热等静压与常规热处理改性SLM成形TC4钛合金对比试验，分析单一高温作用与高温高压耦合作用对合金相变行为、组织结构及硬度性能的影响，筛选适配打印钛合金的最优后处理工艺

TC4 钛合金是一种两相钛合金，该材料作为 优异的轻型材料且凭借良好的综合性能，尤其适 用于汽车零部件制造中，例如汽车发动机活塞、 连杆、底盘支架等，同时也是飞行器多种零部件的 原材料。因为TC4 钛合金能够有效降低车身质量、 提升零部件强度和耐腐蚀性能，从而成为汽车关 键零部件的核心材料，该材料已广泛应用于汽车、 航天、航空、海洋、医疗工程等多个领域，目前 在汽车工业领域的应用愈发广泛。但TC4 钛合金 利用传统机械加工方式存在加工难度大、周期长、 材料利用率低且生产成本偏高的问题，导致 TC4 钛合金在当下难以满足汽车日益增长的量产效率 和低成本需求，从而限制了TC4 钛合金在汽车工 业中的规模化应用，在一定程度上制约了其整体 使用范围。

选区激光熔化（Selective Laser Melting, SLM） 技术是利用高能量激光束逐层熔化金属粉末累积 堆叠成结构复杂的三维金属零件[1-4]。成形过程 中，激光能量辐照在预铺金属粉末之上，高温使 得粉末熔化，激光辐照移开后熔融金属快速冷却 凝固，易于成形结构复杂的零件且成形快、精度 高。SLM 技术广泛应用于高温合金、304L 不锈钢、 钛合金等金属材料的成形，国内外关于 SLM 成形 TC4 钛合金的研究已有了大量报道。然而，SLM 技术成形的TC4 钛合金很容易出现裂纹或孔洞等 缺陷，其特有的极端热梯度与瞬态凝固过程，在 逐层累加过程中不可避免地形成复杂的表面缺陷 网络，极易形成孔隙等缺陷。目前传统热处理方 法可以改善一些 SLM 技术成形的TC4 钛合金内部 不良组织，但无法从根本上消除该技术的先天缺 陷[5]。

热等静压技术是一个高温、高压共同作用的 过程，高温和各向同等压力作用使得材料发生相 变和界面反应，消除材料内部缺陷，提升其综合 力学性能[6-9]，其中各向同等压力代表可以从各个 反方向对零件施加压力，零件不会产生各向异性。 本文利用了热等静压技术对 SLM成形TC4 钛合金 进行处理，其主要目的是减少其内部孔隙与裂纹， 从而能够改善该钛合金的力学性能，为其在汽车 零部件制造中的稳定应用提供保障，为解决汽车 用钛合金部件的质量提升提供了技术支撑。

1、试验材料与方法

以SLM成形TC4钛合金为研究对象，通过设置不同后期处理方式制备三类试样，对比分析后期处理对合金微观结构与力学性能的调控作用，明确最优处理工艺，为提升SLM成形TC4钛合金综合性能提供实验支撑。试验共准备3类试样，分别为无后期处理、普通热处理、热等静压处理试样，明确普通热处理、热等静压处理对缺陷修复、组织优化及性能提升的效果，探究不同处理方式的作用机制，热等静压作用于TC4钛合金原理如图1所示。

试验选用TC4钛合金粉末为原材料，粒径为15~45μm，松装密度为2.5 g/cm3，主要化学成分如表1所示;采用SLM300设备将粉末打印成形，零件尺寸为10mmx10mmx3mm，成形工艺如表2所示，其中激光功率与扫描速度为该设备制备钛合金的最优参数，保障成形件基础质量。试样1#为空白对照样，成形后不做任何后期处理;试样2#进行普通热处理，置于箱式电阻炉中，900℃保温3h后取出空冷，作为与热等静压作用的对比实验;试样3#进行热等静压处理，采用热等静压设备,设定温度1150℃、压力30MPa，具体参数如表3所示。

