Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.25Si(TC11)是我国开发的可在500℃以下长期使用的α+β型高温钛合金，具有良好的综合性能，与英国IMl685合金性能相当，主要用来制作航空发动机的压气机盘转子叶片以及飞机结构件。目前制造航空发动机钛合金叶轮、转子叶片等复杂零件的方法主要有铸造加工、粉末冶金、电子束快速成形(electric beam rapid forming，EBPF)或激光立体成形(1aser solid forming，LSF)等。铸造加工工艺存在材料利用率极低、加工困难等问题。对于结构复杂的高性能零件，发展近净成形技术是近年来的发展趋势。在近净成形技术中，粉末冶金需要专 门模具，电子束快速成形国内外研究刚刚起步。激光立体成形技术具有材料利用率高、加工零件形状和尺寸不受限、加工速度快等一系列优点，在TC4、TA15等钛合金激光立体成形方面相对比较成熟，是制备高性能复杂致密零件的一种理想方法。

长期以来，制作TC11钛合金飞机转子叶片等零件的方法主要是锻造加工，用LSF技术直接成形TC11钛合金复杂零件的方法尚没有文献报道。对与TC11钛合金相同类型的两相α+β合金，瑞典Acam公司曾用电子束快速成形的方法制作TC4钛合金发动机叶轮；国内西北工业大学也对TC4、TC21钛合金复杂零件的LSF成形技术进行了长期研究。如陈静等人 研究了TC4钛合金的激光立体成形特性及熔凝组织，张霜银等人研究了热处理对激光成形TC4钛合金组织及性能的影响，昝林等人研究了激光快速成形TC21钛合金沉积态组织。对500℃以下长期使用的TC11钛合金，周义刚等人的近β锻造研究表明，由等轴瓠片状反和转变声基体组成的双/三态组织综合性能最好；而对TC4等钛合金的LSF研究表明，

激光立体成形沉积态组织大部分是粗大的柱状晶组织，经热处理后难以得到双/三态组织。因此，作为LSF技术成形TC11钛合金复杂零件的基础研究，能否通过后续热处理工艺得到双/三态组织显得尤为重要。

本实验通过柱状晶/等轴晶转变模型计算，选择合适的工艺参数制备TC11钛合金激光立体成形件，研究不同热处理工艺对沉积态组织的影响，考察能否仅仅通过热处理得到高温综合性能优良的双/三态组织。

1、实验

本研究是在西北工业大学凝固技术国家重点实验室建立的LRF．I型激光立体成形装备上完成。该装备由RS．850型5 kW C02激光器、LPM一408四轴三联动数控工作台、JPSF一2型送粉器和惰性气氛保护箱等组成。

熔覆材料为等离子旋转电极法(plasma rotateelectron powder,PREP)制备的球形TCl l钛合金粉末，成分见表1，粉末平均粒度为120μm，基材为纯Ti板材。实验前将TC11钛合金球形粉末在40℃左右真空条件下烘干，以防止粉末表面水分在熔覆过程中形成氧化膜，并对钛基材表面打磨，用丙酮去除污渍，以减少表面氧化膜、油污等对实验的影响。

图1是采用林鑫等发展的柱状晶／等轴晶转变模型(columnar to equiaxed transition，CET)计算的TC11钛合金的CET曲线。从中可以看出，激光立体成形的实验条件范围与等轴晶形成区域相交面积较少，选择成形工艺参数时，尽可能让工艺参数落在CET曲线等轴晶区域内，这样，沉积态组织经热处理后，越容易出现双／三态组织。本实验选择的激光成形工艺参数如表2所示。

对于热处理制度的选择，TC11钛合金一般在相变点以下30~40℃锻造加工可以得到双／三态组织，而激光立体成形与锻造加工得到的初始组织差异较大，且成形件不能进行预变形，因此，只能参照锻造加工的热处理制度，然后进行分析调整。本实验所选热处理制度如表3所示。

2、结果与分析

2.1 沉积态组织形貌特征

图2是TC11钛合金激光立体成形件的显微组织。

从图2a中可以看出，成形件的宏观组织由贯穿多个熔覆层粗大雕状晶和等轴晶组成：由于组织内不同的结晶学取向，宏观组织呈现明暗交替牛长的现象。粗大等轴晶的存在会导致热处理时再结晶形核部位增多，使相组织中等轴a含量增多。图2b是SEM观察到的肺内组织。可看出，原始柱状β-Ti晶内的微观组织是由大量较细小的条状α和残留触成，条状α的宽度约0.2μm，长度在1~8μm之间。这是由于激光熔覆过程冷却速率较快，在冷却过程中晶内α来不及长大，以细小条状α析出，未析出的磁保留下来。

