简介概要

激光沉积修复TA15/TC17热处理组织与力学性能

来源期刊：稀有金属2020年第5期

论文作者：卞宏友左士刚曲伸杨光王维

文章页码：455 - 461

关键词：激光沉积修复;TA15;TC17;显微组织;拉伸性能;热处理;

摘要：研究了不同退火热处理温度对激光沉积修复TA15/TC17钛合金显微组织及力学性能的影响规律。研究表明:TC17基体经退火热处理后双态组织中α片层长度、宽度及长宽比无明显变化。TA15修复区沉积态组织为粗大的原始β柱状晶,晶粒内为α/β网篮组织;当退火温度由610℃,630℃升到650℃后,TA15修复区α片层宽度明显增大,体积分数逐渐减少,长宽比下降,呈短棒状分布。经退火热处理后修复试样抗拉强度与塑性均明显提高,当退火温度为650℃时,抗拉强度最高为1102 MPa,与沉积态相比提高7. 1%,达到TC17锻件的98. 4%;断后伸长率为13. 5%,与沉积态相比明显提高,且高于TC17与TA15锻件标准;退火温度变化对显微硬度影响不大。

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网络首发时间: 2018-12-20 07:08

稀有金属 2020,44(05),455-461 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy18100016

激光沉积修复TA15/TC17热处理组织与力学性能

卞宏友左士刚曲伸杨光王维

沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室

中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司焊接技术室

摘要：

研究了不同退火热处理温度对激光沉积修复TA15/TC17钛合金显微组织及力学性能的影响规律。研究表明：TC17基体经退火热处理后双态组织中α片层长度、宽度及长宽比无明显变化。TA15修复区沉积态组织为粗大的原始β柱状晶，晶粒内为α/β网篮组织；当退火温度由610℃，630℃升到650℃后，TA15修复区α片层宽度明显增大，体积分数逐渐减少，长宽比下降，呈短棒状分布。经退火热处理后修复试样抗拉强度与塑性均明显提高，当退火温度为650℃时，抗拉强度最高为1102 MPa，与沉积态相比提高7. 1%，达到TC17锻件的98. 4%；断后伸长率为13. 5%，与沉积态相比明显提高，且高于TC17与TA15锻件标准；退火温度变化对显微硬度影响不大。

关键词：

激光沉积修复;TA15;TC17;显微组织;拉伸性能;热处理;

中图分类号： TG665

作者简介：卞宏友（1975-），男，黑龙江海伦人，博士，教授，研究方向：激光沉积修复技术，电话：18040036511,E-mail:bhy@sia.cn;

收稿日期：2018-10-23

基金：辽宁省自然科学基金项目（20170540690）;国家自然科学基金项目（51375316）资助;

Microstructure and Mechanical Properties of Heat Treatment TA15/TC17 Titanium Alloy by Laser Deposition Repair

Bian Hongyou Zuo Shigang Qu Shen Yang Guang Wang Wei

Key Laboratory of Fundamental Science for National Defence of Aeronautical Digital Manufacturing Process,Shenyang Aerospace University

Welding Research Institute,Shenyang Liming AeroEngine Corporation LTD,AECC

Abstract：

The effect of annealing temperature on microstructure and mechanical properties of TA15/TC17 titanium alloy by laser deposition repair was studied. After annealing treatment, the length, width and length-width ratio of α lamellar have not change obviously in the two-state structure of TC17;the as-deposited samples structure the TA15 repair zone was a coarse β columnar crystal with a α/β basket structure in the grain;when the annealing temperature rose from 610 ℃ to 650 ℃,the α lamellar width of the TA15 repair region increased obviously,the volume fraction gradually decreased,and the aspect ratio decreased,showing a short rod-like distribution. The tensile strength and plasticity of the repaired specimens increased obviously after annealing heat treatment,when the annealing temperature was 650 ℃,the tensile strength was 1102 MPa,increased by 7.1% compared with as-deposited samples,which reached over 98.4% of the wrought standard of TC17. The elongation after fracture was 13.5%,which was obviously higher than the wrought standard of TC17 and TA15,and the change of annealing temperature had little effect on microhardness.

