TC17鈦合金激光增材修復(fù)組織與性能*

劉佳權(quán),卞宏友▲

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110870;2.遼寧省激光表面工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng) 110870)

TC17鈦合金具有高強(qiáng)度、高韌性等特點(diǎn),常用于制造壓氣機(jī)整體葉盤(pán)等[1,2]。但是在高溫高壓高轉(zhuǎn)速的嚴(yán)苛工況下,TC17合金零部件容易出現(xiàn)燒蝕、磨損等損傷。而激光修復(fù)技術(shù)采用激光作為加熱源,將粉末同步吹送到基體,使表面上的金屬粉末融化,修復(fù)處基體表面形成熔池。因熔融態(tài)金屬之間存在著相互擴(kuò)散,可以使修復(fù)界面達(dá)到冶金結(jié)合。相對(duì)于常規(guī)焊接修復(fù),激光修復(fù)技術(shù)的特點(diǎn)是熱影響區(qū)很小、成形組織緊密,可以提高合金的耐磨性,有助于取得較好的修復(fù)效果[3]。

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)激光增材修復(fù)技術(shù)已開(kāi)展了大量研究。鄭超等[4]對(duì)激光修復(fù)TC18鈦合金組織及性能進(jìn)行了研究,對(duì)修復(fù)件進(jìn)行退火,基材到修復(fù)區(qū)的強(qiáng)度逐漸提高。楊光等[5]采用激光修復(fù)TC4鈦合金,研究發(fā)現(xiàn)修復(fù)區(qū)與基材形成了致密的冶金結(jié)合。楊光等[6]研究激光修復(fù)中熱行為對(duì)其微觀組織的影響,發(fā)現(xiàn)由于熱循環(huán)的影響,晶內(nèi)α相分別呈現(xiàn)針狀、片層狀和板條狀。卞宏友等[7]研究了工藝參數(shù)對(duì)激光修復(fù)鈦合金組織及硬度的影響,發(fā)現(xiàn)功率越大,顯微硬度越大。

目前關(guān)于增材修復(fù)TC17鈦合金的研究報(bào)道較少,為此本文開(kāi)展了TC17鈦合金激光增材修復(fù)技術(shù)的研究,研究了修復(fù)件的顯微組織特征、顯微硬度分布及摩擦磨損性能的變化,對(duì)后續(xù)的工程化應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用LDM-4030激光沉積制造系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)試驗(yàn),基體為T(mén)C17鈦合金鍛件,粉末材料為T(mén)C17鈦合金球形粉末,粒度為44～149 μm。TC17鈦合金基板、粉末化學(xué)成分如表1、表2所示。

表1 TC17鈦合金基板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2 TC17鈦合金粉末的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

激光修復(fù)工藝參數(shù)范圍為激光功率P:1100～1500 W,掃描速度Vs:5～7 mm/s,送粉速度取恒定值Vf:0.6 r/min,光斑直徑4 mm。測(cè)量單道單層熔寬 W、熔高H、熔深D的幾何尺寸,根據(jù)單道單層沉積試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多道單層以及多道多層試驗(yàn),優(yōu)化搭接率與層高,優(yōu)選出最優(yōu)參數(shù)并制備修復(fù)試塊。采用線切割將修復(fù)件沿沉積方向(Z方向)進(jìn)行切割,制備金相試樣,經(jīng)腐蝕(腐蝕劑:HF∶HNO3∶H2O,體積比1∶6∶7,腐蝕時(shí)間為30 s)后制成金相樣品,采用 OLYMPUS-BX53M型光學(xué)顯微鏡和S3100型掃描電鏡對(duì)修復(fù)件顯微組織進(jìn)行分析,采用HVS-1000顯微硬度計(jì)對(duì)修復(fù)試樣顯微硬度進(jìn)行測(cè)量,采用BMMW-1A萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)修復(fù)試樣進(jìn)行摩擦磨損性能測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

正交參數(shù)組合及單道沉積層的特征尺寸測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)參數(shù)組合及沉積道特征尺寸

