激光立体成形Ti_Al_V系的合金力学性能_张凤英
激光增材制造钛合金微观组织和力学性能研究进展
第53卷第1期表面技术2024年1月SURFACE TECHNOLOGY·15·激光增材制造钛合金微观组织和力学性能研究进展竺俊杰1，王优强1,2*，倪陈兵1,2，王雪兆1，刘德建1，房玉鑫1，李梦杰1（1.青岛理工大学，山东 青岛 266520；2.工业流体节能与污染控制教育部重点实验室，山东 青岛 266520）摘要：激光选区熔化（SLM）技术与激光熔化沉积（LMD）技术在航空航天、生物医疗等领域的应用具有巨大潜力，但由于成形的Ti6Al4V合金构件存在较差的表面质量、较大的残余应力以及内部孔洞等问题，影响了构件的力学性能，从而制约了其大规模的应用。
针对这一现状，首先概述了激光选区熔化技术与激光熔化沉积技术的制造原理，比较了2种增材制造技术的成形参数及其特点，并分析了2种不同成形技术的自身优势以及适用场合。
其次，从2种增材制造技术成形钛合金的工艺参数入手，综述了激光功率、扫描速度、激光扫描间距、铺粉厚度、粉床温度等参数对SLM工艺成形钛合金的影响，以及激光功率、扫描速度、送粉速率等参数对LMD工艺成形钛合金的影响。
发现成形工艺参数直接影响了粉末熔化程度、熔合质量和成形显微结构，从而影响成形件的组织与力学性能。
此外，综述了不同的扫描策略对两种增材制造技术成形钛合金的表面质量与力学性能的影响，可以发现在不同扫描策略下同一试样表面的不同区域表面质量、残余应力以及抗拉强度存在较大差异，同一扫描策略下试样的不同表面之间也存在各向异性。
最后，探讨了不同热处理工艺对钛合金微观组织和力学性能的影响，通过合适的热处理能够降低成形构件应力，并调控组织相变和性能。
关键词：激光选区熔化；激光熔化沉积；钛合金；微观组织；力学性能；热处理中图分类号：TG146.23 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)01-0015-18DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.01.002Research Progress on Microstructure and Mechanical Propertiesof Titanium Alloy by Laser Additive ManufacturingZHU Junjie1, WANG Youqiang1,2*, NI Chenbing1,2, WANG Xuezhao1,LIU Dejian1, FANG Yuxin1, LI Mengjie1(1. Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266520, China;2. Key Lab of Industrial Fluid Energy Conservation and Pollution Control, Shandong Qingdao 266520, China)ABSTRACT: Selective laser melting (SLM) technology and laser melting deposition (LMD) technology are becoming收稿日期：2022-11-30；修订日期：2023-06-15Received：2022-11-30；Revised：2023-06-15基金项目：山东省自然科学基金（ZR2021ME063）Fund：The Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2021ME063)引文格式：竺俊杰, 王优强, 倪陈兵, 等. 激光增材制造钛合金微观组织和力学性能研究进展[J]. 表面技术, 2024, 53(1): 15-32.ZHU Junjie, WANG Youqiang, NI Chenbing, et al. Research Progress on Microstructure and Mechanical Properties of Titanium Alloy by Laser Additive Manufacturing[J]. Surface Technology, 2024, 53(1): 15-32.