热处理对激光增材制造Ti2AlNb基合金组织及性能的影响.pdf

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1、合金组织及性能的影响米唐杨杰，刘彦涛，张永忠(北京有色金属研究总院复合材料中心，北京100088)【摘要】利用激光增材制造技术制备出Ti一22A1—25Nb合金薄壁试样，分析了沉积态和热处理态试样的宏观形貌、相组成和显微组织，以及不同制度热处理态试样的组织和室温拉伸性能。结果表明，沉积态试样相组成沿沉积高度方向呈现由B2+O+oL2一B2+O—B2的变化趋势；热处理态试样的微观组织和相组成均匀，由B2、O、仅，3相组成；经930℃保温2h空冷的固溶处理和800℃保温24h空冷的时效处理后，合金室温拉伸性

2、能好，抗拉强度为1017MPa，断后伸长率为6．0％。关键词：激光增材制造；Ti，AINb基合金；组织演化；热处理DoI：10．16080／j．issnl671．833x。2016．19．016唐杨杰北京有色金属研究总院博士研究生．主要从事激光增材制造Ti：AINb基合金及高附加值零件修复的相关研究工作。参与了国家自然科学基金，北京市自然科学基金等多项课题。+基金项目：北京市自然科学基金项目(z140002)；国家自然科学基金项目(51571037)。16航空制造技术·2016年第19期Ti，AINb基

3、合金是一种以有序正交结构O相为主要组成相的新型高比强度金属间化合物材料⋯。由于长程有序的超点阵结构减弱了位错运动和高温扩散，使得该类合金具有高的室温抗拉强度、高的高温抗拉强度和疲劳强度、较好的室温断裂韧性和抗裂纹扩展能力、良好的抗蠕变性能、中等抗氧化性能以及低的热膨胀系数，与近o／．一Ti合金、^y—TiM合金、Ti，Al合金及低Nb含量的TtAl一Nb等先进高温钛基合金以及IN718等镍基高温合金相比，具有自己独特的优势，已成为650～750。C下使用的最具潜力的未来航空航天发动机材料之一岬J。Ti，

4、A1Nb基合金的成分通常在Ti一(18％一30％，原子分数，下同)AI一(12．5％～30％)Nb，一般由B2、0【，和O相中的两相或者3相构成【3J。目前关于Ti：AINb基合金的研究主要集中于制备工艺、组织性能关系、热处理调控等方面[5-9]o然而Ti：A1Nb基合金的加工条件十分苛刻，导致传统成形技术制备Ti，A1Nb基合金零件的生产成本高、周期长、材料利用率低，严重制约了该类材料的工程应用，因此急需发展该类材料零件的短流程、低成本制备技术。激光增材制造技术以粉末或丝材为原料，通过高功率激光原位冶

5、金熔化和快速凝固实现逐层堆积，直接从零件数字模型一步完成致密、高性能零件的近净成形制造，对于制备Ti，A1Nb基合金零件具有明显优势。已有研究表明，采用合理的工艺参数能够制备出组织致密、拉伸强度良好的Ti，A1Nb基合金薄壁试样【10‘¨】，但是材料的塑性性能有待进一步提高。在激光增材制造及后期热处理调控过程中，Ti，A1Nb基合金组织及零件性能对所经历的热历史过程及热处理工艺非常敏感。因此，深入研究激光增材制造Ti，A1Nb基合金成形过程中的组织演变及热处理工艺对性能的调控具有重要意义。试验材料与方法

6、激光增材制造采用等离子旋转电极雾化工艺制备的名义成分为Ti一22A1—25Nb的合金粉末，粒度为一90。+400目。激光增材制造系统包括：3kW半导体激光器、快速成形专用软件、四轴联动数控系统及工作台、DPSF一2送粉器及同轴送粉喷嘴、专用氩气气氛保护箱。送粉方式采用同轴送粉，送粉载气为氩气。试验前，对合金粉末进行120cCX2h烘干处理，基板为6mm厚TAl5钛合金。激光增材制造工艺参数为：激光功率1000W，送粉速率2．79／min，载气流量5L／min，单层提升量0．3mm，箱体氧含量低于10X1

7、0～，制造过程中激光束相对基板作往复式运动，最终制备出尺寸为47mmX40mmX5mm的薄壁试样。制备完成后，对所有薄壁试样进行550℃保温2h的去应力退火处理。激光增材制造Ti一22A1—25Nb的合金薄壁试样如图1所示。将薄壁试样沿沉积高度方向连同基板进行线切割，制备出宽8mm的条状试样用于观察整体的组织演变；另外从试样顶部每隔5mm沿激光扫描方向切取小块试样，对切割面(工一y面)进行相分析和组织观察，如图l中所示。采用Axiovert200MAT光学显微镜(OM)、JSM一6510扫描电镜(SEM

8、)、JSM一7001F场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察显微组织和断口形貌，采用荷兰X’PertProMPD型X射线衍射仪(XRD)进行相结构分析。利用ImageProPlus软件计算显微组织中的析出相体积分数。为研究热处理对激光增材制造Ti，A1Nb基合金薄壁组织和力学性能的影响，对薄壁试样进行5组不同工艺的热处理，热处理工艺如表l所示。经热处理后的薄壁试样沿激光扫描方向切取拉伸试样，拉伸试样尺寸如图2所示。采用NTl00电子拉伸试验