為減小工件修復(fù)后發(fā)生變形,且保證所修復(fù)件無(wú)缺陷與基體良好結(jié)合,應(yīng)盡量減小熔深[14]。由表3可知,通過(guò)極差RD和方差KD可以看出,對(duì)熔深影響較大的是激光功率,為此應(yīng)降低激光功率來(lái)獲得較小的熔深。但1#～3#參數(shù)因熱輸入較低,金屬熔化不完全,試樣表面出現(xiàn)未熔顆粒以及粘粉現(xiàn)象,優(yōu)選工藝參數(shù)組合為激光功率為1300 W、掃描速度為7 mm/s、送粉速度為0.6 r/min。

2.2 顯微組織分析

在多道多層沉積試驗(yàn)中,搭接率和層高對(duì)工件成形質(zhì)量有重要影響,經(jīng)查閱文獻(xiàn),搭接率一般控制在30%～40%之間[13],一般情況下,層高要略小于單層沉積熔高(實(shí)際測(cè)量值為0.62 mm),因此取0.6 mm。采用的激光功率為1300 W、掃描速度為7 mm/s、送粉速度為0.6 r/min、搭接率為40%、層高為0.6 mm,在長(zhǎng)度為100 mm,寬度為10 mm,高度為35 mm的TC17鈦合金鍛件基板上制備修復(fù)試塊,修復(fù)塊高度為40 mm,分析修復(fù)試樣基體、熱影響區(qū)、修復(fù)區(qū)頂部、中部、底部顯微組織特征。

圖1(a)為T(mén)C17鈦合金基體光鏡下的顯微組織,可見(jiàn)在基體上分布著大量片狀α相和少量等軸α相,片狀α相取向隨機(jī),α片層長(zhǎng)3～37 μm,寬1～4 μm。圖1(b)為基體在掃描電鏡下的顯微組織,可見(jiàn)在β轉(zhuǎn)變基體中分布著等軸α相和大量的細(xì)小的針狀α片層,且片層長(zhǎng)0.42～0.97 μm,寬0.1～0.2 μm,基體的顯微組織為典型的雙態(tài)組織。

圖1 基體顯微組織

圖2(a)為熱影響區(qū)光鏡下的顯微組織,可見(jiàn)熱影響區(qū)中α相的形態(tài)和尺寸發(fā)生了較大的變化,由于熱影響區(qū)的峰值溫度升高超過(guò)相變點(diǎn),且在β相變點(diǎn)停留了一段時(shí)間,使得基體中大量的等軸初生α相發(fā)生了溶解[9]。圖2(b)為掃描電鏡下的顯微組織,可見(jiàn)α相呈細(xì)小片層狀且交錯(cuò)分布,長(zhǎng)0.8～3.5 μm,寬0.1～0.2 μm,這是因?yàn)闅埩籀料嘀g的亞穩(wěn)定β相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)的α+β相,并且亞穩(wěn)定β相中形成細(xì)小層片狀α相,熱影響區(qū)的顯微組織為近網(wǎng)籃組織。

圖2 熱影響區(qū)顯微組織

修復(fù)區(qū)顯微組織如圖3所示,從圖3(a)光鏡照片中可見(jiàn)修復(fù)區(qū)的宏觀組織由柱狀晶和等軸晶所組成,柱狀晶和等軸晶交替排列并垂直于基材方向,柱狀晶寬為300～500 μm,長(zhǎng)寬比2～3,等軸晶尺寸為100～200 μm。修復(fù)區(qū)頂部至底部的微觀顯微組織分布并不均勻,如圖3(b)所示,可以看出修復(fù)區(qū)頂部區(qū)域僅有少量細(xì)長(zhǎng)針狀α相分布在β基體中,α相尺寸大小不一,長(zhǎng)0.5～2.4 μm,寬0.08～0.18 μm。中部區(qū)域顯微組織如圖3(c)所示,可以看出初生α相含量增多,長(zhǎng)0.5～3.1 μm,寬度為0.2～0.28 μm。底部區(qū)域如圖3(d)所示,可以看出初生α相含量進(jìn)一步增多,長(zhǎng)寬比減小且組織分布更加均勻,α相長(zhǎng)為0.16～0.5 μm,寬為0.1～0.2 μm?？傮w來(lái)看修復(fù)區(qū)顯微組織是由細(xì)小的α+β相所組成的特殊雙態(tài)組織。

