1.研究背景及目的
新一代先進飛機減重和技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)不要求斷提高對1300MPa級超高強鈦合金大型輕量化構(gòu)件的需求日益提升，然而當(dāng)前研究主要集中于TC4等中低強度鈦合金，激光增材制造超高強鈦合金仍面臨嚴(yán)峻的強塑性匹配難題。本文對比研究了激光定向能量沉積（LDED）和鍛造超高強鈦合金TB18的組織和力學(xué)性能，定量表征了LDED鈦合金的微觀偏析演化規(guī)律，為增材制造高強鈦合金性能優(yōu)化提供指導(dǎo)。
2.論文亮點
①分析了LDED超高強鈦合金逐層沉積過程中顯微組織演化規(guī)律。
②采用WIRS方法對LDED樣品的微觀偏析定量表征，發(fā)現(xiàn)其微觀偏析程度與鍛造固溶態(tài)相當(dāng)；
③對比研究了LDED與鍛件的經(jīng)相同固溶時效處理后的晶粒、顯微組織與室溫拉伸性能，分析了組織性能差異的原因，為優(yōu)化增材制造鈦合金強塑性匹配提供指導(dǎo)。
3.試驗方法
采用LDED和鍛造兩種工藝分別制備TB18超高強鈦合金Ti–4.5Al–5Mo–5V–6Cr–1Nb (Moeq=14.8) ，對LDED合金進行了500℃/4h, AC去應(yīng)力退火用于組織性能測試。對LDED和鍛造合金進行了870℃/2h, AC + 530℃/4 h, AC固溶時效處理，使用金相顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）、電子背散射衍射（EBSD）等方法對熱處理前后顯微組織進行了表征，并測試了室溫拉伸性能，討論了兩種工藝組織性能差異的原因。使用weighted interval rank sort (WIRS) 方法對LDED沉積態(tài)不同區(qū)域和兩種制備方式下合金固溶態(tài)的能譜（EDS）數(shù)據(jù)進行了微觀偏析的分析。
4.結(jié)果
LDEDed TB18鈦合金呈柱狀晶與近等軸晶交替排列的混合原始β晶粒形貌，移動熔池在快速凝固過程中形成β單相組織，在后續(xù)逐層沉積過程中由于循環(huán)熱影響作用會析出細小彌散分布的α相。
Figure 1 Grain morphology and microstructure of the three different zones (zones 1, 2, and 3) on the YOZ section of the LDED TB18 titanium alloy without stress-relieved annealing
LDED合金原始組織存在一定的偏析，但遠低于平衡凝固（溶質(zhì)再分配洗漱k→1）；經(jīng)歷20次熱循環(huán)后，其偏析程度顯著降低；在隨后的固溶處理后，其微觀偏析與鍛造合金經(jīng)歷固溶處理后相當(dāng)；
Figure 2 EDS data processed via WIRS method showing the microsegregation of the alloys: top layer (a), N-1 layer (b), N-20 layer (c), and solution-treated sample (d) of the LDEDed alloy; the wrought alloy (e); (f) segregation of Cr in different locations and samples; (g) fitted solute partition coefficients for the top layer and at equilibrium from the literature
LDED合金經(jīng)歷固溶時效熱處理后，其組織為超細網(wǎng)籃，α板條為短棒狀；鍛造合金經(jīng)歷相同熱處理后，組織為多尺度α的網(wǎng)籃組織，其α尺寸較LDED合金略大，且存在大量的晶界魏氏組織αWGB。
經(jīng)歷固溶時效熱處理后， LDED合金強度與鍛造合金強度相當(dāng)，各向異性降低，但塑性較差。前者變形方式主要為沿晶斷裂。鍛件良好的強塑性匹配與其多尺度α網(wǎng)籃組織和晶界魏氏組織αWGB有關(guān)。優(yōu)化熱處理工藝消除LDED樣品的連續(xù)晶界α相是提高其強塑性匹配的關(guān)鍵。
Figure 3 Microstructure of the aged alloys: (a)–(c) LDEDed alloy and (d)–(f) wrought alloy
5.結(jié)論
1) LDEDed TB18合金呈交替柱狀和等軸原始β晶粒；沉積態(tài)樣品由上至下分為三個區(qū)域，微觀組織由單一的β固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)棣涟魻顥l狀組織，αGB析出。在熱循環(huán)效應(yīng)和固溶時效處理過程中，晶粒尺寸和形貌保持穩(wěn)定。
2) LDEDed合金凝固速度快，偏析受到限制。經(jīng)過20次熱循環(huán)和固溶處理，偏析基本消除。
3) 經(jīng)固溶和時效處理后，合金具有超細的籃織組織。然而，鍛造合金中的α條是多尺度的，具有粗長α，而LDEDed合金中的α條是均勻的細短棒。此外，變形合金αWGB含量較高。兩種合金之間的差異可以歸因于KAM圖中顯示的位錯密度。
4) 固溶時效處理后，LDEDed合金的抗拉強度有所提高，但塑性受到限制。斷口為沿晶型，晶粒中有淺韌窩。熱處理變形合金表現(xiàn)出較好的塑性，但強度與LDEDed處理合金相當(dāng)。
6.前景與應(yīng)用
本研究分析了激光增材制造超高強鈦合金的組織與性能特點，為該類合金的組織優(yōu)化和強塑性匹配提升提供了理論指導(dǎo)。