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。
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。