Keyword：

laser deposition repair; TA15; TC17; microstructure; tensile property; heat treatment;

Received： 2018-10-23

TC17钛合金主要用于制造整体叶盘、发动机风扇、压气机盘和大截面锻件等 ^[1,2] ，在服役过程中容易出现边缘烧蚀、磨损等损伤。对于整体叶盘等而言，可能因为一个叶片损坏而导致整个叶盘报废。激光沉积修复技术具有热输入小、能实现近净成形修复等优点，能够满足零部件快速、高质量的修复需求 ^[3,4] 。目前研究主要集中在采用同质材料对钛合金进行激光修复。采用同质材料修复时，相对锻造基体，修复区组织晶粒细小，硬度略高 ^[5,6] 。

选取硬度较低的异质粉末材料进行修复，有利于实现修复区与基体硬度相匹配。目前关于异质钛合金激光修复的研究较少。对于异质钛合金间的激光修复，为了使修复层具有良好的成形质量和力学性能，减小裂纹敏感性，在保证与基体材料具有相应使用性能的同时，还要考虑热膨胀系数、熔点等热物性方面具有良好的匹配性 ^[7] 。

TA15的热膨胀系数和熔点等热物性参数与TC17相近，符合激光修复的材料匹配性原则 ^[7] ;TA15钛合金最高工作温度可达500℃，满足TC17的工作温度（427℃）要求 ^[1] ；另外TA15钛合金粉末在激光修复领域应用更为广泛 ^[8] ，可有效降低生产成本。因此选择TA15作为激光修复粉末材料。

激光沉积修复属于快速熔凝，TA15修复区沉积态组织是亚稳态的，且快速冷却抑制了α相的充分析出，使得TA15修复试样沉积态强度与塑性低于锻件标准。热处理工艺是调整TA15钛合金显微组织和力学性能的重要手段之一，由于近α型钛合金不能进行热处理强化，TA15钛合金一般在退火状态下使用 ^[9] 。席明哲等 ^[10,11] 认为随着退火温度的升高，粗大β晶内的α相板条体积分数减少，而β转变组织的体积分数增加。张小红等 ^[12] 研究了热处理对激光立体成形TA15合金组织及其力学性能的影响，结果表明经退火后，TA15合金塑性在强度降低不多的情况下得到了提高。陈博等 ^[13] 研究表明，激光熔化沉积TC17钛合金随退火温度的升高α相含量逐渐减小，α片层粗化，塑性升高。由此可见，对修复后的沉积态试样进行退火热处理能够明显改变TA15钛合金的力学性能。

TA15钛合金退火目的是通过部分再结晶消除应力、稳定组织与性能 ^[14] ；由于是采用异质材料修复，在对TA15修复区进行组织调控的同时，还要保证TC17基体的组织性能稳定。

通过采用TA15钛合金粉末在TC17基体上进行激光沉积修复试验，研究了退火温度对激光沉积修复TA15/TC17合金试样显微组织及力学性能的影响规律，分析了显微组织与力学性能之间的关系，为异质钛合金修复件的热处理工艺优化提供了指导依据。

1实验

采用LDM-800激光沉积制造系统进行修复试验，基体为经过标准热处理（630℃，8 h，空冷（AC））的TC17锻件，粉末为旋转电极工艺制备的TA15球形粉末，粒度为44～149μm，使用前在干燥箱内进行2 h的烘干处理。TC17钛合金基板和TA15粉末的化学成分分别如表1和表2所示。

TC17基体长度为90 mm，宽度为8 mm，高度为25 mm，采用多道多层沉积修复方式，沉积尺寸与基体一致。激光沉积修复工艺参数为：激光功率800 W，扫描速度4 mm·s^-1，送粉速度为0.4 r·min^-1，扫描间距为1.8 mm，层高为0.5mm。利用SGM.VB30/12G型箱式电阻炉在充氩条件下对修复试样进行热处理。修复试样采用的热处理工艺制度及相应的修复区α相体积分数如表3所示。

表1 TC17钛合金基板的化学成分下载原图

Table 1 Chemical composition of TC17 substrate(%,mass fraction)

表2 TA15合金粉末的化学成分下载原图

Table 2 Chemical composition of TA15 powders(%,mass fraction)

表3 激光沉积修复TA15/TC17热处理工艺制度及修复区α相体积分数下载原图

Table 3 Heat treatment for TA15/TC17 of laser deposi-tion repair and volume fraction ofαphase

