退火热处理对航空医疗用高熔点TA17钛合金激光选区熔化成形件的力学性能影响研究

前言

激光选区熔化成形（selective laser melting，SLM）技术是以原型制造技术为基本原理发展起来的一种先进的激光增材制造技术。通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能量激光束根据轮廓数据层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉、逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件。SLM 技术可实现传统工艺如锻造、铸造、焊接等无法制造的内部有异形复杂结构的高精度、短流程零件的制造，而且成形零件的性能满足工程使用要求。

钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、可焊性强等特点，广泛应用于航空航天、医疗卫生、核动力行业等领域[1]。TA17 是一种我国基于前苏联牌号IIT-3B 合金研制的钛合金材料 [2]。由于钛合金本身所具有的高熔点、高熔融态活性以及大的变形抗力等特点，使得钛合金从原材料到零件制备成形的成本及难度大大提高，且产量低，周期长。SLM 制造钛合金具有加工周期短、制造成本低、高柔性化、高强度等特点，在航空航天、医疗卫生等多个专业领域受到越来越高的重视[3]。

相关研究表明，SLM 成形件强度高、塑性差，需要热处理方式进一步提高成形件的综合力学性能，若要达到工程应用，需提高材料塑性，改善材料性能[4]。文中针对该问题，开展不同温度、冷却方式下的退火热处理工艺研究，通过研究退火热处理前后试验件的力学性能数据，分析退火热处理工艺对TA17钛合金SLM 试验件的影响，获得改善材料性能的最优热处理工艺。

1、 研究对象

开展TA17钛合金激光选区熔化成形工艺试验，获得了TA17钛合金SLM 试验件。试验采用德国EOS M400 金属快速成形机。设备包含冷却系统、循环过滤系统、成型系统、气体保护系统等多个系统，成形舱成型尺寸为 400 mm×400 mm×400 mm，激光功率≥ 1 000 W。试验采用横向双向铺粉，通过振镜调节激光束扫描成形舱基板每一个零件的断层轮廓，逐层叠加最终成形整个零件。

对试验件进行了横向（XY）/ 纵向（YZ/XZ）的室温拉伸、高温拉伸、冲击试验测试，结果如表 1、表 2所示。国内对TA17 的力学性能要求如表 3 所示，对比可知，TA17钛合金SLM 试验件满足技术要求[5]。

由表 1~ 表 3 可知，TA17钛合金SLM 试验件各项力学性能满足国内TA17 力学性能要求，具有较高的强度、较低的塑性。为了使材料具有更加良好的综合力学性能，采用退火热处理方式来提高材料塑性[6]。

2、 试验过程及结果

2.1 试验过程

TA17 是从TC4 演变而来的低合金α 型钛合金，相变温度为 965~970 ℃，适当的热处理能够有针对性的进一步提高材料的力学性能指标[6-7]。退火热处理工艺研究主要从热处理温度、冷却方式两个方面研究退火热处理对TA17钛合金SLM 试验件力学性能的影响。

试验分为 800~900 ℃空冷（AC）、800~900 ℃炉冷（FC）、900~950 ℃空冷（AC） 3 组不同退火热处理工艺，具体的工艺指标如表 4 所示。

2.2 室温拉伸试验结果

按照GB/T228-2008《金属材料室温拉伸试验方法》标准规定，对退火热处理后的 3 组试验件进行了横向（XY）/ 纵向（YZ/XZ）的室温拉伸试验，结果如图 1、图 2 所示。 

分析图 1、图 2 可知：

（1）经过热处理后，TA17钛合金SLM 试验件的室温抗拉强度、屈服强度均明显地下降，均满足标准要求；

（2）不同的热处理方式均会使材料的伸长率有一定提高，而室温断面收缩率表现不同；

（3）经过 800~900 ℃空冷（AC）或800~900 ℃炉冷（FC）退火热处理后，该材料的断面收缩率明显降低；

（4）经过 900~950 ℃空冷（AC）退火热处理后，断面收缩率有一定提高，表明该材料塑性得到增强；

（5）经过 900~950 ℃空冷（AC）退火热处理后，纵向YZ/XZ 方向与横向XY 方向的室温力学性能数据差异减小，表明该材料整体的室温力学性能较均衡。

2.3 室温冲击试验结果

按照GB/T229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》标准规定，对退火热处理后的 3 组试验件进行了横向（XY）/ 纵向（YZ/XZ）的室温冲击试验，结果如图 3 所示。

