引言

TA15 合金为我国自主研发的一种名义成分为 Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V 的近 α 型钛合金，拥有优良的热强性、、可焊性和工艺塑性，能在 500℃下长功夫高温工作，常用作发起机的各类叶片、、机匣，飞机上的各类钣金件、、梁、、焊接承力框等，是航空航天领域重要的结构资料之一。。目前，航空航天结构件朝着轻量化、、复杂化、、结构职能一体化方向发展，现有的钛合金复杂构件制作技术逐步难以满足其利用需要。。

激光选区溶解成形工艺 (Selective laser melting，简称 SLM) 是一种以预置铺粉、、分层制作、、叠加成形道理进行 “增材” 式三维加工的高端数字化制作技术。。它突破了现有制作技术对构件状态的限度，可能实现 “职能 - 结构 - 制作” 的一体化，成为解决复杂精密金属构件制作难题的步骤之一。。近年来，国内外关于 SLM 技术成形钛合金的报道日益增多，成形资料如 α+β 型合金 (Ti6Al4V) 与 β 型合金 (Ti-Nb) 在降低孔隙率、、改善成形精度、、调控残存应力和组织与力学机能等方面获得了显著进展，而对于近 α 型钛合金的 SLM 成形的钻研则重要集中在热处置制度、、委顿裂纹萌朝气制及理论描摹和摩擦学行为钻研方面。。别的，力学机能的各向异性是 SLM 成形件的一个普遍特点，以往的钻研已在多种资料系统中证实了这一点，如 α+β 型 Ti6Al4V 钛合金、、Ti6Al7Nb 钛合金、、S136 模具钢等，但对于 SLM 成形近 α 钛合金的显微组织各向异性特点及其对力学机能的影响仍不足系统钻研。。由于 SLM 工艺中急剧溶解与高度定向的凝固行为易引发组织方向性，而近 α 钛合金自身的晶体结构又与 α+β 型、、β 型钛合金分歧，这使得成形件在分歧成形方向上的组织演化和力学机能可能存在显著差距。。因而，钻研 TA15 钛合金 SLM 成形件的各向组织演化法规及其对力学机能差距的影响，对于拓展近 α 钛合金的增材制作应器拥有重要意思。。

本工作拔取 TA15 钛合金为尝试资料，选取 SLM 设备发展沿水平 (垂直于构建方向) 和垂直方向 (平行于构建方向) 上成形的 TA15 合金组织与机能差距的钻研。。首先索求 SLM 成形 TA15 合金的优化工艺窗口，别离沿水平、、垂直方向成形致密的 TA15 试样；；；选取光学显微镜 (OM)、、扫描电子显微镜 (SEM) 和电子背散射衍射仪 (EBSD) 表征并探索分歧方向上成形的 TA15 试样微观组织各向异性特点；；；而后通过拉伸测试钻研 SLM 成形 TA15 合金的各向异性宏观力学机能，对拉伸断口描摹进行显微组织观察并分析其产生各向异性的原因。。最后钻研分歧工艺参数下 SLM 成形的 TA15 合金显微硬度的各向异性特点。。通过钻研各向异性显微组织特点、、力学机能及其形成机制，为 TA15 合金的 SLM 成形提供凭据与技术支持。。

1、、 试验资料及步骤

1.1 试验资料

本试验所选取的粉末原料为西安欧中资料科技有限公司制备的等离子旋转电极雾化 TA15 球形粉末。。利用 X 射线荧光探针对粉末的化学成分进行了测试，其化学成分满足国度划定的 TA15 合金商标成分尺度，如表 1 所示。。

表 1 TA15 合金粉末重要化学成分 (Wt. %)

选取 Mastersizer 3000 型激光粒度仪对粉末粒径进行表征。。测试了局批注，粉末的 D10、、D50 和 D90 别离为 27.6 μm、、36.0 μm 和 46.9 μm，粉末的粒径在 16.4 - 66.9 μm 之间出现近似正态散布；；；从描摹上看，粉末的球形度较高，粉末理论光滑平坦，无卫星粉，相邻粉末之间无相互粘连的景象，粉末粒径散布较为均匀，能满足 SLM 成形的铺粉要求。。

1.2 试样制备

选用上海探真激光技术有限公司研制的 Techgine TS120 型 SLM 设备进行 TA15 成形尝试，选用铸造 TA15 板材作为成形基板，成形前进行理论喷砂并用无水乙醇洗濯。。所有尝试均在；；；た掌薪，并将氧含量节制在 200 ppm 以下。。

