激光快速成形TC17钛合金热处理工艺研究1218.docx
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激光快速成形TC17钛合金热处理工艺研究1218
中图分类号：
TG146.2+3
论文编号：
10006SY1101104
硕士学位论文
激光快速成形TC17钛合金
热处理工艺研究
作者姓名陈博
学科专业材料加工工程
指导教师王华明教授
培养院系材料科学与工程学院
Researchonheattreatmentprocessof
laserrapidformedTi-17titaniumalloy
ADissertationSubmittedfortheDegreeofMaster
Candidate：
ChenBo
Supervisor：
Prof.WangHuaming
SchoolofMaterialsScience&Engineering
BeihangUniversity,Beijing,China
中图分类号：
TG146.2+3
论文编号：
10006SY1101104
硕士学位论文
激光快速成形TC17钛合金
热处理工艺研究
作者姓名陈博申请学位级别工学硕士
指导教师姓名王华明职称教授
学科专业材料加工工程研究方向激光材料制备与成形
学习时间自2011年9月1日起至2014年1月30日止
论文提交日期2013年12月20日论文答辩日期2013年12月17日
学位授予单位北京航空航天大学学位授予日期年月日
关于学位论文的独创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。
尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得北京航空航天大学或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。
若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。
学位论文作者签名：
日期：
年月日
学位论文使用授权书
本人完全同意北京航空航天大学有权使用本学位论文（包括但不限于其印刷版和电子版），使用方式包括但不限于：
保留学位论文，按规定向国家有关部门（机构）送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。
保密学位论文在解密后的使用授权同上。
学位论文作者签名：
日期：
年月日
指导教师签名：
日期：
年月日
摘要
TC17钛合金的名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr，是一种富β稳定元素的两相钛合金，具有较高的强度、淬透性、疲劳性能、断裂韧性以及热稳定性，综合性能良好，常用作发动机风扇、压气机盘件等关键零件。
然而由于钛合金变形抗力大、切削加工工艺性能差，采用传统锻造+机械加工方法制造大型复杂钛合金构件周期长、成本高、制造难度大。
激光快速成形技术是一种以金属粉末为原材料，通过高能激光束对金属原材料的逐层熔化堆积，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的“近终成形”制造技术，具有成本低、加工周期短和材料利用率高等优点，在航空航天等工业中具有广泛的应用前景。
激光快速成形TC17钛合金具有与锻件TC17钛合金不同的显微组织，锻件TC17常用的热处理制度不能直接适用于激光成形TC17钛合金，作为改善其组织性能的重要手段之一，其热处理工艺需要进行深入探索。
本文利用激光快速成形技术制备成形TC17钛合金板状试验料，分析激光沉积态TC17的显微组织特征及其形成机理，重点研究预处理退火、固溶以及时效处理中温度及冷却速度对显微组织及力学性能的影响，并分析其断裂机理，结果表明：
（1）激光快速成形TC17钛合金具有独特的组织特征，本实验中将试样板顶部5mm厚的耐蚀性较差的若干沉积层定义为“非稳态区”，其显微组织为细小针状的亚稳定组织，其余部分沉积层定义为“稳态区”，显微组织为细小的网篮组织；将仅存在于“稳态区”、由于熔池对已沉积层的循环热影响而形成的约500μm宽的条带特征定义为“热影响条带”，将存在于“非稳态区”及“稳态区”中、由于熔池对固液界面处基体的强烈作用而形成的约50μm宽的条带特征定义为“层间条带”，层间条带可反映熔池的形貌；在相邻熔池搭接（重叠）部位常形成柱状晶形貌，在熔池的中心部位常形成等轴晶形貌。
（2）激光快速成形TC17沉积态试样具有高强度低塑性的特性，拉伸断口在柱状晶区域表现为穿晶断裂而在等轴晶区域表现为沿晶断裂，沿晶断裂可能是由于晶界处连续的晶界α相导致。
两相区预处理退火+固溶时效处理可显著调节激光快速成形TC17钛合金的显微组织。
预处理温度升高、冷却速度增大可减小初生α相的长径比，固溶温度升高、固溶冷却速度增大可降低初生α相的体积分数，而升高时效温度可增大次生α相的片层厚度。
增加初生α相长径比、次生α相体积分数可使材料强度上升而塑性下降、增大次生α相片层厚度可使塑性上升而强度降低。
然而两相区预处理退火+固溶时效处理无法消除粗大连续的晶界α相，断裂模式没有明显改变。
（3）通过单相区预处理使晶界α相与晶内α相在固溶阶段同时形核长大，从而避免形成连续的晶界α相且使其两侧初生α相与次生α相分布均匀，在一定程度上减小沿晶断裂倾向，将激光快速成形TC17钛合金的沿晶断裂转变为穿晶断裂。
关键词：
激光快速成形；TC17钛合金；热处理工艺；显微组织特征；力学性能
Abstract
TC17titaniumalloy（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr）wasdesignedtomeettheneedofcompressordisksofadvancedaircraftengine,foritsexcellentstrength,hardenability,fatigueresistance,fracturetoughnessandthermalstability.However,manufacturingtitaniumalloybytraditionalprocessingmethods,suchasforgingfollowedbymachining,wascostlyanddifficultly.Anadvancedmanufacturingtechnologynamedoflaserrapidformingtechnologycouldovercomethoseshortcomings.Laserrapidformingprocessisasolidfreeformfabricationtechnologybasedonlayer-by-layermaterialsmeltinganddepositingtofabricatefullydensenear-net-shapemetalliccomponentswithfinemicrostructure,excellenceofcomprehensivemechanicalpropertiesandlowcostoffabricating.
