何波1,邢盟1,楊光,2,邢飛3,劉祥宇4

TC4鈦合金作為一種中等強度α+β型鈦合金，具有比強度高、屈強比高、耐蝕性好等特性，在航空航天領域中主要用于制造發動機的風扇和壓氣機盤及葉片，以及飛機結構中的梁、接頭和隔框等重要承力構件[1,2,3,4]。TC11鈦合金作為一種可以在500 ℃以下長期使用的α+β型耐高溫的高強雙相鈦合金，具有優異的力學性能和成形性，主要用來制造航空發動機的壓氣機盤轉子葉片以及飛機構件[5,6,7]。由于不同材料連接的構件能充分利用每一種材料的優異性能，如強度、比強度、耐高溫性和耐腐蝕性等，因此，在工程及制造中采用不同材料連接的結構件，不僅能夠滿足不同工作條件對材質的不同要求，而且還能節約貴重金屬，降低結構的整體成本，充分發揮不同材料的性能優勢，在航空航天、空間技術等領域得到了日益廣泛的應用[8,9,10,11,12]。

激光沉積制造技術采用高能激光對金屬粉末進行燒結，在無需任何模具或模型的情況下，不僅成形精度高、制造速度快，而且由于高能激光所產生的快速熔化和凝固過程，使得激光沉積件組織致密、細小且均勻，不僅能消除成分偏析的影響，而且能提高其力學性能和耐蝕性能，降低制造成本，目前該技術在航空航天大型構件的制造和研究中廣泛應用[13,14,15,16,17,18]。此外，采用激光沉積制造技術還可在零件不同部位形成不同的成分和組織，經合理控制可滿足零件不同部位對性能的不同要求?；诩す獬练e制造技術將不同鈦合金粉末制備成異種鈦合金結合件，再通過適當熱處理工藝改善其組織，相比用其中一種材料制備的成形件具有更加優異的綜合力學性能，可滿足更高的性能要求[19,20,21]。對不同材料連接的零件而言，界面是其最薄弱的部分。因此，如何提高連接界面的完整性是一個非常關鍵的問題。在采用激光沉積制造技術制備成形件時，由于成形的快冷、快熱的特點，2種合金的化學成分存在差異，會產生較大的熱應力和組織突變，降低連接界面的性能。如果在2種合金之間設立過渡區，即具有一定成分梯度，則可以減小連接界面的熱應力，減緩組織的突變程度。隨后采用熱處理消除變形時產生的殘余應力，細化晶粒，改善過渡區及兩側的顯微硬度分布及合金元素的擴散，以提高連接界面的綜合性能[9,22,23,24,25]。本工作采用激光沉積制造技術制備具有不同過渡層數即不同成分梯度的TC4/TC11雙合金件，研究成分梯度對連接界面組織和性能的影響，為進一步完善激光沉積制造雙合金梯度復合結構提供參考。

1實驗方法

TC4/TC11鈦合金的制備由激光沉積制造系統完成，該系統由半導體激光器、載氣式送粉器、四路同軸送粉嘴、冷水機、惰性氣氛保護箱、氧分析儀、光路及聚焦系統等構成。其中激光沉積工藝參數為：功率1.8~2 kW，掃描速率10 mm/s，光斑直徑3 mm，搭接率50%。實驗過程中保護氣氛以及載粉氣體均采用H2，并嚴格控制保護箱內O2含量。TC4和TC11鈦合金粉末粒度均為60~160 μm，其中TC4和TC11鈦合金材料的化學成分見表1。實驗前，將所有粉末在100 ℃的真空條件下烘干2 h，以防止粉末表面水分在熔覆過程中形成氧化膜，成形基材采用鍛造TC4厚板件，成形前基材表面須用砂紙打磨后并用丙酮清洗干凈，以減少表面氧化膜、油污等對實驗的影響。