采用线切割、打磨、抛光制备金相试样，经腐蚀（腐蚀剂∶HF∶HNO₃∶H₂O体积比为1∶6∶7）后制成金相样品，并采用OLYMPUS-GX51型光学显微镜（OM）和S3400型扫描电镜（SEM）对金相样品进行显微组织观察分析。采用Image-Pro Plus软件测量α相的长宽比及体积分数。将修复试样加工成图1所示室温拉伸试样，沿沉积界面TC17基体与TA15修复区各取一半，利用INSTTRON5982拉伸试验机进行室温拉伸性能测试。采用HVS-1000A显微硬度计沿沉积方向测量试样的显微硬度。

图1 室温拉伸试样

Fig.1 Room temperature tensile specimen(mm)

2结果与讨论

2.1退火温度对TC17基体组织的影响

经退火热处理后TC17基体微观组织仍为双态组织，组织形貌未发生明显变化；与沉积态相比，TC17基体微观组织α片层长度、宽度及长宽比无明显变化。因为试验采用的TC17基体材料已经过热处理（630℃，8 h,AC），在对TA15修复区组织进行去应力退火热处理调控时，退火温度为（630±20）℃，远低于TC17钛合金的相变温度（890℃），TC17基体双态组织不会发生α/β相之间的转变 ^[4] 。

2.2退火温度对TA15修复区组织的影响

图2与图3分别为激光沉积修复TA15/TC17试样TA15修复区光镜（OM）与扫描电镜（SEM）显微组织。

图2 不同退火温度下的TA15修复区显微组织

Fig.2 OM images of TA15 repair zone at different annealing temperatures

(a)As-deposited;(b)610℃/8 h,AC;(c)630℃/8 h,AC;(d)650℃/8 h,AC

图3 不同退火温度下的TA15修复区显微组织

Fig.3 SEM images of TA15 repair zone at different annealing temperatures

(a)As-deposited;(b)610℃/8 h,AC;(c)630℃/8 h,AC;(d)650℃/8 h,AC

TA15修复区宏观组织为粗大贯穿多个沉积层的β柱状晶组织，呈近似于定向生长的特征，不同沉积层之间呈带状分布层带现象。微观组织为典型的网篮组织（图2(a）），由α相、β转变组织和少量α′相组成。α相的体积分数为58%，片层α相长0.8～3.2μm、宽度为0.1～0.15μm，长宽比平均为16∶1。为了减小对TC17基体的影响，试验采用800 W低功率进行修复，激光功率降低会使熔池温度降低 ^[15] ，热输入减小，引起组织粗化效果减小，因此α相组织细密，宽度较小。此外还含有少量细长针状马氏体α′相，由于激光修复属于快速冷却过程，β相析出次生α相的同时，析出一小部分细长针状马氏体α′相 ^[16] 。

退火热处理后的TA15修复区组织同样是典型的网篮组织，α相的含量及形貌均发生明显变化。当退火温度由610℃上升到650℃后，α相的体积分数由53%下降到41%。当退火温度为650℃时，片层α相长0.6～2.6μm、宽度为0.26～0.4μm，长宽比平均为5∶1，细长片状α相消失，变为短棒状α相，与沉积态相比，α相宽度明显变大，长宽比减小。

随着退火温度升高，部分α片层出现了长大及粗化现象，长宽比下降，这主要是由于在退火时，α片层在各方向交错生长，相邻不同生长方向的α片层互相接触，较粗大的α片层会将其他方向阻碍其生长的α片层截断，被截断的α片层随着退火温度的升高依旧会继续生长，宽度逐渐变大 ^[17,18] ，因此最终α片层长宽比下降，呈短棒状分布。

2.3室温拉伸性能

激光沉积修复TA15/TC17合金沉积态及不同退火温度热处理态下的室温拉伸强度如表4所示，断裂均在TA15修复区一侧产生。

沉积态修复试样的抗拉强度σ_b平均为1029MPa，达到TC17锻件的90.2%，高出TA15锻件10.6%；断后伸长率为4.3%，略低于TC17和TA15锻件。由表4可知，TA15沉积态修复组织内部为典型的网篮组织，片层状α相较为细小，且取向不同，阻碍滑移产生，使得强度相对TA15锻件略高，但位错难以穿过α/β相界面，使得沉积态修复试样塑性略低。

表4 TA15/TC17合金室温拉伸性能下载原图

Table 4 Room temperature tensile properties of TA15/TC17 alloy

经退火热处理后试样的拉伸强度与断后伸长率均高于沉积态试样，且随退火温度的升高，拉伸强度与断后伸长率均提高。当退火温度为650℃时，抗拉强度最高为1102 MPa，与沉积态相比提高7.1%，达到TC17锻件的98.4%。断后伸长率为13.5%，明显高于TC17与TA15锻件标准。

