鈦合金以其優(yōu)良的力學(xué)性能和耐腐蝕性能廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器、船舶等領(lǐng)域［1-5］。TA15鈦合金作為一種高鋁當(dāng)量的近 α型鈦合金，其成分為 Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，具有良好的熱強(qiáng)性和優(yōu)異焊接性［6］，在飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等均被大量使用。目前，隨著裝備鈦合金構(gòu)件向大型化、輕量化、復(fù)雜化發(fā)展［7］，其對(duì)加工制造技術(shù)提出更高的要求，采用鑄造、鍛造、機(jī)械加工和焊接等傳統(tǒng)工藝方法難以滿足制造需求。電弧增材制造技術(shù)是用電弧作為熱源，以金屬絲材為沉積材料，逐層堆積，直接制造大型金屬部件的技術(shù)，具有成形效率高、材料利用率高、設(shè)備成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，符合高性能大型復(fù)雜構(gòu)件高效低成本制造的要求［8］。
針對(duì)TA15鈦合金增材制造技術(shù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行大量研究，劉祥宇等［9］研究了激光增材制造TA15鈦合金顯微組織及力學(xué)性能各向異性在固溶溫度下的變化規(guī)律，結(jié)果表明，降低固溶溫度，柱狀晶和等軸晶尺寸減小，提高固溶溫度，TA15鈦合金拉伸性能各向異性降低。牟建偉等［10］研究了激光增材連接TA15鈦合金結(jié)合區(qū)的顯微組織與力學(xué)性能，結(jié)果表明，結(jié)合區(qū)顯微組織與母材均為網(wǎng)籃組織，結(jié)合區(qū)的力學(xué)性能可達(dá)母材力學(xué)性能水平。激光增材制造技術(shù)可用于鈦合金裝備的整體制造與修復(fù)。王賀等［11］采用 GTAW 電弧增材制造技術(shù)制備了TA15/TC11梯度結(jié)構(gòu)材料，并對(duì)其顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn) ，GTAW 電弧增材制造TA15和TC11均為網(wǎng)籃組織，從TA15到TC11過(guò)渡，晶粒尺寸逐漸減小，α 板條逐漸變細(xì)。TA15/TC11界面處的結(jié)合強(qiáng)度高于TA15處的縱向強(qiáng)度，其橫向伸長(zhǎng)率高于TA15部分和TC11部分的橫向伸長(zhǎng)率。吳冬冬等［12］采用激光復(fù)合增材制造技術(shù)制備了TA15鈦合金試樣，并對(duì)其顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，試樣的激光選區(qū)熔化區(qū)、熔化沉積區(qū)及界面過(guò)渡區(qū)均為沿沉積方向生長(zhǎng)的 β柱狀晶，不同區(qū)域內(nèi) α相均呈現(xiàn)魏氏組織特征，拉伸試樣均斷裂于熔化沉積區(qū)，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。谷美邦［13］研究了不同熱處理制度對(duì)激光增材制造TA15鈦合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，普通退火態(tài)為 α+β超細(xì)網(wǎng)籃組織，雙重退火態(tài)為初生 α相+超細(xì) β轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成的特種雙態(tài)組織。普通退火態(tài)激光增材制造TA15鈦合金強(qiáng)度和疲勞極限優(yōu)于雙重退火態(tài)，但塑性和斷裂韌性不及雙重退火態(tài)。郭彥梧［14］采用激光選區(qū)熔化技術(shù)，研究了激光能量密度對(duì)TA15鈦合金堆積體顯微組織和力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，SLM 堆積體組織為針狀 α′馬氏體，隨激光能量密度增加，熱循環(huán)峰值溫度變化，造成針狀馬氏體分級(jí)現(xiàn)象；另外，隨著能量密度增加，堆積體試樣抗拉強(qiáng)度逐漸降低，屈服強(qiáng)度逐漸升高，伸長(zhǎng)率逐漸降低。