3D打印钛合金的制备与组织性能研究

Ti-4Al-3V（TC4）钛合金是一种中等强度的两相钛合金，具有强度高、密度低、耐腐蚀性能良好等 特点[1]，在航空航天、船舶等领域有着广泛应用。随着现代航空航天等领域在高载荷、高燃烧效率等方 面需求的提高，钛合金需要具有更高的硬度、强度、抗蠕变性能等以满足使用需求[2-3]。目前铸态和锻 态的钛合金在抗拉强度、强塑性能等方面与航空航天等领域的应用需求仍然有差距[4]，而采用3D打印即 快速成型技术可以实现钛基复合材料的加工，该技术以数字模型文件为基础，运用金属粉末等可粘合材料在 激光热输入作用下逐层打印来获取所需要的成形件[5-6]，具有生产效率高、制造灵活以及可打印复杂形 状零部件等的优点，在现代航空航天、船舶等领域有着良好应用前景[7]。在此基础上，本文尝试性采用 3D打印技术制备了不同Ｃ含量（质量分数）的Ti-4Al-3V-ｘＣ钛合金（ｘ＝0， 0.12，0.23，0.39和0.62），对比分析了不同Ｃ含量钛合金的显微组织、硬度、蠕变性能和拉伸性能 ，结果将有助于高综合性能的钛合金复合材料的开发，并推动其在更广泛领域的应用。

1、试验材料与方法

1.1　试验材料

试验原料为粒径125μm的Ti-4Al-3V（TC4）钛合金粉末、粒径60μm的Ｃ粉，纯度都为99.８％。

1.2　制备方法

为了制备不同Ｃ含量的Ti-4Al-3Ｖ-ｘＣ钛合金（ｘ＝0，0.12，0.23，0.39和0.62， 质量分数，下同），按成分配置将粉末置于行星球磨机中，以350ｒ／ｍｉｎ速度混合均匀后喷入气溶胶 （体积分数2.８％的聚乙烯醇）继续搅拌15ｍｉｎ，得到混合粉末预聚体[８]。分别采用ＹＡＧ激光器 和ＣＯ2激光器3Ｄ打印钛合金（激光立体成形），其中，ＹＡＧ激光器的功率为1kW、脉宽7ms、频 率15Hz、光斑直径1mm、扫描速度3mm/ｓ、载气流量6L/min、送粉量4g/min，CO2激光器的功率为 1.5ｋＷ、光斑直径2mm、扫描速度10mm／ｓ、载气流量6L/min、送粉量4g/min。

1.3　测试方法

采用线切割方法切割块状试样，磨抛和Ｋｒｏｌｌ试剂腐蚀后采用ＪＥＯＬ　ＪＳＭ-6400型扫描电镜 观察显微形貌并用能谱仪测试成分；使用ＤＵＨ-222Ｂ型纳米压痕仪测试纳米硬度，加载载荷和速率分别 为1.96ｍＮ和45ｍＮ/ｓ，保压时间控制在40ｓ，分别得到硬度、弹性模量、蠕变等结果[9]；拉伸性 能使用纳克ＧＮＴ300电子拉伸试验机进行测试，温度为室温，结果取6根试样平均值，拉伸速率为1mm /min。

2、试验结果与分析

图1为不同制备工艺下激光3Ｄ打印Ti-4Al-3Ｖ-0.62Ｃ钛合金的显微组织。对比分析可知，采用ＹＡ Ｇ激光器和CO2激光器3Ｄ打印钛合金的显微组织存在明显差异，虽然在凝固后纤维组织中都存在亮白色 的ＴｉＣ颗粒，但是ＴｉＣ颗粒的尺寸、分布和面积分数都不同。

其中，采用ＹＡＧ激光器3D打印钛合金中的TiC颗粒尺寸细小、分布均匀，而CO2激光器3Ｄ打 印钛合金中的TiC颗粒尺寸较大、数量较小。整体而言，采用ＹＡＧ激光器3Ｄ打印钛合金中的TiC颗粒尺寸和分布符合预期要求[10]，后续主要采用ＹＡＧ激光器3Ｄ打印。

图2为激光3Ｄ打印钛合金的载荷-位移曲线和力学性能，分别列出了Ｃ含量为0.12％、0.23％、 0.39％和0.62％时钛合金的载荷-位移曲线、硬度和弹性模量。从图2（ａ）的载荷-位移曲线可知，随着 钛合金中Ｃ含量增加，纳米压痕深度逐渐减小，且含Ｃ的钛合金的纳米压痕深度都小于不含Ｃ的钛合金， 由此可见，在钛合金中加入Ｃ有助于减小纳米压痕深度。从图2（ｂ）的硬度和弹性模量测试结果看，添加Ｃ 的钛合金的硬度和弹性模量都高于未添加Ｃ的钛合金，且随着Ｃ含量从0.12％增加至0.62％，含Ｃ 钛合金的硬度和弹性模量逐渐增加，在Ｃ含量为0.62％时，含Ｃ钛合金的硬度从2.72ＧＰａ增加至4.2８Ｇ Ｐａ，弹性模量从70.3ＧＰａ增加至100.9ＧＰａ，这主要是因为在钛合金中加入Ｃ可以起到固溶强化和 析出强化作用[11-12]，且Ｃ含量越高则3Ｄ打印钛合金中ＴｉＣ的析出量会越多，第二相强化作用愈发 显著，硬度提升的同时弹性模量增大[13]。