表1 TC4合金主要的化学成分

单位:%

表2 SLM试验参数

表3 热等静压试验主要参数

对三组试样进行打磨抛光、金相腐蚀后，开展系列对比试验:采用JSM-IT500型扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)和Rigaku Ultima IV型X射线衍射仪，对比分析三类试样的微观结构、微区元素分布及相组成差异，明确后期处理对组织缺陷及相形态的影响;采用显微硬度计测试显微硬度，载荷0.2kg、保荷时间10s，每类试样表面随机取3个测试点，以平均值作为最终数据，对比不同后期处理对合金硬度的提升效果。系统探究无处理、普通热处理、热等静压处理三种状态下，SLM成形TC4钛合金的组织与性能差异，揭示后期处理对合金缺陷修复、相演变及力学性能的调控规律，最终选出SLM成形TC4钛合金的最优后期处理工艺，提升成形件质量与综合性能，为钛合金的工程应用提供技术参考。

2、试验结果及分析

2.1微观结构

体积能量密度 E代表了单位体积材料辐射面积上的能量,是 SLM成形TC4钛合金技术的关键工艺参数,对成形合金质量的控制起着至关重要的作用,计算公式如式(1)所示:

式中, P为激光功率; v为扫描速度; d为粉末层

厚度;h为扫描间隔。

当粉末层厚度和扫描间隔一定时，激光功率和扫描速度对成形合金的性能有着较大的影响。激光功率代表了辐射到粉末上的激光能量，激光功率的大小主要取决于铺粉粉末的熔点，激光功率太小导致粉末热化学反应不充分，发生未熔球化现象，极易产生缺陷;激光功率太大又容易导致过熔现象或对粉末的冲击过大而产生较多气孔。扫描速率的大小代表了激光对粉末作用时间的长短，扫描速度太低时，能量辐射在基体表面作用时间太长，延长了合金的成形时间，极大的浪费了能源，生产周期太长;而扫描速度太大时，粉末没有完全熔化,孔隙率太大导致成型件质量降低[10-11]。

试样1#为无后期处理的SLM成形TC4钛合金，其显微组织如图2所示，组织内部存在大量缺陷。由图2(a)、图2(b)可见，该试样组织以粗大柱状晶为主，这一现象与SLM成形的核心机理直接相关:激光束精准辐照已铺覆的金属粉末，使粉末在极短时间内熔化，随后迅速完成凝固。成形过程中，热量无法及时扩散，只能沿着已成形基体快速传导，进而形成显著的温度梯度。温度梯度的存在，使得β晶粒的生长受到定向约束，无法自由生长，只能沿着热量传递方向外延生长，最终形成形态粗大、具有明显方向性的柱状β晶粒。由图2(c)、图2(d)可观察到，合金组织中存在明显孔隙，同时分布有多处裂纹，这些裂纹长度不均、形态不规则。其形成机理源于凝固阶段的应力累积:金属熔体凝固过程中会发生体积收缩，而收缩过程中受到的拉应力，一旦超过TC4钛合金本身的极限承载应力，就会在组织内部产生裂纹，同时熔体凝固时的气体未及时排出，便形成了孔隙，这些缺陷会直接破坏成形件的结构完整性，严重影响其力学性能与使用可靠性。

试样2#为经后期热处理的SLM成形TC4钛合金,其显微组织如图3所示,β柱状晶内部分布着大量针状α'马氏体相。热处理过程中，高温持续作用于成形件，为晶界处新晶粒的形核与长大提供了充足能量。高温环境下，原子活动能力增强，打破了原始粗大β柱状晶的生长格局，原本取向杂乱、尺寸不均的柱状晶逐渐变得均匀规整，同时晶粒的定向生长趋势被有效抑制,避免了粗大柱状晶的持续外延生长。当热处理结束后,成形件随炉缓慢冷却，冷却过程中，晶界处的新晶粒进一步形核长大，原本的一部分粗大柱状晶粒，在温度梯度的合理调控下，发生相变转变为细针状α'马氏体相，这种相变不仅细化了晶粒，还优化了组织排布。与此同时，热处理的高温作用的还能消除部分成形过程中残留的内应力，促使原本存在的孔隙收缩、闭合，裂纹也因应力释放而减少甚至愈合，孔隙和裂纹的数量较无后期处理试样明显减少，成形件的微观组织得到了显著改善，结构完整性也进一步提升。

