摘要: 对激光选区熔化(SLM)成形TA15钛合金显微组织、室温和高温拉伸性能进行了研究，并与TA15钛合金板材进行了对比分析。结果表明，SLM成形TA15钛合金显微组织与板材明显不同，存在连续的、平直的α相晶界，原始的β晶粒没有充分破碎；相比TA15钛合金板材，SLM成形TA15钛合金室温和高温环境下屈服强度、抗拉强度和断后伸长率均有提高；室温拉伸断口SEM照片可观察出残余的TA15钛合金粉末，断口韧窝大部分存在α/β相界。
Abstract:
The microstructure and tensile properties at room temperature and high temperature of SLM TA15 titanium alloy were studied and compared with TA15 titanium alloy plate. The results show that, the microstructure of SLM TA15 titanium alloy where there was a continuous, flat α phase boundary, and the original β grains were not sufficiently broken, is significantly different from TA15 titanium alloy plate. Compared with TA15 titanium alloy plate, SLM TA15 titanium alloy has slightly higher yield strength, tensile strength and elongation after fracture at room temperature and high temperature. The residual TA15 titanium alloy powder was found in SEM photos of tensile fracture at room temperature and most of the fracture dimples had α/β phase boundary.
1. 引言
TA15是高Al当量的近α型钛合金，具有比强度高、良好的热稳定性、抗蠕变性、焊接性和加工塑性等优异的力学性能，主要用于制造500℃以下长时间工作的飞机零部件、发动机零部件和焊接承力零部件 [1] 。然而，传统金属制造技术生产成本高、周期长、材料浪费严重和工艺复杂等问题，严重制约了钛合金在航空航天领域的广泛应用。近些年来，增材制造技术以低成本、材料利用率高和制造周期短等优势，成为先进金属制造技术的发展方向。
钛合金增材制造技术主要分为直接能量沉积和粉末床熔化两个类别 [2] 。直接能量沉积技术效率高，可成形大尺寸零部件，关于TA15钛合金的直接能量沉积制造技术，国内已进行了相应的研究，对制备工艺及其组织、拉伸性能和疲劳性能等均取得了较多的研究成果 [3] [4] [5] [6] [7] 。相比之下，粉末床熔化技术成形精度高，在薄壁、点阵及精密复杂零部件上具有广阔的应用前景。激光选区熔化(SLM)技术是粉末床熔化技术的一种，是目前应用最广泛、最前沿的增材制造技术之一 [8] 。但关于激光选区熔化成形TA15钛合金组织及力学性能的研究较少，难以为工程应用提供基础数据支撑。
本文采用SLM技术制备了TA15钛合金试验件，通过测试获得了SLM成形TA15钛合金的显微组织、室温和高温拉伸性能，并分析了SLM成形TA15钛合金和TA15钛合金板材组织及力学性能差异，为SLM成形TA15钛合金在工程上的应用提供了试验数据依据。
2. 实验材料与方法
2.1. 实验材料
采用德国SLM Solutions公司的SLM 280设备制备了SLM成形TA15钛合金试验件，设备分层厚度25~75 μm，焦点直径80~115 μm，最小结构尺寸150 μm。SLM成形TA15钛合金化学成分见表1。
Table 1. Chemical composition of SLM TA15 titanium alloy
表1. SLM成形TA15钛合金化学成分
Table 2. Technology of SLM TA15 titanium alloy
表2. TA15钛合金SLM工艺
2.2. 试验件制备工艺
激光选区熔化工艺参数见表2所示。成形完成后，进行850℃保温2 h退火热处理，并对SLM成形TA15钛合金进行表面质量和内部质量检验，检验结果满足标准要求。
2.3. 实验方法
根据标准GB/T228进行室温和高温拉伸试验，试验机为Zwick Z100，设备精度满足精度要求，试验采用应变速率控制，应变速率为0.005 mm/mm/min。拉伸试验件为板状试样，试样形式及尺寸如图1所示。
Figure 1. Shape and size of tensile sample (mm)
图1. 拉伸试样形式及尺寸(mm)
3. 实验结果与分析
3.1. 显微组织分析
图2(a)为SLM成形TA15钛合金平行于堆积方向的显微组织，图2(b)为SLM成形TA15钛合金垂直于堆积方向的显微组织。由图2可知，SLM成形TA15钛合金明显存在有连续的、平直的α相晶界，原始的β晶粒没有充分破碎。图3为传统TA15钛合金板材显微组织，由图可得，TA15钛合金板材不存在连续的、平直的α相晶界，原始的β晶粒充分破碎。对比图2和图3可知，SLM成形TA15钛合金与TA15钛合金板材显微组织相差明显，其差异原因是SLM工艺下，TA15钛合金材料快速凝固，显微组织形态更加细小。
Figure 2. Microstructure of SLM TA15 titanium alloy
图2. SLM成形TA15钛合金显微组织：(a) 平行于堆积方向；(b) 垂直于堆积方向
Figure 3. Microstructure of TA15 titanium alloy plate
图3. TA15钛合金板材显微组织
3.2. 室温拉伸性能
SLM成形TA15钛合金和TA15钛合金板材室温拉伸性能如表3所示，SLM成形TA15钛合金取样方向为堆积方向，TA15钛合金板材取样方向为L向。为由表3可知，室温环境下，SLM成形TA15钛合金屈服强度为918 MPa，抗拉强度为1052 MPa，断后伸长率为12.3%。相比TA15钛合金板材，SLM成形TA15钛合金室温力学性能略有提高。
Table 3. Test results of tensile properties at room temperature
表3. 室温拉伸性能测试结果
3.3. 高温拉伸性能
SLM成形TA15钛合金和TA15钛合金板材高温拉伸性能如表4所示，试验温度为500℃，取样方向与室温拉伸试样相同。由表4可知，高温环境下，SLM成形TA15钛合金屈服强度为549 MPa，抗拉强度为690 MPa，断后伸长率为21.5%。相比TA15钛合金板材，SLM成形TA15钛合金高温力学性能有所提高。
Table 4. Test results of tensile properties at high temperature
表4. 高温拉伸性能测试结果
3.4. 断口分析
选取SLM成形TA15钛合金室温拉伸断口进行分析，SEM照片如图4所示，断口上可观察出较多的圆球状金属粉末，这应该是SLM成形过程中残余的TA15钛合金粉末。断口韧窝大部分存在α/β相界，α/α晶界中，分布较为均匀，都是呈现等轴状的小韧窝，表明SLM成形TA15钛合金室温拉伸断裂为韧性断裂。
Figure 4. Fractographs of SLM TA15 TA15 titanium alloy of tensile test at room temperature
图4. SLM成形TA15钛合金室温拉伸断口形貌：(a) ×100；(b) ×500
4. 结论
通过对SLM成形TA15钛合金的显微组织、室温和高温拉伸性能进行研究和分析，结论如下：
1) SLM成形TA15钛合金显微组织明显存在有连续的、平直的α相晶界，原始的β晶粒没有充分破碎。而TA15钛合金板材不存在连续的、平直的α相晶界，原始的β晶粒充分破碎。
2) SLM成形TA15钛合金室温和高温拉伸性能比TA15钛合金略好，屈服强度、抗拉强度和断后伸长率均有所提高。
3) SLM成形TA15钛合金室温拉伸断口上可观察出较多残余的圆球状金属粉末，大量的韧窝表明室温拉伸为韧性断裂。