LaserrapidformingTC17titaniumalloywasdifferfromforgingTC17alloy,thereforetraditionheattreatmentofforgingTC17alloywasnotsuitableforlaserformingTC17alloy.HeattreatmentforlaserformingTC17alloy,asoneofthemostimportantmethodstoimprovethemicrostructureandmechanicalbehavior,deservetobeexplored.Inthisproject,TC17titaniumalloyweremanufacturedbylaserrapidformingtechnology.Microstructureandmechanicalbehaviorofas-depositedandheat-treatedalloywereinvestigated.Theinfluencesofheat-treatmentonmicrostructureandmechanicalbehavior,aswellasfracturemechanism,weredetailedlydiscussed.Theresultrevealedthat:
LaserrapidformingTC17titaniumalloyhasuniquemicrostructurecharacteristicforthespecialfabricatingprocess,layer-likefeaturecouldbeobtainedinmacrostructure,andseverallayers,definedas“unstablezone”withabout5mmthick,wasplacedattopofthesampleandotherlayerswasdefinedas“stablezone”.Abandfeaturenamed“layerband”couldbeobtainedthroughthewholesamplewhilethe“heat-affectedband”existedonlyinthestablezonebelow.Thepriorβgrainmorphologiesinmicrostructurewasheterogeneity,hugecolumnargrainsgrewintheoverlapzoneofadjacentmeltingpool,andsmallequiaxedgrainswereplacedinthecenterzoneofeachmeltingpool.Themicrostructureinunstablezonewasultrafineacicularstructure,andinstablezonewasfinebasket-weavemicrostructure.
Afterannealtreatmentandsolutionandagingtreatment,theaspectratioofprimaryαinlaserrapidformingTC17titaniumalloyreducedinpacewiththeannealtemperatureandcoolingrateincrease.Andthevolumefractionofprimaryαdecreasedassolutiontemperatureandsolutioncoolingrateincreased.Moreover,thethicknessofsecondaryαwasrelatedtotheagingtemperatureashigheragingtemperatureleadtothickersecondaryαandmorevolumefractionofβmatrix.
ThelaserrapidformingTC17titaniumas-depositedalloyexhibitedexcellentstrengthbutlowerductility,andexhibitedamixtureofintergranularandtransgranularfractureduetotheheterogeneityofβgrainmorphologies.Andthefracturemechanismhasnotbeenchangedafterheattreatment.Themechanicalpropertycouldbeaffectedbythemicrostructure.Higheraspectratioofprimaryα,highervolumefractionofsecondaryαandthinnersecondaryαcouldresultinhigherstrengthandlowerductility.
ThecontinuousandthickgrainboundaryαphaseandaprecipitatefreetransformedzonebesidecouldresultintheintergranularfractureinlaserrapidformingTC17titaniumalloy.Bypretreatedinβphaseregion,thegrainboundaryandinsideαwastransformedintoβmatrix,andprecipitatedsynchronouslyanduniformly,weakeningthedifferenceindimensionbetweengrainboundaryαandprimaryαtoacertainextent.Inthatway,thefracturemechanismoflaserrapidformingTC17titaniumalloycouldbetransformedfromintergranular/transgranularfracturetotypicaltransgranularfracture.
