TC4钛合金组成为Ti-6Al-4V，，，属于（α+β）型钛合金，，，由于拥有密度低、、、比强度高、、、良好的耐侵蚀机能和较好的焊接机能等而被宽泛利用于航空航天、、、石油化工、、、生物医学等领域，，，其使用量已经达到世界钛消费品的50%以上。。传统钛合金的制作技术由于存在必要大型锻压设备、、、资料利用率低和难易制作复杂状态结构件等问题而在肯定水平上限度了诸如TC4钛合金等的利用。。3D打。。ㄔ霾闹谱鳎┘本绯尚渭际酰，，以数字模型文件为基。。，，使用粉末状金属或塑料等可粘合伙料，，，通过逐层打印的方式来实现实体零部件的制备，，，拥有急剧性、、、低成本、、、高柔性和高集成化等个性而被关注。。国内外在送粉式3D打印钛合金的钻研多集中在组织节制和成形机能上，，，通过后续的热处置能够获得机能优良的成形件，，，但是绝大无数选取的是CO₂激光或者旁轴送粉，，，而选取光纤激光+同轴送粉方式的钻研较少[1-2]。。因而，，，本文选取同轴送粉的沉积方式钻研了成形工艺和热处置工艺对3D打印TC4钛合金组织与机能的影响，，，为高机能TC4钛合金的制备提供了新的蹊径，，，并有助于3D打印钛合金工艺的优化与机能提升。。

1、、、试验资料与步骤

试验基材为尺寸160mm×50mm×5mm的热轧TC4钛合金板材，，，使用前必要进行理论去氧化膜（化学洗濯法）、、、丙酮洗濯和烘干等步骤。。3D打印所用TC4粉末为选取等离子旋转电极法制备的粒度为-140～+320目球形粉末，，，化学成分（质量分数，，，%）为：6.1Al、、、4.1V、、、0.14Fe、、、0.02C、、、0.02N、、、0.003H，，，余量为Ti。。3D打印的重要设备蕴含德国YSL-10000型光纤激光器、、、德国KUKA公司的六轴机械人、、、德国YC52同轴熔覆头、、、PT2/3型双桶送粉器以及气体；；；ぷ爸茫财┑。。选取同轴送粉式3D打印所选取的同轴熔覆头焦距为200mm、、、聚焦光斑直径设定为准0.25mm、、、熔覆头喷涂与基材之间的距离节制在11mm，，，在制备过程中的；；；て毯岜；；；て6L/min、、、载粉气4.5L/min以及束流气12L/min。。为了对比分歧3D打印工艺参数对TC4钛合金成形机能的影响，，，重要通过节制激光功率（300～800W）、、、扫描速度（0.12～0.60m/min）、、、送粉速度（0.8～7.6g/min）和扫描方向（单向和往返）来制备沉积态TC4钛合金。。选取石英管真空密闭步骤对3D打印TC4钛合金成形件进行固溶和时效热处置，，，固溶处置温度在900～1000℃，，，保温功夫为1h，，，时效处置温度为540℃，，，保温功夫为4h，，，都选取空冷（AC）；；；另一种对比热处置工艺为950℃保温1h后随炉冷却（FC）。。对TC4钛合金成形件的横截面和纵截面进行打磨、、、机械抛光，，，而后选取体积比HF∶HNO₃∶H₂O=1∶2∶5的侵蚀剂进行侵蚀后，，，在SMZ1500体视显微镜上进行低倍组织观察。。高倍组织观察选取体积比为HF∶HNO₃∶H₂O=3∶10∶87的混合试剂侵蚀后，，，在OlymplusGX51光学显微镜上观察；；；选取捷克TESCANVEGAⅡ型扫描电子显微镜对组织和断口描摹进行观察；；；选取美国MTS-810液压伺服电子全能拉伸试验机对TC4钛合金试样进行常温拉伸力学机能测试，，，拉伸速度为1.5mm/min，，，以3组试样均匀值作为测试了局。。

