面向工业应用的TC4/TC11钛合金成型与改性技术研究：多成型工艺对合金表面形貌与内部组织的影响，固溶处理温度梯度下断口特征演变，点式锻压激光工艺显著强化拉伸性能，高温固溶改善可加工性

引言

点式锻压激光成型工艺具有成型过程灵活、适用范围广、生产成本低等方面的特点，能够有效克服钛合金在传统成型工艺下普遍存在的柱状晶粗大、力学性能不足等问题。苗广辉等[1]通过点式锻压激光制备了TC4钛合金叶片试件，发现该技术可大幅降低钛合金叶片的磨损体积，显著提升了叶片的耐腐蚀性能和耐磨损性能;席明哲等2预先对TC17钛合金进行770℃/4h退火处理，显著提升了钛合金在点式锻压激光成型后的拉伸强度;吕超等[3]通过连续点式锻压激光工艺对TC11钛合金厚壁零件实施成型加工处理，发现成型后的TC11钛合金内部组织为等轴晶组织，等轴晶尺寸均匀，可避免出现常规成型工艺下常见的晶间断裂问题，提高钛合金材料塑性。在现有成果的启发下，本文研究通过点式锻压激光成型工艺对TC4和TC11两种钛合金实施成型加工处理，显著提升了TC4/TC11合金材料的力学性能。

1、钛合金的点式锻压激光成型方法

1.1 TC4/TC11钛合金的成型与热处理简介

本文研究的TC4/TC11钛合金目标厚度为20mm，分别采用以下方法进行。

1.1.1激光成型

针对TC4实施激光沉积处理，待沉积厚度达到10mm后，将材料改为TC11再沉积10mm。

1.1.2点式锻压成型

针对TC4实施激光沉积处理，待沉积厚度达到7mm后，将整个体系转移至点式锻压工作台，用同样的材料继续沉积至10mm。在此基础上，将材料更换为TC11并继续点式锻压沉积至13mm，最后采用激光沉积工艺将整个体系沉积至20mm4-6。

1.1.3复合成型

针对TC4实施激光沉积处理，待沉积厚度达到5mm后，将整个体系转移至点式锻压工作台，用同样的材料继续沉积至10mm。在此基础上，将材料更换为TC11，采用同样的方法将整个体系沉积至20mm[7-9]。

1.1.4固溶处理

为改善材料塑性，通过电阻热处理炉对TC4和TC11钛合金粉末实施溶固热处理，所采用的固溶处理制度分别为930℃/2h、950℃/2h、970℃/2h。

1.2材料与设备

1.2.1所需材料

所需材料包括TC4钛合金粉、TC11钛合金粉、钛合金基板，各项材料均购自上海中镍实业有限公司，化学成分如表1~3所示。

1.2.2所需设备

所需设备包括FG450型光纤激光器组(深圳市非凡光电)，SX2-9-16A型电阻热处理炉(上海捷呈)，WLS-CNC型光学显微镜(东莞微铌斯)，ZC1139型扫描电子显微镜(上海茁彩)、UTM-0402万能拉伸机(承德金建)。

表1 TC4钛合金化学成分(质量分数,%)

表2 TC11钛合金化学成分(质量分数，%)

表3钛合金基板化学成分(质量分数，%)

1.3检测和测试方法

1.3.1微观检测

通过光学微观镜观察钛合金材料的微观形貌;通过扫描电子显微镜对钛合金材料进行断口形貌分析。

1.3.2拉伸性能测试

通过万能拉伸机对钛合金材料进行拉伸性能测试，设定拉伸速率为1mm/min，拉伸试样尺寸如图1所示。

2、TC4/TC11钛合金测试结果

2.1 4TC4/TC11钛合金拉伸性能测试结果

TC4/TC11钛合金的拉伸性能测试结果如图2所示。根据图2可知，点式锻压工艺能够显著提升TC4/TC11钛合金的抗拉强度和屈服强度，点式锻压成型钛合金相较于激光成型锻件的抗拉强度增加了105.2%，屈服强度增加了116.4%，延伸率则有所降低。出现该现象的原因在于，TC4/TC11钛合金在点式锻压工艺下存在内部残余应力，后续的激光沉积无法充分释放材料内部的残余应力，致使成型件出现加工硬化[10-11]。除此之外，激光成型工艺在快速冷却的过程中释放大量热应力，致使合金内部出现较多片层状的a相微观组织，降低了TC4/TC11钛合金的延伸率[12-13]。为提高该材料的延伸率，使其在工业加工过程中体现出更加理想的塑性，研究思路为对TC4和TC11钛合金粉末实施固溶处理。