表 2 TA15 合金的 SLM 成形试验工艺参数

为了优化 TA15 合金的 SLM 成形工艺参数，选取表 2 所列的工艺参数领域进行尝试，其中相邻两层间的相位角为 90°。。通过制备尺寸为 8×8×8 mm? 的立方体试样用于工艺参数的优化、、物相和显微组织分析。。选取优化后的工艺参数凭据图 2 (a) 所示的尺寸成形了 TA15 拉伸试样。。

1.3 表征与测试步骤

选取 X?Pert PRO 型 X 射线衍射仪对成形的块体试样进行物相组成分析，扫描步长为 0.02°。。选取尺度金相法对 TA15 试样进行研磨和抛光，并用 Kroll 侵蚀剂 (HF: HNO?: H?O=2: 8: 90) 进行侵蚀，而后选取 EPIPHOT-300 金相显微镜和 Zeiss G300 环境扫描电子显微镜 (SEM) 观察成形试样的显微组织和断口描摹。。对磨抛后的金相试样进行电解抛光，电解液配比为甲醇：：高氯酸 = 9: 1，电解参数为工作电压 20 V，~1.3 A 恒电流，工作温度 0 °C 左右，时长 60 s。。使用 JSM6460 型扫描电子显微镜对电解抛光的试样进行电子背散射衍射 (EBSD) 分析试样的晶粒取向、、晶粒尺寸和极图。。扫描面积约为 300×300 μm?，扫描步长为 0.5 μm，织构强度由极图 (Pole figures, PF) 中最大均匀密度 (d) 的倍数暗示。。

加工实现的拉伸试样在 Zwick/roell 全能资料试验机上进行室温拉伸机能测试，夹持标距 25 mm 引伸计，拉伸速度节制为 1 mm/min，每组参数下测试五个试样并求取均匀值作为该参数下的拉伸机能值。。拉伸测试后，使用 SEM 观察拉伸试样的断口描摹。。选取 DHV-1000Z 型显微硬度测试金相试样，保障相邻测试点间距离大于 2 mm，测试载荷为 1.96 N，保压功夫 20 s。。

2、、试验了局及分析

2.1 工艺参数优化

图 3 展示了分歧参数组合下 SLM 成形 TA15 合金的金相及致密度散布图。。从金相照片中能够观察到，当扫描速度过高或者扫描间距过大、、过小时，试样内部出现了显著增多的孔隙缺点。。致密度散布图定量地验证了这一趋向：：在扫描速度较低、、扫描间距适中的区域，合金的致密度普遍高于 99.9%，最高可达 99.98%；；；统一扫描间距下，随着扫描速度的增长，致密度出现出降落趋向；；；扫描速度低于 1200 mm/s 时，统一扫描速度下致密度相差较小。。更高的扫描速度 (1400 mm/s) 导致致密度颠簸较大，过小或过大的扫描间距下致密度变低，最低至 98.12%。。原因在于：：激光功率一按时，过高的扫描速度容易导致熔池不不变，熔道尺寸不规定；；；过小扫描间距使相邻熔道搭接过多而互有关扰增长了气孔等缺点；；；而过大的扫描间距使相邻熔道之间搭接不良，从而形成未熔合孔隙。。因而能够确定较优的 SLM 成形 TA15 的工艺窗口：：激光扫描速度 600~1000 mm/s，扫描间距 0.06~0.1 mm，激光功率 200 W，铺粉层厚 0.02 mm。。在此工艺窗口领域内成形的实体均无显著的气孔等缺点。。

凭据上述工艺窗口的优化了局，为确保试样拥有最高的致密化水平，后续显微组织和拉伸机能试验均选取以下的工艺参数制备试样：：激光功率 200 W，扫描速度 600 mm/s，扫描间距 0.1 mm，铺粉层厚 0.02 mm，相位角变动 90°。。

2.2 物相及成分

图 4 给出了 TA15 粉末以及 SLM 成形 TA15 块体的 XRD 衍射图谱，图中 TA15 原始粉末与 SLM 成形后块体的衍射峰地位极度靠近，均阐发出钛合金密排六方晶体结构 (hcp) 的特点，这批注绝大部门的初生 β 相在冷却过程中已通过固态相变分化。。