*通信作者（Corresponding author）·16·表面技术 2024年1月increasingly close to the properties of manufactured titanium alloys and forgings, which have great potential for applications in aerospace, biomedical and other fields. However, the poor surface quality, large residual stresses and the presence of internal holes in the formed Ti6Al4V alloy components affect the mechanical properties of the components, thus limiting their large-scale application. To address this situation, this work firstly outlined the manufacturing principles of selective laser melting and laser melting deposition, compared the forming parameters and characteristics of the two additive manufacturing technologies, and analyzed the advantages and applications of the two different forming technologies. Since the selective laser melting technique could adjust the thickness of the laying powder, a smaller laser spot diameter was chosen to improve the surface quality and dimensional accuracy of the formed components. The laser melting and deposition technology adopted coaxial powder feeding for faster processing and was more suitable for manufacturing medium to large metal parts.Secondly, the effects of laser power, scanning speed, laser scanning pitch, powder thickness and powder bed temperature on the forming of titanium alloys by SLM process and the effects of laser power, scanning speed and powder feeding rate on the forming of titanium alloys by LMD process were reviewed from the forming process parameters of the two additive manufacturing technologies, revealing the intrinsic effects of forming parameters, microstructure and mechanical properties in the additive manufacturing process. The direct parameters of the forming process were found to affect the degree of powder melting, fusion quality and forming microstructure, thus affecting the organization and mechanical properties of the formed parts. The effect of laser power and scanning speed on the forming process was more obvious than other factors, and there was a greater correlation between them, and a combination of lower laser power and higher scanning speed could be adopted to obtain specimens with higher microhardness. In addition, the effects of different scanning strategies on the surface quality and mechanical properties of titanium alloys formed by the two additive manufacturing techniques were reviewed, and