2.2固溶处理对钛合金微观组织的影响

以TC11钛合金为例，该材料在经过固溶处理后的表面微观形貌如图3所示。根据图3(b)可知，在固溶温度由930℃增加至950℃的过程中，合金材料的a相体现出了更加明显的球化特征,a相宽度也随之提升;根据图3(c)可知,在固溶温度达到970℃的情况下，合金材料内部晶粒主要表现为棒状α相、针状α相和等轴α相，晶界球化作用显著且较为细小。

2.3固溶处理对TC4/TC11钛合金拉伸性能的影响

经过固溶处理的TC4/TC11钛合金拉伸性能测试结果如表4所示。钛合金的塑性与强度主要与其内部所含有的α相有关，α相的宽度与材料强度成反比，与塑性成正比[14−15]。根据表4可知，在固溶温度逐渐增加的过程中，激光成型的钛合金强度呈先降后升的趋势，延伸率走势则相反。出现该现象的原因在于，钛合金内部的a相含量随固溶温度的提升而增加，β相含量相对减少，在增加合金材料强度的同时也降低了延伸率[16-17]。而在固溶温度达到970℃的情况下，a相的长宽比随之下降，出现等轴状和棒状a相，合金材料延伸率得到提升，塑性得到改善。

在点式锻压成型工艺方面，TC4/TC11钛合金强度在固溶温度增加过程中呈现出先降后升的趋势。当固溶温度为930℃时，合金材料内部的a相较为狭长，在固溶温度提升至950℃后，合金材料内部因点式锻压所造成的形变得到恢复，a相呈板条状且相对含量增加，致使材料的强度随之下降[18-19]。在固溶温度达到970℃的情况下，材料内部的a相重新恢复到均匀且狭长的状态，晶界处出现等轴a相，使得合金材料的强度得到显著提升。

表4不同固溶温度下钛合金的拉伸性能测试结果

2.4固溶处理对 TC4/TC11钛合金断口形貌的影响

经过固溶处理的TC4/TC11钛合金微观断口形貌如图4~6所示。根据图4可知，经过930℃固溶处理后的TC4/TC11钛合金断口宏观形貌较为平滑，微观表面分布有较浅的韧窝，且材料内部存在沿晶断裂，塑性不足。

根据图5可知，经过950℃固溶处理后的TC4/TC11钛合金断口宏观表面存在较大起伏，并分布有些许小切面。微观表面分布有深度较大的韧窝，材料内部呈现出塑性断裂特征。

根据图6可知，经过970℃固溶处理后的TC4/TC11钛合金宏观断面存在较为明显的起伏，且起伏幅度和频率较低。微观表面没有明显的解理平台，韧窝均匀且深度更大，材料内部呈现出韧性断裂特征，塑性得到了显著改善。

3、结束语

本文介绍了点式锻压激光工艺在钛合金加工成型处理中的应用方法，采用TC4和TC11两种钛合金粉末制备出了TC4/TC11钛合金。经拉伸后发现，点式锻压激光成型工艺虽然能够提升TC4/TC11钛合金的拉伸性能，但塑性有所下降。因此，研究对TC4和TC11两种钛合金粉末实施固溶处理。经微观形貌观察后发现，随着固溶温度的提升，合金材料内部的α相形态得到显著改善，且断面韧窝深度随之提升。当固溶温度达到970℃时，合金材料内部呈现出韧性断裂特征，有效改善了材料塑性。综上所述，采用高温固溶和点式锻压激光成型两种工艺制备TC4/TC11钛合金，能够在维持合金材料良好塑性的基础上有效提升其拉伸性能。

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（注，原文标题：TC4/TC11钛合金成型工艺比较及性能分析）

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