Keywords:
laserrapidforming;Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr;heattreatment;microstructure;mechanicalproperty
目录
摘要I
AbstractIII
第一章绪论1
1.1研究背景及意义1
1.2钛与钛合金概述2
1.2.1钛及钛合金的基本性质2
1.2.2钛合金分类及TC17钛合金4
1.2.3钛合金显微组织及力学性能5
1.3钛合金的固态相变及热处理7
1.3.1钛合金的固态相变7
1.3.2钛合金的热处理10
1.4钛合金成形制备方法12
1.4.1精密铸造技术12
1.4.2精密塑性成形技术13
1.4.3粉末冶金技术15
1.5激光快速成形技术15
1.6本课题研究目的及研究内容21
第二章实验方法及原理23
2.1材料制备23
2.2热处理实验24
2.2.1退火预处理24
2.2.2固溶处理25
2.2.3时效处理26
2.2.4断裂模式探索26
2.3显微组织分析28
2.4力学性能分析28
第三章激光快速成形TC17钛合金沉积态组织性能特征29
3.1激光快速成形TC17钛合金沉积态宏观组织形貌30
3.2激光快速成形TC17钛合金沉积态显微组织特征34
3.3激光快速成形TC17钛合金沉积态力学性能特征36
本章小结37
第四章热处理对激光快速成形TC17钛合金显微组织以及力学性能的影响38
4.1预处理温度影响38
4.2预处理冷却方式影响41
4.3初生α相长径比对力学性能的影响42
4.4固溶温度影响45
4.5固溶冷却方式影响47
4.6初生α相/次生α相体积分数对力学性能的影响48
4.7时效温度影响51
4.8次生α相片层厚度对力学性能的影响52
本章小结54
第五章单相区预处理+固溶时效对激光快速成形TC17钛合金显微组织与力学行为的影响55
5.1单相区/两相区预处理55
5.2固溶处理过程中的组织演变56
5.3时效过程中的组织演变58
5.4单相区/两相区预处理对断裂行为的影响59
本章小结62
结论63
参考文献64
攻读硕士学位期间取得的学术成果70
致谢71
第一章绪论
1.1研究背景及意义
钛合金具有密度低、比强度高、屈强比（屈服强度/抗拉强度）高、耐蚀性好、耐热性高及高温力学性能优异等突出特点，作为一种优良的结构材料而广泛应用于航空、航天、电子、化工、医疗等军用和民用领域[]。
钛合金的应用水平是衡量飞机选材先进程度的重要标志之一，随着对飞机性能要求的不断提高，钛合金在航空工业中的应用优势日趋明显，其用量占飞机总重量中的比例不断提高[]。
为了最大限度减轻结构件重量，同时保证较高的使用性能，飞机用钛合金关键零件通常采用形状复杂的整体带筋加强结构。
在第三代战机研制过程中，我国普遍采用的是“锻造+数控机加”的制造方法，然而由于钛合金变形抗力大、切削加工工艺性能差，采用这种方法制造大型钛合金构件周期长、成本高、制造难度大。
因此，迫切需要发展新的更为先进的钛合金近净成形技术，以应对我国航空钛合金工业当前所面临的高用量、高性能、低成本的严峻挑战。
高性能金属结构件激光快速成形制造技术一种实体自由成形技术，利用快速原型制造（RPM）的基本原理，以金属粉末为原材料，通过高能激光束对金属原材料的逐层熔化堆积，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的“近终成形”制造。
激光快速成形技术将高性能结构材料设计、制备与“近终形”复杂零件直接成形有机融为一体，与锻压-机械加工传统制造技术相比这项技术具有生产制造周期短、生产制造成本低、材料利用率高、无需模具、工艺简单等独特优点，尤其适合于先进装备大型复杂钛合金等高性能关键金属结构件的快速、低成本成形制造，对装备的快速研制、生产与改型具有十分重要的意义。
美国Aeromet公司及国内北京航空航天大学已成功实现激光快速成形钛合金结构件在飞机上的应用[,]。
TC17（名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr）是一种富β稳定元素的两相钛合金，具有强度高、断裂韧度好、淬透性高、热稳定性好、疲劳强度高等优点，常用于设计大截面的锻件与发动机风扇、压气机盘件[,]。