it was found that the surface quality, residual stress and tensile strength of different regions of the same specimen surface under different scanning strategies differed significantly, and anisotropy existed between different surfaces of the specimen under the same scanning strategy. Finally, the effects of different heat treatment processes on the microstructure and mechanical properties of titanium alloys were investigated, and suitable heat treatments could reduce the stresses and regulate the phase changes and properties of formed components. Two heat treatments, annealing and solution aging, can be combined to balance the strength and plasticity of the component. To summarize the research development of these two additive manufacturing technologies, it is necessary to accelerate the establishment of a complete system of methods under the forming process and forming environment, and to promote the research on the mechanism of microstructure evolution and macro mechanical properties influence.KEY WORDS: selective laser melting; laser melting deposition; titanium alloy; microstructure; mechanical properties; heat treatment由于钛合金有着比强度较高、生物相容性较好以及耐腐蚀性能好的优势，因此在全球范围内广泛应用于生物医疗与航空领域[1-2]。
热处理对Ti-10V-2Fe-3Al钛合金力学性能的影响
热处理对Ti-10V-2Fe-3Al钛合金力学性能的影响摘要：Ti-10V-2Fe-3Al合金是一种近β型钛合金，由于具有高强、高韧、高比强度、深淬透性和优良的热加工性在航空航天领域具有广泛的应用前景。
与目前航空航天领域用量最大的Ti-6Al-4V合金相比，Ti-10V-2Fe-3Al合金的β转变温度一般为790℃～815℃，比Ti-6Al-4V合金的β转变温度大约低100℃。
在β转变温度附近变形的流动应力与Ti-6Al-4V合金935℃变形的流动应力相当，可用于生产各类棒材、板材、锻件等产品，尤其适用于制造316℃以下工作的发动机零件。
与锻造等加工工艺相比，热处理能够在不改变工件的尺寸结构和化学成分的前提下，有效改善工件内部的微观组织，最终获得优良的使用性能和工艺性能，达到提升产品质量、延长使用寿命的目的。
关键词：热处理；Ti-10V-2Fe-3Al钛合金；力学性能；影响引言钛及钛合金具有高比强度、高塑性、耐高温、耐腐蚀、可焊接等优良的综合性能，在航空工业领域得到广泛的应用。
损伤容限设计是当前先进飞机结构设计规范的核心方法之一。
钛合金经β热处理加工后，因具有高断裂韧性、高疲劳裂纹扩展门槛值和低裂纹扩展速率等损伤容限性能，被大量用于制造新一代先进战机的关键结构承力部件，由此显著提高战机的安全性和飞行性能。
在钛合金力学性能研究方面，人们结合万能材料试验机、分离式霍普金森杆等装置开展了该类材料的静动态力学性能实验，并结合有限元分析工具进行了材料性能的数值模拟，研究了固溶、时效等热处理工艺对材料静、动态力学性能的影响。
证实了固溶温度在相变点附近时会改变钛合金动态压缩性能且时效处理会提高钛合金的动态屈服强度。
在Ti-10V-2Fe-3Al应变率范围内，该材料具有明显的应变率强化效应和一定的应变硬化效应。
1.时效温度对钛合金拉伸性能的影响钛合金通过固溶处理获得过饱和固溶体，然后在时效过程中，第二相通过形核和核长大的方式在过饱和固溶体中析出，起到时效强化、提高合金强度的作用。
Ti-6Al-4V(TC4)钛合金的性能