2、、、试验了局及会商

2.1激光功率

图1为单向扫描方式和扫描速度为0.36m/min前提下分歧激光功率下TC4钛合金的低倍宏观描摹。？Ｄ芄豢吹剑，，激光功率为300W、、、500W和800W时的宏观组织都为定向外延成长的粗壮β柱状晶状态，，，但是分歧激光功率下柱状晶的尺寸存在显著差距。。当激光功率为300W时，，，TC4钛合金中β柱状晶的晶粒尺寸约为320μm；；；随着激光功率增长至500W和800W，，，TC4钛合金中β柱状晶的晶粒尺寸别离为538μm和866μm。。由此可见，，，在扫描方向和扫描速度不变前提下，，，β柱状晶的晶粒尺寸会随着激光功率的增长而增大。。这重要是由于随着激光功率的增长，，，沉积件熔池中的温度梯度会有所降低，，，在扫描速度不变情况下，，，合金中的晶粒尺寸会有所增大[3]。。

图2为分歧激光功率下TC4钛合金的常温拉伸力学机能测试了局。。随着激光功率的增长，，，TC4钛合金的抗拉强度和屈服强度都阐发为先升高而后降低的趋向，，，在激光功率为500W时获得最大值；；；而断后伸长率随着激光功率的增长而出现逐步降低的趋向，，，在激光功率为800W时，，，TC4钛合金的断后伸长率为4.80%。。从3种激光功率下TC4钛合金 的力学机能上来看，，，3D打印钛合金的抗拉强度和屈服强度都超过了国标GB/T6614-2014和国标GB/T2965-1996中对铸件和锻件退火态的要求（抗拉强度≥895MPa，，，屈服强度≥825MPa），，，但是断后伸长率未超过铸件（6%）和锻件退火态（10%）的尺度[4]。。

2.2扫描速度

图3为单向扫描方式和激光功率为500W前提下分歧激光扫描速度下TC4钛合金的低倍宏观描摹。？Ｄ芄豢吹剑，，当扫描速度在0.36～0.60m/min时，，，TC4钛合金的晶粒状态都为柱状晶，，，而扫描速度为0.24m/min时的晶粒状态为柱状晶和等轴晶。。

从扫描速度对柱状晶状态的影响上来看，，，当激光扫描速度从0.24m/min增长至0.60m/min时，，，柱状晶的宽度出现逐步减小的趋向，，，而柱状晶高度逐步增长。。这重要是由于扫描速度的升高会增长熔池中的温度梯度，，，熔池冷却过程中的过冷度增长，，，柱状晶宽度会减小。。若是扫描速度较低（0.24m/min），，，熔池中的温度梯度减。。，，使得固液界面和熔池内部的形核前提靠近一致就会形成等轴晶。。此外，，，还能够发现，，，随着扫描速度的增长，，，柱状晶与扫描方向的夹角逐步增大，，，在扫描速度为0.60m/min时柱状晶与扫描方向险些垂直。。这重要是由于扫描速度较大时，，，成形过程中基体上形成的温度场领域变。。，，晶；；；岽怪庇谌鄢刂行南叱沙ぃ，，而形成了近似于与扫描方向呈90°的柱状晶[5]。。

图4为分歧扫描速度下TC4钛合金的常温拉伸力学机能测试了局。。随着扫描速度的增长，，，TC4钛合金的抗拉强度和屈服强度都阐发为逐步降低的趋向，，，而断后伸长率逐步升高。。在扫描速度为0.24m/min时TC4钛合金的抗拉强度和屈服强度别离为1360MPa和1282MPa，，，而断后伸长率为4.25%；；；在扫描速度为0.60m/min时TC4钛合金的抗拉强 度和屈服强度别离为1106MPa和1008MPa，，，而断后伸长率为7.15%。。由此可见，，，单相扫描、、、激光功率500W、、、扫描速度0.12～0.60m/min时TC4钛合金沉积件的抗拉强度和屈服强度都超过了铸件和锻件退火态的要求，，，但是断后伸长率的变动领域与分歧激光功率下的沉积件类似，，，且都未超过铸件和锻件退火态的尺度。。