作为近β型两相钛合金，TC17钛合金可通过热处理以改善组织提高性能[,]，锻造TC17形变热处理工艺已得到深入探索，研究表明[]：
其性能与在两相区或单相区内形变热处理息息相关，两相区的热加工过程包括一系列在α+β相区内锻造与加热的过程，即在锻造后进行双重固溶处理+时效处理，常采用840°C/1h,AC+800°C/4h,WQ+630°C/8h,AC；单相区热加工过程包括在两相区内预模锻、在β单相区内终锻后进行固溶时效，常采用的热处理制度为800°C/4h,WQ+630°C/8h,AC。
对于激光快速成形TC17钛合金，由于成形过程中高温度梯度、高冷却速度以及往复加热效应，其沉积态显微组织为不均匀的非平衡凝固组织，不能达到最佳的力学性能，热处理是调整激光快速成形TC17钛合金显微组织与力学性能性能的重要手段之一，热处理参数对其组织与性能影响需要进一步探索研究，然而，目前对于激光快速成形TC17钛合金的显微组织及相关力学行为研究报道相对较少[,]，本文研究了激光快速成形TC17钛合金沉积态显微组织与力学性能，以及高温预处理、固溶温度、时间、时效温度对显微组织的影响，探究显微组织与力学性能之间的关系，为改善显微组织提高综合力学性能提供基础研究。
1.2钛与钛合金概述
1.2.1钛及钛合金的基本性质
钛是继钢、铝、镁之后21世纪的新型金属，其原子序数为22，相对原子量为47.87，位于化学元素周期表的IVB族。
纯钛的熔点为1668℃，钛在固态下具有α↔β同素异构转变，在882.5°C以下为具有密排六方（HCP）晶格结构的α钛，在882.5°C以上至熔点1678°C之间则为具有体心立方（BCC）晶格结构的β钛[]。
-Ti和-Ti的晶体结构如图1所示。
图1钛的同素异构体：
-Ti和-Ti的晶体结构
以钛为基体加入各种金属或非金属合金元素，就构成钛的金属间化合物或非金属化合物等统称钛合金。
钛合金中，随着加入的合金成分和比例的不同，钛合金的α/β相变点的变化十分敏感。
根据合金元素对钛的α/β转变温度的影响，通常将其分为三类：
提高α/β转变温度的称为α稳定元素；降低α/β转变温度的称为β稳定元素；对α/β转变温度影响很小的称为中性元素[,]。
表1显示了钛合金中合金元素的作用及其类型。
表1钛中常用合金元素的分类
类别
作用特点
元素
对α/β相变点的影响
其他
α稳定元素
升高
与α钛无限溶解
Al、Ca、Ge、Ga、O、N、C
β稳定元素
同晶型
降低
与β钛无限互溶，
无共析
V、Mo、Nb、Ta
慢共析
降低
与β钛有限溶解，
共析反应慢
Mn、Fe、Co、Cr
快共析
降低
与β钛有限溶解，
共析反应快
Cu、Si、Ni
中性元素
小
与α钛和β钛无限互溶
Zr、Hf、Sn
α稳定元素能在α-Ti中大量溶解，从而使α相区扩大（如图2-a），提高α/β转变温度，这类元素在周期表中的位置离钛比较远，包括Al、Ca、Ge、Ga、O、N、C等，其中应用得最多的是Al，Al元素含量的增加，不仅会提高β转变温度，还能使β稳定元素更易溶解于α相之中，对提高钛合金的高温强度与抗氧化性、降低比重、增加弹性模量有明显效果[,,]。
β稳定元素能在β相中大量溶解的，从而扩大β相区（如图2-b），降低α/β转变温度，可细分为同晶型元素和共析型元素。
当V、Mo、Nb、Ta等同晶元素或Mn、Fe、Cr、Co等慢共析元素含量达到某一临界值（即临界浓度Ck）时，较大的冷却速度能使合金中的相保留至室温而不发生马氏体相变。
各种稳定元素的Ck值见表2，元素的Ck值越小，其稳定相的能力越强。
对于Si、Ag、Bi等快共析元素，由于在钛中所形成的共析反应速度非常快，相将分解成α相和比较脆的金属间化合物，很难保留到室温。
表2钛合金中常用合金元素的临界浓度[]
元素
Ta
Nb
V
Mo
Ni
Co
Mn
Cr
Fe
Ck（wt%）
45
36
15
11
8.5
9.5
6.5
6.5
5.5
中性元素：
中性元素对α/β转变温度的影响较小（如图2-c），在α和β相中均有较大的溶解度。
中性元
升级会员 