T i-6A l-4V(T C4) Ti-6Al-4V(TC4)钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。
热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金[35]。
表3-2 钛合金Ti-6Al-4V成分钛合金Ti6Al-4V合金碳（最大）0.10％铝 5.50至6.75％氮0.05％氧气（最大）0.020％其他，合计（最大）0.40％*其他，每个（最大）= 0.1％钛平衡钒 3.50至4.50％铁（最大）0.40％氢（最大）0.015％比重0.160弹性模量（E）的15.2 x 10 3 ksi?贝塔Transus 1800 to 1850 °F?液相线温度2976 to 3046 °F固相线温度2900 to 2940 °F电阻率-418 °F 902.5 ohm-cir-mil/ft?73.4 °F 1053 ohm-cir-mil/ft?986 °F 1143 ohm-cir-mil/ft?典型的室温强度计算退火钛6Al-4V的：极限承载强度1380年至2070年兆帕（200-300 ksi）压缩屈服强度825-895兆帕（120-130 ksi）极限剪切强度480-690兆帕（70-100 ksi）Ti-6Al-4V 的线膨胀系数只有8.8×10-6K-1.钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。
99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3,抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=25％，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。
激光钛合金成形技术
2013年5月24日，在第十六届中国北京国际科技产业博览会上，中航重机控股子公司中航激光所属研发团队，展示了获得2012年度“国家技术发明奖一等奖”的飞机钛合金大型整体关键构件激光成形技术。
（来源：环球网）据参与该项研究的北京航空航天大学材料加工工程的人员称，北京航空航天大学已与中航工业集团成立中航激光公司，以对该项技术成果实现产业化。
在这次展会上，还首次公开展示了某型战机的大型钛合金零件。
飞机钛合金大型整体关键构件激光成形技术是“3D打印技术”的高端发展形势，是一项“变革性”的短周期、低成本、数字化先进制造技术。
该项目在国际上首次突破了飞机钛合金大型整体主承力结构件激光成型工艺、力学性能控制、工程化成套设备、技术标准。
已经用激光直接制造30多种钛合金灯大型复杂关键金属零件在大型运输机、舰载机、C919大型客机、歼击机等7型飞机中装机应用，解决型号研制“瓶颈”，使中国成为迄今世界上唯一掌握高性能大型金属零件激光直接制造技术并实现工程应用的国家。
2013年1月18日，国务院向“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”颁发国家技术发明奖一等奖。
目前，这一技术在我国已经投入工业化制造，使我国成为继美国之后、世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成形及技术的国家。
（图为国内公开刊物《航空制造技术》杂志所刊登的某型飞机后机身部件结构示意图，一些观察人士称，这显示歼-31战机至少有4个激光成型“眼镜式”钛合金主承力构件加强框。
）更加令人欣喜的是，在性能上，根据公开的材料表明，我国已经能够生产优于美国的激光成形钛合金构件。
成为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造且付诸实用的国家。
一些观察人士称，这显示歼-31战机至少有4个激光成型“眼镜式”钛合金主承力构件加强框。
目前，我国已经具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力，并投入多个国产航空科研项目的原型和产品制造中。
成为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造并且装机工程应用的国家。
激光选区熔化Ti-6Al-4V_合金的微纳压痕尺寸效应
第53卷第5期表面技术2024年3月SURFACE TECHNOLOGY·85·激光表面改性技术激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的微纳压痕尺寸效应付子聪1，杨诗婷1,2*，田宪会1，郎风超1，李继军1,3，张伟光1（1.内蒙古工业大学 理学院，呼和浩特 010051；2.成都工业学院 智能制造学院，成都 611730；3.上海电子信息职业技术学院 机械与能源工程学院，上海 201411）摘要：目的研究不同状态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的纳米压痕尺寸效应。