表1TC4和TC11鈦合金的化學成分

Table 1Chemical compositions of TC4 and TC11 alloys

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本實驗采用多道多層激光沉積制造技術，實驗時沿高度(Z軸)方向先沉積TC4鈦合金粉末，分別沉積0、1、3層過渡層(每層3 mm厚)，最后沉積TC11鈦合金粉末。過渡區每層成分的質量比均由TC4∶TC11=100∶0連續變化至0∶100，其中具有1層過渡層的試樣的過渡區成分為50%TC4+50%TC11 (質量分數)。具有3層過渡層的過渡區成分組成如表2所示。為了研究過渡層數對試樣拉伸性能的影響，制備尺寸為40 mm×20 mm×71 mm的試樣，其中0層過渡層試樣的TC4側、過渡區和TC11側的高度分別為35.5、0和35.5 mm； 1層過渡層試樣的TC4側、過渡區和TC11側的高度分別為34、3和34 mm；3層過渡層試樣的TC4側、過渡區和TC11側的高度分別為31、9和31 mm；過渡區為0層的試樣是TC4/TC11直接過渡件，1層過渡區試樣的過渡區由3 mm厚的50%TC4和50%TC11鈦合金粉末沉積組成，3層過渡區試樣的過渡區由3 mm厚的25%TC4和75%TC11、3 mm厚的50%TC4和50%TC11、3 mm厚的75%TC4和25%TC11鈦合金粉末沉積組成。然后利用型號為SGMVB10/12G的人工智能箱式電阻爐，對成形后的TC4/TC11雙合金試樣進行熱處理，熱處理制度如表3所示。采用GX51光學顯微鏡(OM)對不同熱處理下的直接過渡(0層過渡區)試樣的界面處顯微組織進行觀察，對不同熱處理下的1層和3層過渡區試樣過渡區中心處的顯微組織進行觀察，其中腐蝕劑的體積比為HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶70。通過Nano Measurer軟件對顯微組織中α相板條的長寬比進行測量。利用INSTRON5982電子萬能試驗機對試樣進行室溫拉伸，拉伸試樣取樣位置如圖1所示。隨后采用ΣIGMA掃描電子顯微鏡(SEM)對拉伸斷口形貌進行觀察，采用GX51 OM觀察斷口截面組織；在室溫條件下，采用球盤式HT-1000型摩擦磨損試驗機測試試樣的耐磨性能。其中對磨材料為直徑6 mm、硬度60 HRC的GCr15鋼球。實驗過程中，試樣固定在旋轉臺上，在保持不動的對磨鋼球上加載5 N，并以500 r/min的速率旋轉，使對磨鋼球在試樣表面做半徑為3 mm的圓周運動，磨損20 min。摩擦磨損實驗前后，使用無水乙醇對試樣進行10 min超聲波清洗，最后采用GX51 OM觀察磨損形貌。使用HVS-1000A型顯微硬度計對不同試樣的顯微硬度進行測試，加載載荷為200 g，持續時間為10 s，硬度值取5次的平均值。

表2具有3層過渡層的試樣各過渡層的成分組成

Table 2Compositions of each layer for three transition layers sample

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表3熱處理制度

Table 3Heat treatment processes

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3結論

(1) 通過觀察固溶時效熱處理后3種不同層數過渡區顯微組織可以發現，當固溶時效熱處理溫度升高至970 ℃時，TC4/TC11鈦合金顯微組織中α板條的長寬比更小，其中球狀α相和短棒狀α相數目明顯增多；與0層和1層相比，具有3層過渡區的顯微組織更為均勻有序，過渡界面基本消失。

(2) 過渡區為0層、1層、3層的TC4/TC11鈦合金試樣的強度和塑性依次增高，斷口附近α相變形程度依次增強。不同成分梯度試樣的斷口均呈現明顯大且深的等軸韌窩，大韌窩內分布著眾多小韌窩，過渡層為0層、1層、3層試樣的韌窩依次變得更大、更深，說明塑性依次升高，此結論與力學性能測試結果完全一致。

(3) 不同過渡層數的固溶時效態TC4/TC11鈦合金的磨損機理均主要為剝層磨損和黏著磨損。過渡層為1層和3層試樣的摩擦系數曲線相似，過渡層為0層試樣的摩擦系數明顯減小。

(4) 不同過渡層的硬度排序為沉積態<去應力退火態<固溶時效態，其中固溶時效處理后的顯微硬度增大明顯；隨著過渡層數的增加，顯微硬度數值的波動不斷變小。

來源--金屬學報