分析图 3 可知，经过 800~900℃空冷（AC）或800~900℃炉冷（FC）退火热处理后，TA17钛合金SLM试验件的冲击韧性AKU 明显降低，但经过 900~950 ℃空冷（AC）退火热处理后，室温冲击韧性AKU 有一定增加，该材料的韧性提高。

根据室温拉伸性能、冲击性能结果，表明经900~950 ℃空冷（AC）退火热处理后，TA17钛合金SLM 试验件的室温的塑性、韧性得到提高，为 3 种热处理工艺中最优。选定 900~950 ℃空冷（AC）热处理后的试件开展 350 ℃高温拉伸性能试验。

2.4 高温拉伸试验结果

按照GB/T4338-2006《金属材料高温试验方法》标准规定，对 900~950 ℃空冷（AC）后的TA17钛合金SLM 试验件开展高温拉伸试验，结果如图 4、图 5所示。

根据高温（350℃）拉伸试验结果可知，经 900~950 ℃空冷（AC）退火热处理后：

（1）TA17钛合金SLM试验件的高温（350 ℃）抗拉强度与屈服强度均有明显降低，满足技术要求；

（2）纵向YZ/XZ 方向与横向XY 方向的力学性能数据差异减小，表明该材料整体的力学性能较均衡；

（3）延伸率有显著提高，与热处理前相比提高了约 50%；

（4）横向断面收缩率略有降低，纵向收缩率有所提高；

（5）横、纵向的高温力学性能数据差异减小，表明该材料整体的高温力学性能较均衡。

综合来看，TA17钛合金SLM 试验件经 900~950℃空冷（AC）退火热处理后，室温与高温（350 ℃）强度显著降低，延伸率显著提高，断面收缩率有所提高，均满足技术要求。表明该材料的室温、高温（350 ℃）的塑性与韧性得到明显提高。

3、 结论

通过对TA17钛合金激光选区熔化成形材料做退火热处理工艺试验研究，对比 3 种不同温度、冷却方式下的退火热处理工艺后室温拉伸、350 ℃高温拉伸、冲击试验性能数据，得到以下结论：

（1）800~900℃空冷或者炉冷热处理后，该材料的室温强度降低，塑性提高，但韧性降低。

（2）900~950℃下保温 2 h 后空冷（AC）为最优的退火热处理工艺方案，在此方案下，该材料的强度降低，塑性与韧性得到明显提高，整体的力学性能较均衡，满足技术要求。

参考文献：

[1]张宁，曹贯宇，冀鹏飞，等. 退火工艺对TA17钛合金组织及力学性能的影响[J]. 热加工工艺，2019，48（14）：133-136.

[2]刘鸿，戴训，石明华. TA16 和TA17 管板组装焊缝EBSD研究[J]. 稀有金属材料与工程，2012，41（10）：1756-1760.

[3]梁朝阳，张安峰，梁少端，王等. 高性能钛合金激光增材制造技术的研究进展[J]. 应用激光，2017，37（3）：452-458.

[4]刘正武，朱小刚，孙靖，等. 激光选区熔化成形 2Cr13 不锈钢组织与力学性能研究[J]. 应用激光，2019，39（3）：411-415.

[5]李东，于振涛，吴玮璐，等. TA17 合金简介[J]. 钛工业进展，2004（5）：34-36.

[6]韩骜桀，周昌玉，常乐，等. 预扭转及退火热处理对TA2拉伸力学性能的影响[J]. 稀有金属材料与工程，2019，48（4）：1231-1238.

[7]宫敏利，李淑英. 二次轧制参数和退火热处理对TA5-A钛合金热轧板力学性能的影响[J]. 机械工程材料，2016，40（1）：75-77，82.