引言
點式鍛壓激光成型工藝具有成型過程靈活、適用范圍廣、生產成本低等方面的特點，能夠有效克服鈦合金在傳統成型工藝下普遍存在的柱狀晶粗大、力學性能不足等問題。苗廣輝等[1]通過點式鍛壓激光制備了TC4鈦合金葉片試件，發現該技術可大幅降低鈦合金葉片的磨損體積，顯著提升了葉片的耐腐蝕性能和耐磨損性能;席明哲等2預先對TC17鈦合金進行770℃/4h退火處理，顯著提升了鈦合金在點式鍛壓激光成型后的拉伸強度;呂超等[3]通過連續點式鍛壓激光工藝對TC11鈦合金厚壁零件實施成型加工處理，發現成型后的TC11鈦合金內部組織為等軸晶組織，等軸晶尺寸均勻，可避免出現常規成型工藝下常見的晶間斷裂問題，提高鈦合金材料塑性。在現有成果的啟發下，本文研究通過點式鍛壓激光成型工藝對TC4和TC11兩種鈦合金實施成型加工處理，顯著提升了TC4/TC11合金材料的力學性能。
1、鈦合金的點式鍛壓激光成型方法
1.1 TC4/TC11鈦合金的成型與熱處理簡介
本文研究的TC4/TC11鈦合金目標厚度為20mm，分別采用以下方法進行。
1.1.1激光成型
針對TC4實施激光沉積處理，待沉積厚度達到10mm后，將材料改為TC11再沉積10mm。
1.1.2點式鍛壓成型
針對TC4實施激光沉積處理，待沉積厚度達到7mm后，將整個體系轉移至點式鍛壓工作臺，用同樣的材料繼續沉積至10mm。在此基礎上，將材料更換為TC11并繼續點式鍛壓沉積至13mm，最后采用激光沉積工藝將整個體系沉積至20mm4-6。
1.1.3復合成型
針對TC4實施激光沉積處理，待沉積厚度達到5mm后，將整個體系轉移至點式鍛壓工作臺，用同樣的材料繼續沉積至10mm。在此基礎上，將材料更換為TC11，采用同樣的方法將整個體系沉積至20mm[7-9]。
1.1.4固溶處理
為改善材料塑性，通過電阻熱處理爐對TC4和TC11鈦合金粉末實施溶固熱處理，所采用的固溶處理制度分別為930℃/2h、950℃/2h、970℃/2h。
1.2材料與設備
1.2.1所需材料
所需材料包括TC4鈦合金粉、TC11鈦合金粉、鈦合金基板，各項材料均購自上海中鎳實業有限公司，化學成分如表1~3所示。
1.2.2所需設備
所需設備包括FG450型光纖激光器組(深圳市非凡光電)，SX2-9-16A型電阻熱處理爐(上海捷呈)，WLS-CNC型光學顯微鏡(東莞微鈮斯)，ZC1139型掃描電子顯微鏡(上海茁彩)、UTM-0402萬能拉伸機(承德金建)。
表1 TC4鈦合金化學成分(質量分數,%)
| 0 | H | N | C | Fe | Cr |
| 0.8~0.13 | ≤0.0125 | ≤0.05 | ≤0.05 | ≤0.30 | 3.5~4.5 |
| Mo | Zr | Sn | Al | 其他 | Ti |
| 3.5~4.5 | 1.6~2.4 | 1.6~2.4 | 4.5~5.5 | 0.30 | 余量 |
表2 TC11鈦合金化學成分(質量分數，%)
| O | H | N | C | Fe | V | Al | 其他 | Ti |
| ≤0.20 | ≤0.012 | ≤0.05 | ≤0.10 | ≤0.30 | 3.5~4.5 | 5.6~6.8 | 0.4 | 余量 |
表3鈦合金基板化學成分(質量分數，%)
| H | N | C | Si | Fe | V | AL | O | 其他 | Ti |
| 0.01 | 0.05 | 0.1 | 0.12 | 0.3 | 3.5~4.5 | 6.5~6.8 | 0.2 | 0.5 | 余量 |
1.3檢測和測試方法
1.3.1微觀檢測
通過光學微觀鏡觀察鈦合金材料的微觀形貌;通過掃描電子顯微鏡對鈦合金材料進行斷口形貌分析。
1.3.2拉伸性能測試
通過萬能拉伸機對鈦合金材料進行拉伸性能測試，設定拉伸速率為1mm/min，拉伸試樣尺寸如圖1所示。
2、TC4/TC11鈦合金測試結果
2.1 4TC4/TC11鈦合金拉伸性能測試結果
TC4/TC11鈦合金的拉伸性能測試結果如圖2所示。根據圖2可知，點式鍛壓工藝能夠顯著提升TC4/TC11鈦合金的抗拉強度和屈服強度，點式鍛壓成型鈦合金相較于激光成型鍛件的抗拉強度增加了105.2%，屈服強度增加了116.4%，延伸率則有所降低。出現該現象的原因在于，TC4/TC11鈦合金在點式鍛壓工藝下存在內部殘余應力，后續的激光沉積無法充分釋放材料內部的殘余應力，致使成型件出現加工硬化[10-11]。除此之外，激光成型工藝在快速冷卻的過程中釋放大量熱應力，致使合金內部出現較多片層狀的a相微觀組織，降低了TC4/TC11鈦合金的延伸率[12-13]。為提高該材料的延伸率，使其在工業加工過程中體現出更加理想的塑性，研究思路為對TC4和TC11鈦合金粉末實施固溶處理。
