沒有發(fā)生嚴重的晶粒長大，且相變時的形核較多，于是形成大量的細小β相晶粒，在快速冷卻時形成了大量細小的馬氏體。進一步放大熱影響區(qū)顯微組織（見圖6b）發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)的針狀馬氏體較熔合區(qū)更少更細，這是因為遠離熔合區(qū)的熱影響區(qū)中的加熱溫度沒有超過相變點，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的β相少，高溫停留時間短，不易發(fā)生晶粒的異常長大。

2.2.2 激光熱輸入對微觀組織的影響

鈦合金的導(dǎo)熱性能較差，對激光熱循環(huán)非常敏感，因此激光熱輸入的改變會對增材區(qū)和熱影響區(qū)的組織產(chǎn)生很大影響。

采用不同的激光熱輸入時，增材區(qū)中部柱狀晶的尺寸變化不明顯，而晶粒內(nèi)部針狀馬氏體的尺寸和形態(tài)有所不同，如圖7所示。隨著熱輸入的增大，針狀馬氏體的數(shù)量增多，分布更加密集。且高的線能量下馬氏體針更加粗大，分布更加散亂。分析原因：一方面熱輸入量的增大導(dǎo)致實際增材溫度升高，增材區(qū)組織在β轉(zhuǎn)化溫度以上的停留時間變長，因此高線能量時增材區(qū)針狀馬氏體組織比小線能量的尺寸更大。二是隨著熱輸入的增大，合金元素（尤其是Al）的燒損嚴重，使得β相的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降低，使得β相容易發(fā)生孿生變形而形成取向各異的馬氏體針，大量馬氏體針交互生長造成了分布更加散亂的網(wǎng)籃狀組織。增材區(qū)精細結(jié)構(gòu)中這種雜亂無序的排列方式對提高接頭性能影響明顯，因為在相同變形量下，變形會分散在更多的板條晶粒內(nèi)部進行，晶粒內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變度相差較小，變形較均勻，引起的應(yīng)力集中也減小。此外晶界的曲折性也有利于阻礙裂紋的傳播。當激光熱輸入量選擇適中時，一方面可以使得馬氏體的排列接近雜亂無章狀態(tài)，增材區(qū)變形更加均勻，且有效阻礙裂紋的傳播;另一方面，相對于大熱輸入量，激光沉積時晶粒更加細小，對于增材區(qū)的塑性有所改善。

3 結(jié)論

（1）TC6損傷激光增材接頭成形良好，接頭界面結(jié)合處無裂紋、氣孔。接頭抗拉強度可達1 000 MPa，沖擊韌性可達27.5 J/cm2，試樣斷裂于靠近TC6母材的熱影響區(qū)。

（2）TC6激光增材最佳工藝參數(shù)為：激光增材粉末TA15，激光功率1 400 W，掃描速度0.01 m/s，送粉器讀數(shù)low%（英文），載粉氣400 L/h，搭接率40%，光斑直徑2 mm，單熔覆層高度0.3 mm。

（3）TC6激光增材接頭由焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)、母材組成。焊縫區(qū)主要是細小的針狀馬氏體;熔合區(qū)半融化的晶粒主要是基底外延生長的β柱狀晶，并且熔合區(qū)由粗大的柱狀晶組成，晶粒呈“八”字形生長;熱影響區(qū)主要為α'片狀馬氏體。

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