由于采用退火热处理前后，TC17基体的微观组织变化不大，组织保持稳定性，所以修复试样产生不同的力学性能主要是由TA15修复区组织的变化引起的。随退火温度的升高，TA15修复区部分α片层组织逐渐长大，长宽比减小而宽度增加，由细长针状变为短棒状，较粗大的α片层会对较小的α片层产生挤压作用，对塑性变形过程产生一定的持久作用；此外随退火温度的升高，α相的体积分数减小导致β相体积分数增加，α相的滑移系为3个，β相为12个，β相相对α相更易产生相对滑移 ^[14] ，塑性变形能力提高，所以断后伸长率提高。

沉积态与不同温度退火热处理态室温拉伸断口见图4。沉积态修复试样断面为以韧窝为主和解理为辅的混合断口，韧窝周围存在撕裂棱，呈韧性断裂特征，部分区域出现类似于解理面的尺寸较大而浅的韧窝，较大尺寸的韧窝会使塑性降低。

经退火处理后，断口断面韧窝尺寸变小。随着退火温度升高，韧窝尺寸逐渐减小，数量增加。韧窝尺寸减小导致塑性提高，与表4所体现的退火态试样断后伸长率随退火温度升高而升高的情况相吻合。

2.4显微硬度

激光沉积修复TA15/TC17合金沉积态及不同退火温度热处理态下的显微硬度测试结果如图5所示。

沉积态修复试样TC17基体显微硬度平均为HV_0.3532，热影响区显微硬度平均为HV_0.3584，相对于TC17基体提高9.8%;TA15修复区显微硬度平均为HV_0.3489，相对TC17基体低16.2%，高于TA15锻件（HV_0.3320）。

图4 不同退火温度下的室温拉伸断口形貌

Fig.4 Tensile fracture morphology at different annealing tem-perature

(a)As-deposited;(b)610℃/8 h,AC;(c)630℃/8 h,AC;(d)650℃/8 h,AC

图5 激光沉积修复TA15/TC17合金显微硬度分布

Fig.5 Microhardness distribution of TA15/TC17 alloy re-paired by Laser deposition

因为在激光修复过程中，熔池内的热量迅速传递到TC17基体形成热影响区，热影响区温度达到相变点，使β转变基体上的片状α相和初生α相发生向β相的固溶扩散转变；另外由于激光修复具有快速凝固的特点，在快速冷却过程中，β转变基体析出细小的次生α相来不及充分生长，因此热影响区形成了细小的网篮组织 ^[19,20] ，晶粒细化且片层α相相对TC17基体更加细小，导致显微硬度有所提高。

相比于沉积态（试样1），经过不同退火温度热处理后，各区域显微硬度整体上变化不明显，可见退火温度对显微硬度影响不大。当退火温度为650℃时，与沉积态相比，TA15修复区显微硬度略微下降HV_0.310左右，这主要是由于650℃退火后，显微组织粗化更加明显，导致相界面减少；同时α相的体积分数也减小，β相的体积分数增加，而α相滑移系较少，β相滑移系数较多，β相相对α相更易产生相对滑移，使塑性变形能力更高，导致TA15修复区显微硬度值相对沉积态有小幅降低。

3结论

1.TC17基体经退火热处理后双态组织中α片层长度、宽度及长宽比均无明显变化。

2.激光沉积修复试样的修复区微观组织为典型的网篮组织；随着退火温度升高，α片层的体积分数逐渐减少，长宽比呈下降趋势，呈短棒状分布，α片层宽度增加。当退火温度由610℃上升到650℃时，α相的含量由53%下降到41%。

3.室温拉伸断口位于TA15修复区，为典型的韧性断裂；经不同温度退火热处理态试样的拉伸强度与断后伸长率均高于沉积态试样，且随退火温度的升高，拉伸强度与断后伸长率均呈上升趋势。当退火温度为650℃时，抗拉强度为1102MPa，与沉积态相比提高7.1%，达到TC17锻件的98.4%；断后伸长率为13.5%，与沉积态相比明显提高，且高于TC17与TA15锻件标准。

4.随退火温度升高，显微硬度变化不明显，表明退火温度对显微硬度影响不大，当退火温度为650℃时，与沉积态相比，TA15修复区显微硬度略微下降HV_0.310左右。