对比图 4 两条谱线发现，相对于虚线所标的原始粉末衍射峰，SLM 试样的衍射峰向高角度方向产生了轻微偏移。。固然 α 和 α' 均为 hcp 结构，其衍射谱线相近，但 α' 相晶格内存在的较大内应力与畸变使其峰位偏移，结合 SLM 工艺极高的冷却速度，能够确定 SLM 成形 TA15 合金的相组成为非平衡马氏体 α'。。其原因在于，SLM 的急剧凝固过程引发了溶质捕获效应，使得原子半径小于 Ti 的溶质原子 (Al、、V 和 Mo) 被强制固溶在 HCP 晶格中，形成过饱和置换固溶体，这导致晶格常数的收缩和晶面间距 (d) 的减小。。凭据布拉格衍射定律能够推出，晶面间距减小导致其衍射角 θ 增大，即阐发为 XRD 谱线上衍射峰的向右偏移。。

图 5 给出了 SLM 成形 TA15 合金试样的 EDS 面扫描了局，试样中的 Ti、、Al、、V、、Zr、、Mo 等合金元素散布均匀，未观察到显著的微观偏析。。这是由于初始原料粉末成分均匀性优良，在 SLM 工艺极短的溶解 - 凝固周期中，熔池内的元素来不及产生显著扩散就被急剧凝固，因而最终成形的固态组织保留了原始的均匀成分散布。。

2.3 显微组织

图 6 给出了 SLM 成形 TA15 合金的显微组织图。。从横截面中能够看到近等轴状的初生 β 晶粒截面，而纵截面中能够观察到大量沿构建方向成长的柱状初生 β 晶粒，这些柱状晶粒的宽度约莫在 100 μm 左右，长度险些能够贯通整个试样高度，远超加工层厚。。其形成归因于 SLM 工艺中显著的定向凝固个性。。在逐层溶解过程中，新沉积层的晶；；；嵋砸涯滩悴棵胖厝鄣木ЯＮ魏顺牡，沿着最大热流相反方向外延成长，最终形成贯通多个溶解层的粗壮柱状晶。。：峤孛嬷械某跎 β 晶粒放大图中能够观察到其内部由很多藐小的针状组织组成，这是由于 SLM 成形过程属于急剧溶解急剧凝固，其自上而下超高的温度梯度 (10? K/m) 以及急剧的冷却速度 (10?-10? K/s)，促使初生柱状晶组织通过固态相变 β→α' 转化为针状组织，而这种针状组织即为 Al、、V 和 Mo 等元素来不及扩散而形成的拥有晶格畸变的置换固溶体，即针状马氏体 α'。。

图 7 是通过扫描电子显微镜观察的 SLM 成形 TA15 合金的显微照片。。高倍下，无论是横截面还是纵截面，TA15 合金均出现出由分歧取向的针状 α' 马氏体组成的典型网篮 (basket-weave) 组织，并出现出显著的多级分级特点：：低级 α' 马氏体的尺寸最大，长度可达上百微米；；；尺寸更藐小的亚级 (二级、、三级、、四级)α' 马氏体沿低级 α' 马氏体的垂直或水平方向析出。。由于三、、四级马氏体尺寸藐小且特点难以直接观测，故选取图像处置技术加强微观组织的高频分量，获得特点凸起的二值化图像以进行定量统计。。了局显示，三级 α' 马氏体晶粒长径在 4.49 μm~8.82 μm；；；四级 α' 马氏体晶粒长径降低至数百纳米级别，散布在 629 nm~868 nm 领域。。各层级马氏体之间近似呈垂直或平行关系，这种多级、、正交的取向关系是形成网篮结构的重要成分，复杂的分级结构是 SLM 工艺逐层沉积所带来的原位、、屡次热循环 (cyclic reheating) 的了局。。由精密、、高密度且交错分列的多级马氏体组成的网篮组织有效地故障了位错活动，使得 SLM 成形 TA15 合金拥有高强度与高硬度的个性。。