2.3扫描方向

图5为激光功率为500W、、、扫描速度0.36m/min时单向扫描和往返扫描方式下TC4钛合金的低倍宏观描摹。。对比分析可见，，，在其它工艺参数肯定前提下，，，单向扫描时TC4钛合金的柱状晶出现定向外延成长趋向，，，而往返扫描时TC4钛合金的柱状晶由定向成长转变为双相成长，，，且沉积层间还出现了肯定数量的等轴晶，，，同时可见往返扫描前提下TC4钛合 金沉积件的高度更高。。这重要是由于往返扫描前提下会产生较多的热堆集，，，熔池面积更大从而能够吸收更多的粉末，，，而单向扫描前提下的热堆集较少[6]，，，沉积件的高度相对较低；；；此外，，，在热堆集过程中，，，往返扫描时熔池中的温度梯度会有肯定水平降低，，，为等轴晶的形成创制了前提，，，且由于沉积层上部门的等轴晶在沉积下一层时不能齐全重熔，，，因而，，，宏观描摹中会出现柱状晶和等轴晶交替的状态[7]。。

图6为单向和往返扫描前提下TC4钛合金的常温拉伸力学机能测试了局。。在其它工艺参数肯定前提下，，，激光扫描方向从单向转变为往返扫描，，，TC4钛合金的抗拉强度和屈服强度都有所提高，，，但是断后伸长率却降落较为显著。。在往返扫描方式下TC4钛合金的抗拉强度和屈服强度别离为1322MPa和1250MPa，，，而断后伸长率为2.32%。。这可能是由于往返扫描时定向外延成长的柱状晶状态产生粉碎，，，形成了柱状晶与等轴晶交替的状态，，，在拉伸过程中会有更多的晶界故障，，，而使得往返扫描沉积件拥有高强低韧的特点[8]。。

2.4固溶与时效热处置

对沉积态和分歧固溶时效热处置工艺下的3D打印TC4钛合金的常温力学机能进行测试，，，了局见表1。。沉积态TC4合金进行910～990℃固溶+540℃时效热处置后空冷得到的试样的抗拉强度和屈强强度有所降低，，，但是断后伸长率却显著提高；；；尤其是热处置工艺为950℃/AC/1h+540℃/AC/4h时试样的抗拉强度和屈服强度别离达到1206MPa和1122MPa，，，而断后伸长率达到13.42%，，，其强度和塑性都超过了国标对TC4钛合金铸件和锻件退火态的要求。。相比950℃/FC/1h的热处置，，，试样的强度略有提高，，，但是断后伸长率却大幅度降低至2.42%，，，显著低于沉积态试样。。由此可见，，，通过固溶和时效热处置能够有效改善沉积态TC4钛合金的强度和塑性，，，热处置后的冷却速度对钛合金的强度和塑性影响较大，，，在现实利用过程中应该加以节制。。

图7为沉积态、、、950℃/AC/1h+540℃/AC/4h和950℃/FC/1h热处置态TC4钛合金的金相组织。。对于沉积态TC4钛合金，，，金相组织为马氏体α'针为主的魏氏组织；；；经过950℃/AC/1h+540℃/AC/4h热处置后，，，金相组织转变为网篮组织；；；950℃/FC/1h热处置后金相组织转变为双态组织，，，合金中部门α相产生球化，，，而另一部门依然拥有网篮组织特点。。其中，，，魏氏组织的塑性和冲击韧性较差，，，网篮组织的强度、、、塑性以及高温蠕变机能较好，，，而双态组织的强度较高、、、塑性较差[8]。。对比分析炉冷和空冷方式下TC4钛合金网篮组织的扫描电镜显微描摹，，，了局见图8。。