2.2不同热处理制度对组织的影响

图3是9种不同热处理制度下TC11钛合金的金相组织。图4是不同热处理制度下TC11钛合金晶界变化的金相照片。图5为不同热处理制度下TC11钛合金的SEM照片。图3a显示，在相变点(1000℃左右)以下较低的温度(850℃)进行热处理时，原始β组织中开始发生相变生成细条状口和部分等轴α。图3b～3d显示，TC11钛合金沉积态组织在950℃分别进行l～2 h固溶及时效后生成近似双／三态组织(图3b，3c，图5a)。晶内细条状口长大并且网篮化，原始晶粒及晶界α基本破碎(图4a)，在未破碎的晶界上可见少量碟束(图4b)。基于周义等人对该合金进行的近β锻造研究表明，这种组织由于等轴α均匀分布在网篮组织之间，起着变形协调作用，具有良好的高温综合性能。固溶温度进一步提高至970℃，晶内组织呈现典型网篮状特征(图3e，3f)，晶内条状α进一步粗化，等轴a数量减少，主要分布在破碎的晶界周围，晶界α部分破碎发生球化，部分增厚变粗(图 4e)。图39则显示，在970℃经两次固溶空冷再时效后组织更加均匀(图39，图5b)，但在970℃延长固溶时间则会让抗板条显著长大(图3h，图5c)。固溶温度进一步提高至相变点以上，在1030℃保温30 min空冷再经950℃固溶1 h处理后，柱状晶部 分发生再结晶转变成粗大的等轴晶(图6)。晶内组织呈现典型的魏氏组织特征，仅板条沿晶界成集束排列。

由于热处理时冷却速度较快，大量细小的残留君组织被保留下来，均匀分布在初生a边界和a内部；晶界几乎没有发生断裂，较小的口晶粒内部中n板条显著大于较大的口晶粒，晶内没有等轴α(图3i，图5d)，这是因为再结晶后晶内组织发生了重排，凝固残留热应力消失，在两相区固溶处理时，没有足够的驱动力使初生a板条发生异化转变，只能保留下来析出形成魏氏组织。

热处理组织中a集束的尺寸对TC11钛合金高温性能有一定影响。俄岁斯学者研究认为，组织中含有20％~30％等轴仅并且当口晶粒尽可能小，a域尺寸为30～50μm，α片厚度为2.5～3.5μm时l引，TC11钛合金(俄罗斯类似牌号BT-9)的性能才能达到最佳匹配。TC11钛合金沉积态组织在950℃进行热处理时，反集束尺寸在40～150μm之间，大部分尺寸超过50μm， 集束内单个抗板条的厚度在1.5-2.5μm之间(图7a)；在970℃进行热处理时，α集束尺寸大部分在40～60ttm之间，域内α片厚度在2μm以上(图7b)，在970℃经均匀化和双退火处理后(表2中7#热处理)集束内α板条变得短小(图7c)；在1030和950℃进行热处理后，仅板条沿晶界排列形成的集束尺寸在几十至几百微米不等(图7d)。因此可知，在950和970℃固溶处理时，α集束尺寸比较接近俄罗斯学者认为的最佳组织参数。由于在970℃固溶会导致等轴α数量减少，因此，可以在950℃调整热处理时间使较长的晶界进一步破碎，进而调整碟束尺寸，使组织参数达到最佳匹配。

晶界α的变化对合金塑性和断裂韧性有很大影响。晶界α的断裂能提高合金塑性，而晶界α的增厚则会降低塑性。与此同时，晶界α的形成及其增厚可使晶界断裂变为晶内断裂，又可提高高温断裂韧性。

因此，优化热处理工艺，控制品界变化，对LSF TC11钛合金高温性能有重要意义。热处理后a相的粗化和球化机制，国内外已有许多描述该过程的模型，如晶界分裂、片状晶迁移终止、基于Rayleigh微动理论建立起来的各种不稳定性理论，还有N．Stefanssontl3基于Ti-6AI-4V钛合金研究提出的静态球化机制。在本研究中，TC11钛合金晶界周围的等轴a，主要是因

为晶界分裂后造成片状组织分离并逐步球化(图4a)。对于晶内a的球化现象，作者认为与柱状晶内存在一定数量的亚晶有关。与锻造加工预变形产生的应力不同，激光立体成形件中的残余应力是由激光熔池经历快速熔凝变化过程中所产牛的不均匀热应力和相变应力引起的。当激光扫描功率较高时(2500 W)，热应力较大，从而使成形件在激光成形过程中储存了

较多的畸变能。这些相变应力和畸变能，一方面造成位错塞积，在口柱状晶内产生一定数量的亚晶并使部分口柱状晶断裂成粗人等轴晶(图2a)；另一方面，在热处理过程中，相变应力和和畸变能的共同作用造成了粗大口晶和等轴晶界的断裂破碎、球化和亚晶界的球化，从而产生一定数量的等轴反。

3、结论

1)TC11钛合金的激光沉积态组织是由贯穿多个熔覆层粗大柱状晶和等轴晶组成；原始柱状β-Ti晶内组织是由细小α板条和残留口组成。

2)沉积态试样在850～950℃热处理后可以得到由等轴α、条状α和β转变基体组成的近似双／三态组织，晶界α大部分破碎球化消失，部分未破碎的晶界上有α集束形成；沉积态试样在970℃热处理后为网篮组织，等轴反较少，晶内和α集束内口板条较950℃有粗化趋势；沉积态试样在声相区热处理空冷后再经950℃固溶处理的组织是由粗人口板条组成的魏氏组织，大量细小残留口均匀分布在α边界和α内部，晶界α基本没有破碎消失。

3)粗大β晶内等轴α的产生与晶内亚晶有关。

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