圖3 修復(fù)區(qū)顯微組織

從上述結(jié)果可以看出,TC17鈦合金修復(fù)區(qū)整體組織結(jié)構(gòu)并不均勻,這些微觀結(jié)構(gòu)的特征與激光沉積過(guò)程中熱循環(huán)下的特殊固態(tài)相變過(guò)程有關(guān)[11],最頂部區(qū)域熱循環(huán)峰值溫度超過(guò)β相變溫度,加熱和冷卻速度快,相當(dāng)于短時(shí)高溫淬火,形成細(xì)小針狀馬氏體組織;隨著距頂部距離的增加,中部區(qū)域材料循環(huán)熱處理次數(shù)增加,該區(qū)域峰值溫度降低到β相變點(diǎn)以下,處于α+β兩相區(qū),馬氏體組織分解轉(zhuǎn)變?yōu)棣?β兩相組織,由于冷卻速率變慢,有利于α相的析出。底部區(qū)域受到的熱循環(huán)次數(shù)更多且距離熔池的距離更遠(yuǎn),峰值溫度進(jìn)一步下降,導(dǎo)致成核率的增加以及α相的生長(zhǎng)速率的降低,因此α相的尺寸變小,但數(shù)量增加。

2.3 顯微硬度分析

對(duì)沉積態(tài)激光增材修復(fù)TC17鈦合金試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,測(cè)試區(qū)域?yàn)榛w、熱影響區(qū)、修復(fù)區(qū)底部、修復(fù)區(qū)中部、修復(fù)區(qū)頂部,每個(gè)測(cè)試區(qū)域沿沉積方向取5個(gè)點(diǎn)且間隔1 mm,進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,試驗(yàn)載荷為0.3 kg,停留時(shí)間為15 s,對(duì)測(cè)試結(jié)果取平均值并繪制顯微硬度分布圖。

基體到修復(fù)區(qū)顯微硬度分布如圖4所示,基體的平均顯微硬度為372 HV0.3,熱影響區(qū)的平均顯微硬度為385 HV0.3,相比于基體提高了3.5%,修復(fù)區(qū)頂部、中部、底部的平均顯微硬度分別為392 HV0.3、405 HV0.3、410 HV0.3。相比于基體分別提高5.4%、8.9%、10.2%,從硬度分布圖可看出,從基材到熱影響區(qū),硬度逐漸提高,這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)的顯微組織為近網(wǎng)籃組織,基本不含等軸α相,α/β片層排列緊密,對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用大,顯微硬度有所提高[10]。修復(fù)區(qū)頂部至底部顯微硬度逐漸提高,顯微硬度值與α相含量具有一定關(guān)系,由于激光沉積過(guò)程中熱循環(huán)效應(yīng),使得頂部至底部區(qū)域的α相含量逐漸增多,當(dāng)α相含量較多時(shí),含有β相的β轉(zhuǎn)變組織較少,而α相為密排六方結(jié)構(gòu)(hcp),β相為體心立方結(jié)構(gòu)(bcc),密排六方結(jié)構(gòu)塑性變形能力低于體心立方結(jié)構(gòu),α相的滑移總數(shù)為3個(gè),β相的滑移總數(shù)為12個(gè),從結(jié)構(gòu)方面來(lái)看,α相的塑性能力弱于β相,α相含量越多,β相的含量就會(huì)越少,顯微硬度值越大[14]。

圖4 激光增材修復(fù)TC17鈦合金顯微硬度分布

2.4 摩擦磨損性能分析

采用線切割截取4個(gè)尺寸為Φ4.8 mm×14 mm,質(zhì)量為1.05 g的摩擦磨損試樣,截取部位為基體、修復(fù)區(qū)底部、修復(fù)區(qū)中部、修復(fù)區(qū)頂部,摩擦磨損試驗(yàn)測(cè)試載荷15 N,轉(zhuǎn)速200 r/min,摩擦?xí)r間20 min。