 图3为激光3Ｄ打印钛合金的蠕变性能测试结果，分别列出了荷载-位移、蠕变深度-保压时间和蠕 变速率-保压时间曲线。从图3（ａ）的荷载-位移曲线可知，含Ｃ的钛合金的蠕变深度都小于不含Ｃ的 钛合金，且随着Ｃ含量增加，蠕变深度呈现逐渐减小趋势，可见在钛合金中加入Ｃ可以一定程度上提升其抗 蠕变性能；从图3（ｂ）的蠕变深度-保压时间曲线可知，随着保压时间的延长，不同Ｃ含量的钛合金的蠕 变深度都呈现逐渐增加的趋势，但是在相同保压时间下，含Ｃ钛合金的蠕变深度都小于不含Ｃ钛合金，且Ｃ 含量越高则钛合金的蠕变深度越小。从图3（ｃ）的蠕变速率-保压时间曲线可知，随着保压时间的延长 ，不同Ｃ含量的钛合金的蠕变速率都呈现逐渐减小的趋势，在相同保压时间下，不含Ｃ钛合金的蠕变速率 最大。整体而言，在钛合金中加入Ｃ可以有助于材料抗蠕变性能提升。

 图3为激光3Ｄ打印钛合金的蠕变性能测试结果，分别列出了荷载-位移、蠕变深度-保压时间和蠕 变速率-保压时间曲线。从图3（ａ）的荷载-位移曲线可知，含Ｃ的钛合金的蠕变深度都小于不含Ｃ的 钛合金，且随着Ｃ含量增加，蠕变深度呈现逐渐减小趋势，可见在钛合金中加入Ｃ可以一定程度上提升其抗 蠕变性能；从图3（ｂ）的蠕变深度-保压时间曲线可知，随着保压时间的延长，不同Ｃ含量的钛合金的蠕 变深度都呈现逐渐增加的趋势，但是在相同保压时间下，含Ｃ钛合金的蠕变深度都小于不含Ｃ钛合金，且Ｃ 含量越高则钛合金的蠕变深度越小。从图3（ｃ）的蠕变速率-保压时间曲线可知，随着保压时间的延长 ，不同Ｃ含量的钛合金的蠕变速率都呈现逐渐减小的趋势，在相同保压时间下，不含Ｃ钛合金的蠕变速率 最大。整体而言，在钛合金中加入Ｃ可以有助于材料抗蠕变性能提升。

合金的位错密度都高于不含Ｃ钛合金，且含Ｃ钛合金的位错密度随着Ｃ含量增加逐渐增大，在Ｃ含量 为0.62％时达到最大值（9.21×10¹²ｃｍ^－2）。这主要是因为随着Ｃ含量增加，钛合金的硬度最大， 压头压入过程中形成的加工硬化效果愈发显著[14]，塑性变形过程中位错会不断增殖而使得位错密度升高 。但是钛合金中Ｃ含量并不是越高越好，如果Ｃ含量过高，硬度增加的同时会一定程度上影响塑性和韧性，因此，需要找到合适的Ｃ添加量以实现良好的强塑性和韧性结合。

图5为激光3Ｄ打印钛合金的拉伸性能测试结果。从图5（ａ）的应力-应变曲线可知，含Ｃ和不含Ｃ 钛合金的应力-应变曲线都较为相似，都存在弹性变形、屈服和强化阶段，断裂时不含Ｃ的钛合金应变最 大，而Ｃ含量越高则钛合金断裂时的应变越小，相应地塑性越差；从图5（ｂ）的强度和断后伸长率测 试结果可知，含Ｃ钛合金的抗拉强度和屈服强度都高于不含Ｃ钛合金，而断后伸长率都低于不含Ｃ钛合金 ，尤其是当Ｃ含量增加至0.39％及以上时，含Ｃ钛合金的断后伸长率下降较为明显。当Ｃ含量为0.23％ 时，3D打印钛合金的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为1　07８ＭＰａ、921ＭＰａ和11.6％，高 于铸造TC4钛合金（抗拉强度≥８60ＭＰａ、屈服强度≥75８ＭＰａ、断后伸长率≥８％）和锻态 TC4钛合金（抗拉强度≥930ＭＰａ、屈服强度≥８60ＭＰａ、断后伸长率≥10％），具有相对较好的 综合性能。

 图6为激光3D打印Ti-4Al-3V-0.23Ｃ钛合金的显微组织。可见，在钛合金内部存在不规则形 状的棒状或者片状析出物，能谱分析表明其主要含有Ｔｉ和Ｃ元素，结合文献可知，这些不规则形状的 析出物为TiC，在钛合金中可以起到颗粒增强作用，但是较大尺寸的TiC会形成裂纹源而降低塑性 。结合前述的测试结果可知，在钛合金中加入Ｃ，其中一部分Ｃ会以固溶形式存在并起到固溶强化作用 ，而另一部分Ｃ则会与Ｔｉ发生反应而形成形状不规则的TiC，细小弥散的颗粒状TiC可以起 到颗粒强化作用，而较大尺寸的TiC则会产生应力集中并萌生裂纹而降低塑性和韧性。

3、结论

1）随着钛合金中Ｃ含量增加，纳米压痕深度逐渐减小，且含Ｃ的钛合金的纳米压痕深度都小于不含 Ｃ的钛合金，由此可见，在钛合金中加入Ｃ有助于减小纳米压痕深度。

2）含Ｃ钛合金的位错密度都高于不含Ｃ钛合金，且含Ｃ钛合金的位错密度会随着Ｃ含量升高而逐渐增 大，在Ｃ含量为0.62％时位错密度达到9.21×1012ｃｍ－2。

3）含Ｃ钛合金的抗拉强度和屈服强度都高于不含Ｃ钛合金，而断后伸长率都低于不含Ｃ钛合金， 尤其是当Ｃ含量增加至0.39％及以上时，含Ｃ钛合金的断后伸长率下降较为明显。当Ｃ含量为0.23％时， 3Ｄ打印钛合金的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为1　07８ＭＰａ、921ＭＰａ和11.6％。

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