图 8 展示了 SLM 成形 TA15 合金的晶粒取向图。。通过 EBSD 分析能够进一步观察到初生 β 晶粒的微观描摹，横截面上出现出近等轴的棋盘格状，而纵截面则为沿构建方向拉长的柱状晶，在这些初生 β 晶粒内部填充着由细密针状 α' 马氏体组成的交错组织，与图 5 和图 6 的显微组织齐全对应。。从晶粒取向图的晶体色彩散布能够观察到，横截面和纵截面别离以 <0001>(品红色) 和 < 1?21?0>(黄绿色) 取向为主，同时蕴含多种其他色彩的晶粒取向。。这种在统一初生 β 晶粒内形成多种 α' 取向的景象，其本原在于 β(BCC)→α'(HCP) 相变遵循经典的伯格斯取向关系 (Burgers Orientation Relationship, BOR)。。肆意两种分歧取向的 α' 马氏体之间形成的晶界大多为大角度晶界 (HAGBs)，其理论取向差重要集中在 10.53°、、60°、、60.83°、、63.26° 和 90° 五种特点角度，形成概率别离为 18.2%、、36.4%、、18.2%、、18.2% 和 9%，其中 62° 左近的 HAGBs 占比高达 72.8%。。

然而凭据现实取向差散布统计显示，横、、纵截面在 62° 左近的 HAGBs 占比显著低于理论值，别离为 55.6% 和 46.5%。。只管其他特点角度的散布趋向与理论相符，但概率均有所降低。。这种理论与现实的误差是由于 SLM 极端的非平衡急剧凝固前提使得部门 β→α 相变偏离了梦想的伯格斯关系，从而推进了其它非理论取向的形成。。梦想的网篮组织严格遵循伯格斯关系，拥有较强的几何互锁效应，而非理论取向减弱了这种几何互锁，当一个区域产生滑移时，应力能够更有效地传递给取向各别的相邻晶粒，从而激活更多种类的滑移系来共同承载塑性变形，预防应变过度集中，从而阐发出宏观塑性提升。。

从 SLM 成形 TA15 合金晶粒尺寸统计图能够看到，横截面的均匀晶粒尺寸 (1.66 μm) 相较于纵截面 (1.98 μm) 减小了 16.2%，且横截面的细晶 (<2 μm) 占比 (53.6%) 相对纵截面 (45.3%) 更高，其晶粒更为藐小，而其藐小的晶粒可能故障位错活动，凭据霍尔 - 佩奇 (Hall-Petch) 关系，这暗示沿水平成形的试样可能拥有更高的拉伸强度。。图 10 为 SLM 成形 TA15 合金的极图，其中横截面 {0001} 取向相较显著，最大织构强度为 11.65，但三个特点晶面的投影均相对分散，没有显著的织构；；；纵截面与横截面类似，{0001} 取向相对显著但投影不集中，最大织构强度为 12.6，{112?0} 和 {101?0} 晶面投影散布随机。。两个截面的晶面族在等高坐标系上均呈弥散投影散布，固然两个方向上未体现出强的织构阐发，但存在择优取向差距。。

2.4 力学机能

SLM 成形 TA15 合金的力学机能如图 11 (a)。。从图中可见，对于沿水平方向成形的试样，屈服强度和极限抗拉强度别离可达 1025 MPa 和 1226 MPa，延长率为 10.8%；；；对于沿垂直方向成形的试样，其屈服强度和极限抗拉强度别离为 885 MPa 和 1118 MPa，低于沿水平方向成形的拉伸试样，但延长率 (13.4%) 更高。。两个方向成形的 TA15 合金的力学机能都优于退火态锻件尺度。。SLM 成形 TA15 合金的显微组织中 α' 针状马氏体拥有高强度低韧性特点，在 TA15 合金的成形过程中，溶质原子 Al 的固溶强化效应，以及晶粒藐小的过饱和固溶体的细晶强化作用，是 SLM 成状态 TA15 合金力学机能达到并超过锻件水平的重要原因。。

图 11 (b) 比力了本钻研 SLM 成形 TA15 合金试样、、锻件试样和已报道的其他 SLM 成形 TA15 合金试样的力学机能。Ｄ芄环⑾ SLM 成形 TA15 合金的拉伸机能均优于锻件加工的 TA15 合金，别的其他已报道的钻研批注 SLM 成形 TA15 合金各向异性水平较弱，而本钻研通过工艺参数优化实现 SLM 成形 TA15 合金各向异性特点的可控调节，如在特定方向上获得高强度或者高塑性，也能在两全较高强度的同时获得高塑性，从而实现综合机能的最优匹配。。

通过差值比 DR (difference ratio) 来表征 TA15 合金沿水平和垂直平面成形试样的各向异性力学机能。。DRUTS、、DRYS 和 DREL 别离暗示 TA15 合金极限抗拉强度、、屈服强度以及延长率的差值比。。DRUTS、、DRYS 能够由式 (1) 进行推算：：

