TA15钛合金激光表面重熔快速凝固晶粒异常粗化

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1、第38卷第6期稀有金属材料与工程Vol.38,No.62009年6月RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGJune2009TA15钛合金激光表面重熔快速凝固晶粒异常粗化刘彬，方艳丽，李安，张述泉，王华明(北京航空航天大学，北京100083)摘要：研究了热轧退火近αTA15钛合金激光表面重熔快速凝固组织及激光扫描速度对快速凝固组织的影响。结果发现：无论激光扫描速度如何加快，采用激光表面重熔快速凝固技术都不能细化TA15钛合金重熔区晶粒组织，TA15钛合金激光表面重熔区快速凝固β晶粒组织“异常”粗化，重熔区中β晶粒尺度分别是原始基材中α晶粒的10~20倍和β晶

2、粒的32~62倍。分析表明，TA15钛合金激光表面重熔熔池的快速凝固是一个以熔池底部热影响区顶部与熔体接触的未熔母材β晶粒为衬底的直接外延生长(无形核)过程，因此热影响区顶部与熔体接触的未熔母材β晶粒大小决定了重熔区快速凝固β晶粒的大小。激光加热表面重熔熔池形成过程中，熔池底部与熔体接触的未熔母材β晶粒在短时超高温作用下发生了严重长大，是导致钛合金激光表面重熔区β晶粒组织“异常”粗化的直接原因。关键词：激光表面重熔；快速凝固；TA15钛合金；β晶粒异常粗化中图法分类号：TG17；TG166.5文献标识码：A文章编号：1002-185X(2009)06-1005-05采用快速凝固技术

3、可制备微晶、准晶、非晶等非快，采用激光表面重熔快速凝固技术都不能细化TA15平衡亚稳新型结构及功能材料，快速凝固已成为提高钛合金重熔区晶粒组织，TA15钛合金激光表面重熔区传统金属材料性能、挖掘现存材料性能潜力和研究开快速凝固β晶粒组织“异常”粗化。有关钛合金激光发高性能新材料的重要手段之一。快速凝固非平衡材表面重熔快速凝固组织“异常”粗化的研究，国内外料及快速凝固理论研究是当今材料科学与工程及凝聚尚无文献报道。本研究深入分析TA15钛合金激光表[1]态物理国际前沿重要热点研究领域之一。激光表面面重熔区快速凝固组织“异常”粗化的形成原因。重熔是实现金属材料快速凝固的基本方法之一，由

4、于1实验材料及方法其独特的“无界面热阻”快速传导自淬火作用，激光表面重熔是迄今为止能实现凝固冷却速度最快的快速选用厚6mm具有等轴双态组织的近α高温钛合[2]凝固方法。用激光表面重熔方法不仅可直接获得具金TA15热轧退火板材作为试验基材，其名义成分是有快速凝固组织特征、特殊物理化学及力学性能的表Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，其显微组织由初生α等轴晶及少层材料，而且激光表面重熔过程快速、灵活、热影响量残留（晶间）β晶粒组成，其中α晶粒尺寸约6μm，[3~7]区小、无变形、易于实现自动化。激光表面重熔技β晶粒尺寸约2μm，β相体积分数约18%（如图1）。术已被广泛应用于钢铁材料的

5、表面改性来提高材料的激光表面重熔快速凝固试验在Ar气保护箱中、配[8~10]耐磨耐蚀性能。有三轴联动四坐标数控激光加工机床的8kW横流连钛合金具有密度低，比强度高，高温力学性能及续CO2激光材料加工成套系统上进行，TA15钛合金耐蚀性优异等突出特点，在航空、航天、船舶、海洋、试样尺寸为6mm×50mm×36mm，激光束在试样50石化和生物医学工程等领域得到应用广泛。T.M.mm×36mm表面扫描，实现钛合金表面重熔与快速凝[11][4]Yue和Z.Sun应用激光表面重熔技术处理钛及钛固。选择不同激光扫描速度来考察凝固冷却速度对组合金表面，获得了具有优异耐磨耐蚀性能的表面改性织的影响

6、。主要工艺参数为：激光功率3.0kW，激光层。本课题组利用激光表面重熔快速凝固技术希望在束束斑直径4.0mm，激光束扫描速度分别选择150、钛合金基材表面制得由细小晶粒组成的重熔层来提高200、250、300、400、500、600mm/min。制得的激钛合金表面性能。结果发现无论激光扫描速度如何加光表面重熔试样表面如图2所示。图中深色条状区域收稿日期：2009-01-13基金项目：国家自然科学基金资助项目（50625413）作者简介：刘彬，女，1981年生，硕士，北京航空航天大学激光材料成形制造技术实验室，北京100083，电话/传真：010-82339697，E-mail:wa

7、nghm@buaa.edu.cn·1006·稀有金属材料与工程第38卷abαβcd2.5μm图1热轧TA15钛合金板原始组织照片Fig.1SEMmicrographsofmicrostructuresofhot-rolledTA15250μmtitaniumalloy图3TA15钛合金激光重熔区表面快速凝固β晶粒组织OM照片RemeltedFig.3OMmicrographsofrapidlysolidifiedcoarseβgrainsonzonefreesurfa