压处理的 SLM成形TC4钛合金试样 3#中,可以观察到显微组织由α相和β相组成，该显微组织已接近常规锻件典型的α+β双相等轴组织。同时，在各向同等压力均匀作用于成形件表面及内部，并且利用高温环境提升了原来材料中原子扩散的能力，在共同作用下材料中残留的孔隙被逐步挤压、闭合,数量明显减少。热等静压处理后材料的内应力也得到充分的释放，原本存在的裂纹被有效修复了，并且显微组织中再难观察到明显裂纹。原始粗大的柱状β晶粒发生转变，其中一部分β相在高温与等向压力的持续作用下，再经过后续降温过程逐步转变为α相，且α相逐渐成为组织中的主体相。α相随着处理过程的推进进一步粗化、碎裂，这些碎裂后的晶粒在等向压力的作用下，逐渐打破定向生长趋势，等轴化程度不断提高,最终呈现出近似颗粒状的均匀结构。而以上的结果与仅经后期热处理的试样 2#相比，虽然都有效降低了SLM成形件的孔隙率和裂纹数量,但热等静压处理则实现了晶粒的等轴化转变,进一步优化了组织性能，而单纯热处理对晶粒的球化作用有限，球化效率并不是特别高，也仅仅能使组织中出现细针状  α ′马氏体相。

2.2 EDS和 XRD分析

热等静压的处理技术的核心作用是使用高温与等向压力的协同作用在试样上，这种方法相较于未做任何后期处理的试样1#，试样3#的组织发生了显著变化。如图4所示，在使用后期热等静为确保分析的准确性，在试样1#表面使用随机选取4个测试点进行能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)检测，结果显示了化学元素组成与原始金属粉末保持了一致性。如图5所示，其为试样1#的能量色散X射线光谱EDS分析结果,其主要组成元素为Al、Ti和V。这一现象主要是源于SLM成形的基本机理，整个过程通过激光熔化金属粉末并快速凝固成型，仅发生物理状态的变化从而未引入外部杂质元素，也不会导致原始粉末中的元素发生流失或明显偏聚，因此元素组成能够与原始粉末保持一致。而图6所示，其为试样2#的EDS能谱分析结果，与试样1#的EDS能谱相比各元素的质量分数也相差很小，主要组成元素都为Al、Ti和V。以上试验证明了后期热处理通过高温调控晶粒形态、消除内应力而未改变试样原来的化学元素组成，从而不会导致各元素质量分数发生明显波动仅作用于试样的微观组织，因此能谱特征与未处理试样基本一致。而图7显示明显的变化，主要涉及试样3#的EDS能谱分析结果，测试点1和测试点3检测到了主要元素Al、Ti和V，同时发现了少量的Zr和Mo元素。而少量Zr、Mo元素来自使用的工装夹具或环境介质的轻微污染，这一现象主要是与热等静压处理需在高温高压环境下工艺特点相关，也仅在部分测试点可检测到，污染程度极低从而没有对主要元素组成造成影响，也不改变试样的核心性能。

图8为试样1#、试样2#和试样3#的XRD对比分析结果，无后期处理的SLM成形TC4钛合金试样，主要成分包括Mo0.93Zr0.07、AlZr3、Al3Zr5、Al80V20、Al2Mo，以及单质Al和Ti。这是因为SLM成形仅通过激光快速熔化与凝固完成成型，过程中温度骤升骤降，原子扩散不充分，元素仅发生简单的物理结合，未形成新的金属间化合物，因此相组成分主要为原始粉末中元素形成的简单化合物及单质。经热处理后的钛合金试样，主要成分有AlZr3、TiAl2、TiAl3、Ti2Al、Al4Zr5，以及单质Al，且能明显发现合金中形成了多种Ti-Al金属间化合物。其核心机理的是，热处理的高温环境为原子扩散提供了充足能量，打破了SLM成形后元素的不稳定分布状态，促使Ti元素与Al元素充分扩散、结合，进而发生相转变，形成多种稳定的Ti-Al金属间化合物，相组成也随之发生相应变化。热等静压处理后的钛合金试样,主要成分除Mo0.93Zr0.07、AlZr3、Al80V20、Al12Mo外，还包括Ti-Al金属间化合物Ti2Al、Ti5Al11、TiAl3、Ti3Al5、TiAl，以及新相 Ti0.66Al3V0.33。在使用的热等静压技术中，高温与高压提升了原子的扩散速率和结合效率，在共同作用下不仅促进了Ti与Al元素的充分反应，从而形成了更多种类的Ti-Al金属间化合物，而且还推动了部分元素重新组合，例如促使了新相Ti  0.66 Al 3  V 0.33 的生成。而这些新相和金属间化合物的形成，能够有效优化合金的微观结构，从而改善了合金的综合力学性能。