在空冷制度下，，，TC4钛合金将产生半扩散型相变，，，合金在固溶处置后得到杆状的初生α相，，，随后经过期效处置后，，，初生α相之间的β相会以藐小次生α相大局出现（图8（a））；；；炉冷制度下，，，TC4钛合金将产生扩散型相变，，，固溶处置后会由于成分偏析而形成双态组织，，，合金中初生α相之间的β相由于没有后续的时效热处置而并没有析出次生α相（图8（b））；；；同时对比分析可见，，，炉冷制度下晶界α相和晶内α相都要相对空冷制度下更粗壮，，，受外力作用下的裂纹更容易在炉冷前提下的晶界处萌生和扩大，，，造成合金的塑性降低。。

3、、、结论

（1）在扫描方向和扫描速度不变前提下，，，β柱状晶的晶粒尺寸会随着激光功率的增长而增大。。随着激光功率的增长，，，TC4钛合金的抗拉强度和屈服强度都阐发为先升高而后降低的趋向；；；在激光功率为500W时获得最大值；；；而断后伸长率随着激光功率的增长而出现逐步降低的趋向。。

（2）当扫描速度在0.36～0.60m/min时，，，TC4钛合金的晶粒状态都为柱状晶。。而扫描速度为0.12m/min时的晶粒状态为柱状晶和等轴晶；；；当激光功率从0.12m/min增长至0.60m/min时，，，柱状晶的宽度出现逐步减小的趋向，，，而柱状晶高度逐步增长；；；随着扫描速度的增长，，，TC4钛合金板的抗拉强度和屈服强度都阐发为逐步降低的趋向，，，而断后伸长率逐步升高。。

（3）在其它工艺参数肯定前提下，，，单向扫描时TC4钛合金的柱状晶出现定向外延成长趋向。。而往返扫描时TC4钛合金的柱状晶由定向成长转变为双相成长，，，且沉积层间还出现了肯定数量的等轴晶；；；激光扫描方向从单向转变为往返扫描，，，TC4钛合金的抗拉强度和屈服强度都有所提高，，，但是断后伸长率却降落较为显著。。

（4）固溶+时效热处置能够有效改善沉积态TC4钛合金的强度和塑性，，，其强度和塑性都超过了国标对TC4钛合金铸件和锻件退火态的要求。。

参考文件:

[1]Dutta B，，， Froes F H．Additive manufacturing of titanium alloys [J]．Advanced Materials& Processes，，，2014，，，172(2)：18-23．

[2]Nassar A R，，， Keist J S，，， Reutzel E W．Intra-layer closed-loop control of build plan during directed energy additive manufacturing of Ti-6Al-4V [J]．Additive Manufacturing，，，2015(6)：39-52．

[3]Lin X，，， Yue T M，，， Yang H O．Solidification behavior and the evolution of phase in laser rapid rorming of graded Ti6Al4V-Rene88DT alloy [J]．Metallurgical and Materials Transactions A，，，2007，，，38(1)：127-137． 

[4]Heigel J C，，， Michaleris P，，， Reutzel E W．Thermo-mechanical model development and validation of directed energy deposition additive manufacturing of Ti-6Al-4V [J]．Additive Manufacturing，，，2014(5)：9-19．

[5]Carroll B E，，， Palmer T A，，， Beese A M．Anisotropic tensile behavior of Ti-6Al-4V components fabricated with directed energy deposition additive manufacturing [J]．Acta Materialia，，，2015，，，87：309-320．

[6]Gong H，，， Rafi K，，， Gu H．Influence of defects on mechanical properties of Ti-6Al-4V components produced by selective laser melting and electron beam melting [J]．Materials & Design，，，2015，，，86：545-554．

[7]Tsai C J，，， Wang L M．Improved mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy by electron beam welding process plus annealing treatments and  its microstructural evolution [J].Materials & Design，，，2014，，，60：587-598．

[8]Zhao X，，， Li S，，， Zhang M．Comparison of the microstructures and mechanical properties of Ti-6Al-4V fabricated by selective laser melting and electron beam melting [J]．Materials & Design，，，2016，，，95：21-31．

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