DREL 由式 (2) 进行推算。。

其中 TH 和 TV 别离暗示沿水平和垂直方向成形试样的强度，ElH 和 ElV 别离暗示沿水平和垂直方向成形试样的延长率，差值越大暗示其各向异性强度越强。。推算得到的 DRYS，DRUTS 和 DREL 值别离为 15.82%、、9.66% 和 24.07%，TA15 合金的力学机能的差值比根基大于 10%，批注 SLM 成形 TA15 钛合金力学机能阐发出各向异性，这与微观组织的分析结论相符。。

为进一步钻研分歧方向 SLM 成形 TA15 合金拉伸机能的差距机制，对两个方向成形试样的拉伸试样断口进行了扫描电子显微镜 (SEM) 观察，了局如图 12 所示。。两个方向上的试样断口总体均阐发出典型的韧窝结构，韧窝的状态均出现出近等轴的杯状或碗状特点，断裂方式重要为微孔聚合型韧性断裂。。此外，能够观察到沿水平方向成形的试样断口的韧窝尺寸整体略小于垂直方向，意味着在断裂过程中，沿水平平面成形的试样微孔在较小的塑性变形下就起头聚合和断裂，其能量吸收较少，部门延展性相对垂直方向的试样较低，这与力学机能的测试了局结论一致。。

表 3 SLM 成形致密度大于 99.9% 的 TA15 合金试样的工艺参数

为评估 TA15 合金显微硬度，选取了表 3 的五组工艺参数成形了系列 TA15 合金试样，并测试了横截面和纵截面的显微硬度，同时选取公式 (1) 推算了硬度差值比 DRHV，了局如图 13 所示。。从图 13 (a)、、(b) 可观察到，分歧试样的统一方向截面其显微硬度根基一样，注明致密度成形的前提下，TA15 合金的显微硬度根基不受工艺参数影响。。进一步对比发现，分歧试样的横截面 (413 HV) 均匀显微硬度都略低于纵截面 (423 HV)，但其 DRHV 值均不超过 3%，因而可以为 SLM 成形 TA15 合金的显微硬度近乎各项同性。。

3、、结论

本文通过优化 SLM 成形 TA15 合金的工艺参数，并成形了水平和垂直方向的试样，并对成状态 TA15 合金的微观晶粒描摹及取向、、拉伸机能和显微硬度等进行了钻研，会商了微观组织与力学机能之间的联系，得到如下结论：：

SLM 成形过程中近似自上而下的温度梯度使 TA15 合金的显微组织由典型的 β 柱状结构及其内部的针状马氏体 α' 组成，并且马氏体 α' 晶粒长度从数百纳米到上百微米，拥有显著的分级特点，彼此交错分列形成篮网状结构，使得 TA15 合金占有高强度、、高硬度的个性。。

SLM 成形 TA15 合金的横截面和纵截面的 α' 马氏体晶粒别离以 <0001> 取向和 < 1?21?0 > 取向为主。。β→α' 相变在遵循 Burgers 取向关系的同时呈弥散特点，这种由非平衡凝固诱导的非梦想取向微观结构，减弱了刚性几何互锁效应，推进了应力在晶粒间的有效转递与多滑移系的激活，从而改善了塑性变形能力。。：峤孛娴木染Я３叽 (1.66 μm) 较纵截面 (1.98 μm) 小 16.2%。。固然横、、纵截面晶面族在等高坐标系上均呈弥散投影散布，织构强度的方向性差距不显著，但织构存在择优取向。。

SLM 成形的 TA15 合金室温拉伸强度及延长率均可达到锻件尺度。。沿水平方向成形试样的屈服强度 (1025 MPa) 和极限抗拉强度 (1226 MPa) 比垂直方向别离高 15.82%(855 MPa) 和 9.66%(1118 MPa)，但延长率 (10.8%) 则降低 24.07%(13.4%)，拉伸机能阐发出各向异性。。显微硬度在两个方向上相差不超过 3%，不存在显著的各向异性。。归其原因，显微硬度的各向同性是受微观下状态均匀的精密 α' 马氏体主导，而宏观力学机能的各向异性则是分歧方向的初生 β 晶粒的微观状态与晶体织构类型差距共同作用的了局。。

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（注，原文标题：：激光选区溶解成形TA15钛合金的显微组织与拉伸机能钻研_卢璟祥）