2.3表面硬度分析

如图9所示，试验中选择了试样1#、试样2#和试样3#的表面硬度对比分析。其中试验1#是无后期处理的SLM成形钛合金试样，该表面维氏硬度测量值为323.38HV，该硬度较低的核心原因在于致密度较差，微观组织有明显的缺陷，这些残留的孔隙、裂纹在受力时易产生应力集中，破坏组织的连续性不能有效传递外力，从而导致材料抵抗变形的能力下降，进而使得表面硬度处于较低水平。而通过后期热处理的钛合金减少了孔隙和裂纹数量，这使得试样2#测量的表面维氏硬度提升至385.63HV,抵抗塑性变形的能力增强了。这一结果表明了热处理的试样2#能够细化晶粒让材料内部结构更致密，从而消除部分内应力且改善了材料组织均匀性，使受力时应力传递更均匀。而作为热等静压处理后的钛合金试样由于在热等静压的高温与等向压力协同作用在材料上，从而让材料的组织形成近似颗粒状的均匀细小结构，达到优化了晶粒形态的目的。通过表面维氏硬度检测试样3#硬度数值达到455.60HV，这一结果相比于另外的两件试样1#和2#硬度实现了大幅度提升，充分表明了利用热等静压技术减少了材料孔隙并彻底修复裂纹，这一变化能够显著提升材料致密度和组织完整性，从而能够提升合金的力学性能，让材料抵抗变形和磨损的能力大幅增强。相比无后期处理的试样1#和仅经热处理的试样2#，其维氏硬度分别提高了40.9%和18.1%。

3、结论

本文聚焦了钛合金作为汽车零件材料的应用需求，通过科学研究系统对比了无后期处理、传统热处理与热等静压处理的试样试验结果，对SLM成形TC4钛合金微观组织与力学性能的影响进行深入研究，揭示了热等静压技术在修复材料内部缺陷、优化综合性能方面的显著优势，为汽车使用TC4钛合金部件的质量提升提供技术支撑。本文主要结论如下:

1)试验发现了无后期处理 SLM成形TC4钛合金试样1#合金组织内存在大量不规则孔隙与裂纹，并且以粗大柱状晶为主，从而显著劣化了成形件的力学性能。而经过了传统热处理的试样2#合金组织孔隙与裂纹数量明显减少，但并未完全消除，仅使得微观组织得到有效改善，同时合金β柱状晶内析出大量针状α'马氏体相。而通过热等静压处理后的试样3#其显微组织由α相和β相构成，发现了组织中的孔隙数量大幅降低、裂纹完全修复，其合金组织无明显缺陷且呈现了近似颗粒状。

2)试验中的三种试样的主要元素均为Al、Ti、V及少量杂质元素。而无后期处理试样中存在一定量单质Al与Ti，通过传统热处理试样则生成多种Ti-Al金属间化合物。但是，在试样材料经过了热等静压试样除形成新型Ti-Al金属间化合物外，还析出Ti0.66Al3V0.33新相。同时，试样结果表明了热等静压的高温高压作用后试样的维氏硬度达455.60HV，相比较无后期处理、传统热处理试样分别提升40.9%和18.1%，显著优化了该合金的综合性能。

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（注，原文标题：热等静压对激光熔化成形钛合金组织和性能的影响_李祥）

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