王逸塵［15］通過(guò)電子束增材制造技術(shù)研究了不同工藝參數(shù)對(duì)TA15堆積體的組織和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，隨遠(yuǎn)離基板，β 晶粒逐漸由等軸晶向柱狀晶轉(zhuǎn)變。增大增材速度，柱狀晶逐漸變細(xì)小，甚至部分趨向等軸狀；隨束流密度增大，試樣的抗拉強(qiáng)度增大，強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均達(dá)到鍛件標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于TA15鈦合金，研究主要集中于激光增材制造工藝、熱處理對(duì)堆積體的組織和拉伸性能的影響，對(duì)CMT 電弧增材制造TA15鈦合金的顯微組織特征及顯微組織與拉伸性能間的關(guān)系研究較少，本文作者以CMT 電弧增材制造TA15鈦合金堆積體為研究對(duì)象，研究其顯微組織和力學(xué)性能，為電弧增材制造TA15鈦合金的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供理論與數(shù)據(jù)支持。
1、試驗(yàn)與方法
試驗(yàn)用基板是尺寸為 200 mm×100 mm×6 mm 的TA15鈦合金板材，以直徑 1.2 mm 的TA15鈦合金絲材為沉積材料，其化學(xué)成分如表1所示。
試驗(yàn)用 CMT電弧增材制造系統(tǒng)如圖 1所示。其中機(jī)器人系統(tǒng)為 KUKA 六軸機(jī)器人，電源及送絲系統(tǒng)為福尼斯 CMT 4000 advanced，圖 2 為 CMT 電弧增材制造路徑示意圖。以水平打印方向?yàn)?X 方向，以沿增材高度方向?yàn)?Z方向。增材制造工藝電流為 110 A，電弧電壓為 11.6 V，焊接速度為 0.96 m/min，送絲速度為 4 m/min，焊縫寬度為20 mm，層高為2 mm。
增材試驗(yàn)前，對(duì)鈦合金基板表面進(jìn)行打磨清理并用丙酮擦拭，除去表層油污和氧化層。將鈦合金基板置于變位機(jī)上并用夾具固定，防止增材過(guò)程基板變形。
而后安裝惰性氣體保護(hù)罩，并在增材前以 20 L/min 的速率向保護(hù)罩內(nèi)通入 3 min 氬氣以排盡保護(hù)罩內(nèi)的空氣，隨后將速率調(diào)至 15 L/min進(jìn)行增材試驗(yàn)，避免較快的氣流對(duì)電弧穩(wěn)定性造成影響。
增材完成后，用 XYD-225 型 X 射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)電弧增材制造TA15堆積體進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，用線切割從堆積體中制備水平打印方向與增材高度方向的拉伸試樣及金相試樣。金相試樣經(jīng)粗磨、精磨后拋光，使用腐蝕劑（3 mLHF、30 mLHNO3、67 mLH2O2）腐蝕，然后用酒精清洗并吹干。用光學(xué)顯微鏡（OM）和FEI Quanta250F 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行顯微組織分析；用射線衍射儀（XRD）進(jìn)行試樣物相分析；用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，用掃描電子顯微鏡進(jìn)行斷口分析。
2、結(jié)果與討論
2.1 宏觀形貌
圖 3 為 CMT 技術(shù)制造的TA15鈦合金堆積體。尺寸為 130 mm×120 mm×26 mm。圖 4 為TA15鈦合金堆積體無(wú)損檢測(cè)結(jié)果。圖 4堆積體頂部和中部黑色陰影為像質(zhì)計(jì)留下的影像，可以發(fā)現(xiàn)，堆積體表面無(wú)明顯氣孔，內(nèi)部無(wú)氣孔、未熔合等缺陷，成形良好。