方法对原始态合金分别进行600、700、800、900 ℃退火处理，利用扫描电子显微镜观察原始态和4种退火态合金的显微组织。
基于纳米压痕技术测量原始态及4种退火态合金的纳米硬度和弹性模量。
基于比例试样阻力模型、Nix-Gao模型和Meyer定律对纳米硬度进行函数拟合。
结果随着退火温度的升高，原始态组织从魏氏体逐渐演变为网篮组织。
5种形态的Ti-6Al-4V合金的硬度和弹性模量均出现随压入深度的增加而减小的现象，表现出典型的压痕尺寸效应，基于试验测得的原始态及4种退火态合金的纳米硬度分别为3.66、4.36、3.96、3.88、4.77 GPa，弹性模量分别为113.1、125.2、102.1、100.3、108.7 GPa；基于比例试样阻力模型计算的纳米硬度分别为3.53、4.34、3.92、3.52、4.04 GPa；基于Nix-Gao模型计算的纳米硬度分别为3.68、3.94、4.07、3.85、4.47 GPa；基于Meyer定律拟合出的迈耶指数分别为1.75、1.86、1.82、1.80、1.81，均小于2，均表现为正压痕尺寸效应。
结论激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的硬度及弹性模量均有典型的压痕尺寸效应；3种模型均能较好地描述原始态和退火态合金的压痕尺寸效应，Nix-Gao模型直接建立了纳米硬度和压痕深度的关系，其拟合结果更接近于试验结果，计算的硬度值也最为准确。
飞机用钛合金零件的激光快速修复
飞机用钛合金零件的激光快速修复
薛蕾;陈静;张凤英;张霜银;黄卫东
【期刊名称】《稀有金属材料与工程》
【年(卷),期】2006(35)11
【摘要】针对TC4钛合金锻件误加工造成的铣槽和面尺寸超差进行了激光快速修复研究。
修复区与锻件基体之间形成致密冶金结合,修复区组织为柱状原始β晶界
内编织细密的α+β网篮组织,晶内α板条的宽度<1μm。
修复过程中发现粉末状况、激光加工参数影响到修复区中气孔、层间或道间熔合不良等缺陷的形成,通过采用
粉末真空干燥处理、优化工艺参数等方法获得了修复区内无气孔、熔合不良等缺陷的修复试样。
修复试样的室温静载拉伸性能测试结果表明,其抗拉强度达到
1000MPa,屈服强度达到925MPa,延伸率为8.0%,接近锻件本体性能。
【总页数】5页(P1817-1821)
【关键词】TC4钛合金;激光快速修复;微观组织;缺陷;拉伸性能
【作者】薛蕾;陈静;张凤英;张霜银;黄卫东
【作者单位】西北工业大学凝固技术国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.4
【相关文献】
1.基于激光加工技术的飞机钛合金构件损伤快速修复新工艺 [J], 汪定江;王东锋;陈名华;姚娇艳
2.钛合金零件的激光成形修复 [J], 林鑫;薛蕾;陈静;黄卫东
3.飞机钛合金结构激光焊接修复工艺 [J], 代永朝;王东锋;杨玉光
4.激光快速成形飞机金属零件 [J], 杨健;黄卫东;骆兴正;楼瑞祥;刘晓华
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激光选区熔化Al-Mg-Sc-Zr_合金各向组织与损伤容限性能
2024 年第 44 卷航 空 材 料 学 报2024，Vol. 44第 1 期第 143 – 151 页JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS No.1 pp.143 – 151引用格式：冯振宇，陈翥仪，张雪峰，等. 激光选区熔化Al-Mg-Sc-Zr合金各向组织与损伤容限性能[J]. 航空材料学报，2024，44(1)：143-151.FENG Zhenyu，CHEN Zhuyi，ZHANG Xuefeng，et al. Microstructure and damage tolerance properties in different directions of selective laser melted Al-Mg-Sc-Zr alloy[J]. Journal of Aeronautical Materials，2024，44(1)：143-151.激光选区熔化Al-Mg-Sc-Zr合金各向组织与损伤容限性能冯振宇1*, 陈翥仪2, 张雪峰3, 夏晓宇2, 邹 君4*（1．中国民航大学 科技创新研究院，天津 300300；2．中国民航大学 中欧航空工程师学院，天津 300300；3．中国航空制造技术研究院，北京100024；4．中国民航大学 安全科学与工程学院，天津 300300）摘要：研究激光选区熔化（selective laser melting，SLM）技术成形Al-Mg-Sc-Zr合金材料不同取向的显微组织特征、拉伸和损伤容限性能。