2.2固溶處理對鈦合金微觀組織的影響
以TC11鈦合金為例，該材料在經過固溶處理后的表面微觀形貌如圖3所示。根據圖3(b)可知，在固溶溫度由930℃增加至950℃的過程中，合金材料的a相體現出了更加明顯的球化特征,a相寬度也隨之提升;根據圖3(c)可知,在固溶溫度達到970℃的情況下，合金材料內部晶粒主要表現為棒狀α相、針狀α相和等軸α相，晶界球化作用顯著且較為細小。
2.3固溶處理對TC4/TC11鈦合金拉伸性能的影響
經過固溶處理的TC4/TC11鈦合金拉伸性能測試結果如表4所示。鈦合金的塑性與強度主要與其內部所含有的α相有關，α相的寬度與材料強度成反比，與塑性成正比[14?15]。根據表4可知，在固溶溫度逐漸增加的過程中，激光成型的鈦合金強度呈先降后升的趨勢，延伸率走勢則相反。出現該現象的原因在于，鈦合金內部的a相含量隨固溶溫度的提升而增加，β相含量相對減少，在增加合金材料強度的同時也降低了延伸率[16-17]。而在固溶溫度達到970℃的情況下，a相的長寬比隨之下降，出現等軸狀和棒狀a相，合金材料延伸率得到提升，塑性得到改善。
在點式鍛壓成型工藝方面，TC4/TC11鈦合金強度在固溶溫度增加過程中呈現出先降后升的趨勢。當固溶溫度為930℃時，合金材料內部的a相較為狹長，在固溶溫度提升至950℃后，合金材料內部因點式鍛壓所造成的形變得到恢復，a相呈板條狀且相對含量增加，致使材料的強度隨之下降[18-19]。在固溶溫度達到970℃的情況下，材料內部的a相重新恢復到均勻且狹長的狀態，晶界處出現等軸a相，使得合金材料的強度得到顯著提升。
表4不同固溶溫度下鈦合金的拉伸性能測試結果
| 固溶處理制度 | 成型工藝 | 延伸率 /MPa | 拉拉 強度 /MPa | 屈服 強度 /% |
| 970℃/2h | 點式鍛壓成型 | 13.5 | 1178 | 1080 |
| 復合成型 | 15.2 | 1061 | 897 |
| 激光成型 | 12.8 | 1052 | 883 |
| 950℃/2h | 點式鍛壓成型 | 14.8 | 1023 | 973 |
| 復合成型 | 12.6 | 1073 | 935 |
| 激光成型 | 11.9 | 1011 | 857 |
| 930℃/2h | 點式鍛壓成型 | 12.2 | 1101 | 1012 |
| 復合成型 | 8.3 | 1182 | 1098 |
| 激光成型 | 10.9 | 1035 | 869 |
2.4固溶處理對 TC4/TC11鈦合金斷口形貌的影響
經過固溶處理的TC4/TC11鈦合金微觀斷口形貌如圖4~6所示。根據圖4可知，經過930℃固溶處理后的TC4/TC11鈦合金斷口宏觀形貌較為平滑，微觀表面分布有較淺的韌窩，且材料內部存在沿晶斷裂，塑性不足。
根據圖5可知，經過950℃固溶處理后的TC4/TC11鈦合金斷口宏觀表面存在較大起伏，并分布有些許小切面。微觀表面分布有深度較大的韌窩，材料內部呈現出塑性斷裂特征。
根據圖6可知，經過970℃固溶處理后的TC4/TC11鈦合金宏觀斷面存在較為明顯的起伏，且起伏幅度和頻率較低。微觀表面沒有明顯的解理平臺，韌窩均勻且深度更大，材料內部呈現出韌性斷裂特征，塑性得到了顯著改善。
3、結束語
本文介紹了點式鍛壓激光工藝在鈦合金加工成型處理中的應用方法，采用TC4和TC11兩種鈦合金粉末制備出了TC4/TC11鈦合金。經拉伸后發現，點式鍛壓激光成型工藝雖然能夠提升TC4/TC11鈦合金的拉伸性能，但塑性有所下降。因此，研究對TC4和TC11兩種鈦合金粉末實施固溶處理。經微觀形貌觀察后發現，隨著固溶溫度的提升，合金材料內部的α相形態得到顯著改善，且斷面韌窩深度隨之提升。當固溶溫度達到970℃時，合金材料內部呈現出韌性斷裂特征，有效改善了材料塑性。綜上所述，采用高溫固溶和點式鍛壓激光成型兩種工藝制備TC4/TC11鈦合金，能夠在維持合金材料良好塑性的基礎上有效提升其拉伸性能。
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（注，原文標題：TC4/TC11鈦合金成型工藝比較及性能分析）
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