圖 5 為金相試樣取樣示意圖。可以看出，CMT 電弧增材制造TA15鈦合金為粗大的柱狀晶組織。在增材凝固過(guò)程中，金屬絲材在電弧作用下熔化形成熔池，在電弧運(yùn)動(dòng)離開后，熔池金屬冷卻凝固形成新的材料沉積，在電弧增材制造過(guò)程中，熔池中絕大部分熱量以熱傳導(dǎo)的方式通過(guò)基板沿垂直向下的方式散失。溫度梯度與沉積方向相反，晶體將逆溫度梯度生長(zhǎng)，形成貫穿多個(gè)沉積層的β柱狀晶。
2.2 物相分析
TA15堆積體的 XRD 圖如圖 6所示。可以發(fā)現(xiàn)，電弧增材制造TA15鈦合金堆積體中只檢測(cè)到了密排六方（HCP）相的衍射峰，未發(fā)現(xiàn)明顯 β 相衍射峰，表明電弧增材制造TA15鈦合金堆積體主要為α相。
2.3 顯微組織
圖 7、8 分別為電弧增材制造TA15鈦合金的光學(xué)顯微鏡（OM）和掃描電鏡圖。
可以看出，電弧增材制造TA15鈦合金組織主要由針狀 α-Ti 相互交錯(cuò)形成的網(wǎng)籃組織及少量沿 β 晶界的邊界析出的取向一致、大長(zhǎng)寬比的 α-Ti聚集而成的片層組織構(gòu)成。用 Image J 圖像分析軟件對(duì)合金各相進(jìn)行體積分?jǐn)?shù)測(cè)定，測(cè)得 α 相體積分?jǐn)?shù)約為 72.47%。
在增材過(guò)程中，熔池末端隨焊槍向前運(yùn)動(dòng)而開始凝固，當(dāng)熔池金屬的溫度降到 β 相變點(diǎn)以下時(shí)，初生 α 相率先在晶界處形核且向晶界內(nèi)長(zhǎng)大，沿晶界 α 相長(zhǎng)大為相互平行的 α片層，該組織具有較大的長(zhǎng)寬比，而較快的冷卻速度使得晶內(nèi)不同位向的 α 形核率較高，α束集尺寸較小，α 片層變短且相互交錯(cuò)，形成網(wǎng)籃組織。
2.4 力學(xué)性能分析
圖 9 為 CMT 電弧增材制造TA15鈦合金試樣的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。沿水平打印方向（X 方向）的室溫抗拉強(qiáng)度為 976 MPa，屈服強(qiáng)度為 881 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為 7%。沿增材高度方向（Z 方向）的室溫抗拉強(qiáng)度為 964 MPa，屈服強(qiáng)度為 868 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為12.5%。堆積體在 X 與 Z 方向的抗拉強(qiáng)度相差小，而 Z方向的斷后伸長(zhǎng)率則優(yōu)于 X方向。兩個(gè)方向的斷后伸長(zhǎng)率的差異可能與外延生長(zhǎng)的粗大柱狀晶和晶界處連續(xù)的 α 相有關(guān)，水平打印方向（X 方向）的拉伸試樣在變形過(guò)程中，晶界 α相幾乎與拉伸方向垂直，裂紋更易在晶界處形成，并沿晶界擴(kuò)展，導(dǎo)致其斷后伸長(zhǎng)率低于增材高度方向（Z方向）［16］。
圖 10 為電弧增材制造TA15鈦合金水平打印方向和增材高度方向的拉伸斷口形貌。可以看到，沿增材高度方向（Z 方向）拉伸試樣的韌窩數(shù)量多且深度大，而水平打印方向（X 方向）拉伸試樣的斷口形貌中韌窩較淺，表明在拉伸載荷下電弧增材制造TA15鈦合金沿增材高度方向（Z方向）具有更好的塑性變形能力。
3、結(jié) 論
1）采用 CMT電弧增材制造技術(shù)制備的TA15鈦合金堆積體表面無(wú)明顯氣孔，內(nèi)部無(wú)氣孔、未熔合等缺陷，成形良好。堆積體試樣宏觀組織為外延生長(zhǎng)的粗大原始β柱狀晶。
2）電弧增材制造TA15鈦合金堆積體主要為 α相，其體積分?jǐn)?shù)約為 72.47%，組織主要由針狀 α-Ti 相互交錯(cuò)形成的網(wǎng)籃組織及少量沿 β晶界的邊界析出的取向一致、大長(zhǎng)寬比的 α-Ti 聚集而成的片層組織構(gòu)成。
3）CMT 電弧增材制造TA15鈦合金堆積體 X 方向與 Z 方向的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度相差小，而 Z 方向的斷后伸長(zhǎng)率則優(yōu)于X方向。
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