结果表明：YZ截面为细小的等轴晶和粗大的柱状晶组成的双峰组织，XY截面由细小的等轴晶组成；0°和90°方向屈服强度、抗拉强度均超过500 MPa，各向异性较小，但堆积层间存在的未熔合缺陷使得90°方向断裂伸长率明显低于0°方向；0°和90°CT试样K IC分别为21.41 MPa·m1/2和20.89 MPa·m1/2，在柱状晶区域裂纹扩展阻抗低，导致90°CT试样K IC稍小；显微组织和缺陷是影响裂纹扩展性能各向异性的主要因素，在近门槛区未熔合缺陷起主导作用，当裂纹面平行于水平方向时裂纹扩展速率更快；在稳态扩展区显微组织的影响起主导作用，当裂纹面平行于水平方向时为穿晶断裂，裂纹扩展阻抗较高，裂纹扩展速率较低。
Ti6Al4V薄板脉冲激光拼焊的焊缝成形及力学性能
Ti6Al4V薄板脉冲激光拼焊的焊缝成形及力学性能
孔斌;杜心伟;海沁雨;陈纪城;刘仁培;魏艳红
【期刊名称】《机械制造文摘:焊接分册》
【年(卷),期】2022()5
【摘要】为了改善钛合金薄板激光焊接过程中因工装误差或存在毛刺造成的焊穿、焊漏等缺陷,采用光纤激光器对1.2 mm厚的Ti6Al4V薄板进行脉冲激光焊接试验。
分析脉冲频率、对接间隙及激光峰值功率3个工艺条件对焊缝成形的影响,针对外
观成形较好的焊缝进行显微组织与力学性能测试,确定了适合Ti6Al4V薄板拼焊的
最佳焊接工艺参数。
结果表明,采用脉冲频率40 Hz,占空比60%,激光峰值功率2.0 kW,光斑直径0.7 mm,焊接速度1.8 m/min的脉冲激光焊接工艺可以获得质量优
异的焊缝;焊缝由粗大的柱状β晶粒和针状α′相组成,热影响区形成了短针状α′相;
随着峰值功率的增大,焊缝的显微硬度明显增大,抗拉强度逐渐减小。
最优焊接工艺
参数下的焊缝强度可以达到母材的98%,拉伸断口表面平整、规则,断面与拉伸轴线方向呈45°,断口含有大量韧窝。
【总页数】7页(P1-7)
【作者】孔斌;杜心伟;海沁雨;陈纪城;刘仁培;魏艳红
【作者单位】南京航空航天大学
【正文语种】中文
【中图分类】TG456.7
【相关文献】
1.镀锌薄板TIG拼焊的焊缝组织及成形性能
2.不等厚激光拼焊板焊缝处力学性能的试验研究
3.不锈钢超薄板脉冲微束等离子弧焊熔池尺寸和焊缝成形质量
4.Ti6Al4V薄板脉冲激光拼焊焊缝成形及力学性能
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第３９卷 第６期中 国 激 光Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．６
２０１２年６月ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＡＳＥＲＳ Ｊｕｎｅ，２０１２
激光立体成形Ｔｉ－Ａｌ－Ｖ系的合金力学性能
张凤英１ 谭 华２ 陈 静２ 林 鑫２
１长安大学材料科学与工程学院，陕西西安７１００６４
２西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西西安（）
７１００７２
摘要 研究了以元素粉末为送进原料时，激光立体成形（ＬＳＦ）Ｔｉ－Ａｌ－Ｖ系合金的力学性能。结合激光立体成形Ｔｉ－
ｘＡｌ－ｙＶ（ｘ≤１０，ｙ≤２５）合金的硬度测试分析和人工神经网络模型优化，获得激光立体成形Ｔｉ－ｘＡｌ－ｙＶ
合金成分－硬
度的关系。选择典型成分合金进行室温拉伸性能测试，在此基础上获得激光立体成形钛合金抗拉强度与显微硬度的比例因子Ｋ值为２．８６～３．００，可实现对激光立体成形Ｔｉ－ｘＡｌ－ｙＶ（ｘ≤１０，ｙ≤２５
）合金的抗拉强度预测。另外，室
温拉伸性能测试结果表明，激光立体成形Ｔｉ－４Ａｌ－３Ｖ、Ｔｉ－５Ａｌ－３Ｖ、Ｔｉ－４Ａｌ－４Ｖ、Ｔｉ－５Ａｌ－４Ｖ以及Ｔｉ－３Ａｌ－６Ｖ沉积态的综合室温拉伸性能均达到Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金的锻件标准。关键词
材料；激光立体成形；钛合金；粉末；力学性能
中图分类号 ＴＧ１４６．４ 文献标识码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＣＪＬ２０１２３９．０６０３００４
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｓｏｌｉｄ Ｆｏｒｍｅｄ Ｔｉ－Ａｌ－Ｖ Ｔｅｒｎａｒｙ
Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ａｌｌｏｙｓ
Ｚｈａｎｇ Ｆｅｎｇｙｉｎｇ１ Ｔａｎ Ｈｕａ２ Ｃｈｅｎ Ｊｉｎｇ２ Ｌｉｎ Ｘｉｎ２１
Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇ′ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ′ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ ７１００６４，Ｃｈｉｎａ
２
Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ
ｙ
，
Ｘｉ′ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ ７１００７２，烄烆烌烎Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｓｏｌｉｄ ｆｏｒｍｉｎｇ（ＬＳＦ）ｏｆ Ｔｉ－Ａｌ－Ｖ ｔｅｒｎａｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ ｆｒｏｍｂｌｅｎｄｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔａｌ ｐｏｗｄｅｒｓ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ ＬＳＦ Ｔｉ－
ｘＡｌ－ｙＶ（ｘ≤１０，ｙ≤２５）ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｍｏｄｅｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｏｏｍ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｏｍｅ ｔｙｐｉｃａｌ ＬＳＦ Ｔｉ－ｘＡｌ－ｙＶ ａｌｌｏｙｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｃａｌｅ ｆａｃｔｏｒ Ｋｏｆ ｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｔｏ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ２．８６ ｔｏ ３．００，ａｎｄ ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｆｏｒＬＳＦ Ｔｉ－ｘＡｌ－ｙＶ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄＴｉ－４Ａｌ－３Ｖ、Ｔｉ－５Ａｌ－３Ｖ、Ｔｉ－４Ａｌ－４Ｖ、Ｔｉ－５Ａｌ－４Ｖ ａｎｄ Ｔｉ－３Ａｌ－６Ｖ ｈａｖｅ ｒｅａｃｈｅｄ ｔｈｅ ｗｒｏｕｇｈｔ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｌａｓｅｒ ｓｏｌｉｄ ｆｏｒｍｉｎｇ；ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ；ｐｏｗｄｅｒ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ
ＯＣＩＳ ｃｏｄｅｓ １４０．３５９０；１４０．３３９０；１６０．２１２０
收稿日期：２０１２－０３－１６；收到修改稿日期：２０１２－０５－０２基金项目：国家自然科学基金（５１１０５３１１）、中国博士后科学基金特别资助项目（２０１１０４６７９）
和西北工业大学凝固技术国
家重点实验室开放课题（ＳＫＬＳＰ２０１１０２）资助课题。
作者简介：张凤英（１９８０—），女，讲师，主要从事激光加工方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｆｅｎｇｙｉｎｇ＠ｃｈｄ．ｅｄｕ．ｃｎ
１ 引
言
钛合金具有比强度高、热强性好、耐腐蚀等优点，近年来已发展成为先进飞机和高推比发动机的主要金属结构材料。飞机的钛合金关键零件通常采用形状复杂的整体带筋加强结构，对于这类零件的生产我国普遍采用的是自由锻而后数控机加的制造方法，存在材料利用率低、研制周期长、制造成本高
等问题，因此，迫切需要发展新的更为先进的钛合金近净成形技术。激光立体成形（ＬＳＦ）技术是２０世纪９０年代中
期迅速发展起来的一项新的先进制造技术，能够实现高性能复杂结构致密金属零件的自由立体成形以及受损零件的修复［１］。
激光立体成形钛合金因具有
无模制造、研制周期短、加工速度快等一系列的技术