圖5為激光增材修復(fù)TC17鈦合金摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線圖,從圖中可以看出,基體的摩擦系數(shù)最高,其平均摩擦系數(shù)為0.65,修復(fù)區(qū)底部到頂部的平均摩擦系數(shù)分別為0.23、0.35、0.49,總體平均摩擦系數(shù)為0.36。圖6為修復(fù)區(qū)與基體的磨損質(zhì)量柱狀圖,對(duì)比磨損量可以發(fā)現(xiàn)基體的磨損量為12.4 mg,修復(fù)區(qū)頂部到底部磨損量分別為9.5 mg、3.9 mg、2.8 mg,從磨損量來(lái)看,耐磨性相比于基體分別高23%、69%、77%。結(jié)合摩擦系數(shù)與磨損量情況分析,修復(fù)區(qū)底部到頂部的摩擦系數(shù)與磨損量低于基體,可以通過(guò)之前的顯微組織和硬度特征分析,由于基體的顯微組織為雙態(tài)組織,組織粗大,硬度偏低,從而耐磨性較差,而修復(fù)區(qū)的顯微組織總體來(lái)看由細(xì)小的α+β相所組成的特殊雙態(tài)組織,組織細(xì)小可起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用,顯微硬度高,使得摩擦性能提高[12],而修復(fù)區(qū)頂部到底部的摩擦性能變化可以歸因于激光增材修復(fù)熱循環(huán)特性所導(dǎo)致,隨著沉積層數(shù)的增加,材料所受的循環(huán)熱處理逐漸增多,α相含量增多,對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用越大,硬度越高,從而摩擦性能逐漸提高。

圖5 激光增材修復(fù)TC17鈦合金摩擦系數(shù)曲線

圖6 激光增材修復(fù)TC17鈦合金磨損量

圖7為T(mén)C17鈦合金基體和增材修復(fù)件的摩擦磨損形貌圖,由圖7可知,基體表面磨痕上存在大量不規(guī)則凹坑、附著的磨屑、平行于磨削方向的犁溝并

圖7 激光增材修復(fù)TC17鈦合金磨損形貌

伴有黏著剝落現(xiàn)象,表現(xiàn)出較差的耐磨性能,磨損機(jī)制為黏著磨損和磨粒磨損。相比于基體,修復(fù)區(qū)底部表面磨痕較淺并伴有少量剝落的磨屑與黏著物,隨著沉積層數(shù)的抬升,表面犁溝逐漸變深且附著的磨屑逐漸增多,修復(fù)區(qū)磨損機(jī)理主要為輕微的磨粒磨損和黏著磨損,總體來(lái)看修復(fù)區(qū)較基體具有更好的耐磨性能。

3 結(jié)論

1)TC17鈦合金基體為典型的雙態(tài)組織,相比于基體,熱影響區(qū)中等軸α相發(fā)生了溶解,晶內(nèi)組織分布均勻,為近網(wǎng)籃狀組織。TC17鈦合金激光增材修復(fù)顯微組織總體呈現(xiàn)為細(xì)小的α+β相所組成的特殊雙態(tài)組織,由于激光增材過(guò)程中所帶來(lái)的熱循環(huán)效應(yīng),使得修復(fù)區(qū)頂部至底部顯微組織發(fā)生顯著的變化,頂部至底部區(qū)域α相含量逐漸增多,且組織逐漸均勻化。

2)基體到熱影響區(qū)顯微硬度逐漸提高,熱影響區(qū)顯微硬度相對(duì)于基體提高了3.5%,對(duì)比于基體,修復(fù)區(qū)的頂部、中部、底部顯微硬度分別比基體高5.4%、8.9%、10.2%。

3)基體平均摩擦系數(shù)0.65,磨損量12.4 mg,其磨損機(jī)制為黏著磨損和磨粒磨損,相對(duì)于基體,修復(fù)區(qū)頂部至底部的平均摩擦系數(shù)分別為0.49、0.35、0.23,磨損量分別為9.5 mg、3.9 mg、2.8 mg,較基體耐磨性分別高23%、69%、77%。磨損機(jī)制為輕微的黏著磨損和磨粒磨損。