０６０３００４－１中 国 激 光优势而受到国内外研究者的广泛关注和青睐［２～７］。另外，由于激光立体成形采用同步送粉、逐点逐层熔覆沉积的成形方式，因此可以将构成合金的各元素粉末，或中间合金粉末混合送入激光熔池，在运动的激光熔池中进行合金化，进而通过多层激光熔覆，实现合金材料的制备。这使得合金成分的柔性化设计成为可能，同时也为新型合金设计、多元合金的合金化机理研究提供可行的技术途径。俄亥俄州立大学的Ｃｏｌｌｉｎｓ等［８～１３］针对钛合金体系，较为系统地开展了以混合元素粉末为原料的激光立体成形技术研究，其中包括混合焓对Ｔｉｍｅｔａｌ ２１Ｓ（Ｔｉ－１５Ｍｏ－２．７Ｎｂ－３Ａｌ－０．２Ｓｉ）沉积层冶金质量的影响，激光立体成形Ｔｉ－ｘＶ、Ｔｉ－ｘＭｏ、Ｔｉ－ｘＴａ以及Ｔｉ－８Ａｌ－ｘＶ（０≤ｘ≤２５）合金成分梯度试样的成分、组织及相分布特征，激光立体成形Ｔｉ－Ｎｂ－Ｚｒ－Ｔａ系钛合金的成分－组织－性能的关系以及不同热处理制度下激光立体成形Ｔｉ－ｘＡｌ－ｙＶ（２＜ｘ＜８，２＜ｙ＜６）合金成分－组织－性能的关系等。各类钛合金中，Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金是目前发展和应用最为成熟的钛合金。然而，前期研究表明，激光立体成形Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ沉积态凝固组织为外延生长的粗大柱状晶，原始β晶内的微观组织为极少量针状α加大量细长的魏氏α板条，无论在相的形态还是尺寸上都不同于传统钛合金的四种典型组织特征；溶质原子Ａｌ、Ｖ在Ｔｉ中的固溶度增大，形成过饱和固溶体，固溶强化作用增强，同时激光立体成形的快热、快冷过程使得沉积试样微区存在拉伸应力应变，以上因素的综合作用使得激光立体成形Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ沉积态组织一般呈现出高强低塑的力学特性［１４，１５］。可见，目前使用的材料成分不一定能够充分发挥激光立体成形加工工艺的优势。结合激光立体成形技术的工艺过程特点，对现有合金成分进行改进，发展激光立体成形专用钛合金粉末也是激光立体成形钛合金技术的一个重要研究方向。作者前期针对广泛应用于航空、航天、汽车领域中的Ｔｉ－Ａｌ－Ｖ系合金激光立体成形沉积态的微观组织演化展开了研究［１６，１７］，揭示了激光立体成形Ｔｉ－ｘＡｌ－ｙＶ合金的凝固组织及微观相结构演化机理。基于前期研究基础，本文针对激光立体成形Ｔｉ－ｘＡｌ－ｙＶ合金的力学性能展开研究。２ 实验过程及方法２．１ 研究方法由于硬度实验是力学性能实验中最简单的实验方法，且金属材料的硬度与强度之间近似地成正比关系［１８］，因此，
为了获得激光立体成形
Ｔｉ－ｘＡｌ－ｙＶ
合金成分与强度的关系，针对以下内容展开研究：
１）首先对沉积试样的硬度进行测试，结合人工
神经网络模型优化获得激光立体成形Ｔｉ－ｘＡｌ－ｙＶ
合金成分－硬度的关系；
２）选择典型成分的合金进行室温拉伸性能测
试，在考察部分激光立体成形Ｔｉ－ｘＡｌ－ｙＶ合金综合室温拉伸性能的同时，能够进一步获得激光立体成形钛合金抗拉强度σｂ与硬度之间的近似比例Ｋ
，从
而可根据Ｔｉ－ｘＡｌ－ｙＶ合金的硬度预测结果对其抗拉强度及其他性能数据进行评估。２．２ 实
验
研究是在西北工业大学凝固技术国家重点实验室建立的激光立体成形系统上完成的，该系统由ＲＳ－８５０型５ｋＷ ＣＯ２激光器、ＬＰＭ－４０８四轴三联动数控工作台、ＧＴＶ ＰＦ２／２型送粉器、同轴送粉喷嘴和惰性气氛加工室等组成。实验原料：纯Ｔｉ、纯Ａｌ、纯Ｖ粉末，粉末性质如表１所示。将Ｔｉ、Ａｌ、Ｖ元素粉末按预设比例配置，经真空烘干处理后，装入充干燥氩气的混料罐里，并在球磨机上机械混合２ｈ后装入送粉器，在纯钛基材上进行激光立体成形工艺实验制备沉积试样。沉积试样分为两类，一类为单道薄板试样，尺寸为１００ｍｍ×１０ｍｍ×３ｍｍ，经线切割、研磨、抛光后
在ＨＸ－１０００型显微硬度计上进行显微硬度测试，加载载荷为２００ｇ
，加载时间为１５ｓ；另一类为块状试
样，尺寸为８０ｍｍ×１６ｍｍ×１６ｍｍ［如图１（ａ
）所
示］，经线切割和表面磨光制成标准棒状拉伸试样［尺寸如图１（ｂ）所示］，在ＩＮＳＴＲＯＮ１１－９６电子拉
力实验机上进行室温拉伸性能测试。实验用激光立体成形工艺参数如表２所示。基材为冷轧纯钛板，实验前用砂纸打磨基材表面以去除氧化层，并用丙酮清洗。表１实验用粉末材料性质Ｔａｂｌｅ １Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｏｗｄｅｒｓＭａｔｅｒｉａｌ ｏｆｔｈｅ ｐｏｗｄｅｒｓＡｐｐｅａｒａｎｃｅＰａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅ／ｍｅｓｈＯｘｙｇｅｎ ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ／％
Ｔｉ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ－１００～２００ ０．０６９Ａｌ Ｓｐｈｅｒｅ ｌｉｋｅ－１５０～２００ ０．０９０Ｖ Ｉｒｒｅｇｕｌａｒ－２００～２５０ ０．０７１
３
结果与讨论
３．１
激光立体成形Ｔｉ－ｘＡｌ－ｙＶ合金硬度分析
建立激光立体成形Ｔｉ－Ａｌ－Ｖ系合金的成分－硬
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