不同退火工艺对激光沉积修复TA15钛合金显微组织及力学性能的影响

TA15钛合金（Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Vr）由于其优异的抗腐蚀性能、机械性能等特点在航空航天领域中应用非常广泛[1,2]。但是 TA15 等钛合金零件通常会被应用于较为恶劣的工作环境，长时间使用会造成损坏甚至报废，造成很大的经济损失。基于这一点，诸多学者提出了激光沉积修复技术对损坏的钛合金零件进行修复。

激光沉积修复（Laser Deposition Repair）是以激光熔覆和快速成形技术为基础，利用激光热使熔覆材料与待修复基体形成冶金结合体，修复零件几何尺寸并优化力学性能[3-5]。目前，激光沉积修复技术在不锈钢[6]、镍基高温合金[7]、铝金属[8]等金属材料领域内的研究非常广泛，并且进行了大量实际应用。虞学超[9]对TC4 钛合金材质航空零件经激光沉积修复后性能进行研究，发现修复后沉积层材料结构更为紧密，金相组织更加均匀，修复后的部位能够满足使用要求；SONG等[10]通过体修复和面修复两种方式对锻造 TA15钛合金进行修复，发现面修复试样疲劳裂纹扩展速率低于纯锻造试样，修复区的网篮组织能够有效阻止裂纹扩展；SUBRAMANIAM 等[11]利用钴基合金 Stellite6 粉末对 R350HT 级钢轨进行修复并研究了两种不同合金间的相容性，结果表明沉积层稀释程度低，硬度高，没有缺陷。

激光沉积修复后的合金制件性能与组织与纯锻造合金件相比是不同的，因此对于不同种类激光沉积修复试件的热处理工艺也存在差别。钦兰云等[12]通过固溶+时效（T6：520 ℃、8 h+220 ℃、14 h）处理激光沉积修复 ZM6 合金，发现经T6 处理后其修复区的平均硬度提升 17.5%，抗拉强度和屈服强度分别提升了49.8%和 75.6%，但延伸率降低；LAVRYS 等[13]对经过后热处理的快速成型（Additive Manufacturing）Ti6Al4V 钛合金进行电化学腐蚀试验，发现经 800 ℃处理保温 2 h、冷却至 500 ℃并保温 0.5 h 后的 Ti6Al4V 钛合金形成了具有更高抗腐蚀能力的β相，使其抗腐蚀能力与传统锻造钛合金相当；姚佳彬[14]针对激光沉积修复后的 GH738/K417G 高温合金组织内部存在残余应力的问题进行了不同温度时效热处理，当时效温度达 840 ℃时，修复区平均硬度可达 501HV0.3，摩擦系数为 0.38，磨损量为 0.71 mg，获得了优异的耐磨性。

激光沉积修复 TA15钛合金材料属于非均质材料，其各区域的微观组织形貌不同且不均匀，因而具有非常复杂的力学性能。文章针对激光沉积修复 TA15钛合金不同退火处理后各区域的显微组织演化及力学性能进行分析讨论，采用不同的退火处理改善修复钛合金组织，以获得力学性能较优的激光沉积修复 TA15钛合金材料。

1 、实验方法

1.1 实验设备

实验采用的设备为 LDM800 激光增材制造系统，该系统由 6 000 W 半导体激光器、环境控制系统、载气式送粉器、冷却系统和数控工作台等部分组成。激光沉积修复 TA15钛合金工艺参数如表 1 所示。

1.2 实验材料

试验采用钛合金球形粉，其主要由球形颗粒组成，粒宽 75~250 μm，化学成分如表2所示，使用前对粉末进行风干处理。基体部分为锻造TA15钛合金，850 ℃退火 2.5 h，尺寸为 160 mm×70 mm×40 mm，试验前对基体表面进行打磨和清洗，去除表面氧化层，基材与沉积区体积比为 1：1，沿沉积方向取样。沉积过程采用短边单项往复扫描方式。激光沉积修复方式、修复后实物图以及试验件尺寸如图 1 所示。

1.3 热处理

样品后续热处理在 800、840、890 ℃和 960 ℃的箱式电阻炉（SGM146）中进行常规退火(以下分别称为“HT800”，“HT840”，“HT890”和“HT930”)，加热速率为 10 ℃/min。其中 HT800 试样和 HT840 试样保温时间为 2 h，HT890 试样和HT930 试样保温时间为 1 h，随后从炉中取出在空气环境中冷却。

1.4 显微结构分析

在进行显微结构分析之前，先使用金相镶嵌机（XQ-2B）对需要观察的试件进行制块操作，之后需使用抛光机对试样块进行研磨，然后使用金刚石研磨膏进行抛光，抛光后的试样块需使用 Kroll 试液（HF：HNO₃：H₂O 体积比为 1:6:7）进行腐蚀；使用光学显微镜（OM：Olympus GX51 光学显微镜）和扫描电镜（SEM：KYKY-2800B 型扫描电镜）对金相组织进行观察分析，扫描电镜工作电压为 20KV；使用 ImageJ 软件对α相和β相尺寸进行测量。

1.5 拉伸试验

室温环境下使用朗杰 100 型疲劳试验机对试样进行拉伸试验，拉伸试验速率为 1 mm/min。不同热处理条件下进行 3 个试样的拉伸试验。

1.6 全场应变实验

拉伸试验中使用数字化图像处理技术（DIC 全称：XTDIC-CONST-SD 标准型）对试样应变演化进行采集。

2 试验结果

2.1 不同退火处理后试样宏观组织

图 2（a1，b1，c1，d1）所示为不同退火处理后试样基材区（Substrate zone）的宏观组织形貌。四者显微组织形貌均呈现出等轴α相、片层α相和条状β相的双态组织；HT800、HT840 和 HT890 试样α相含量无明显变化，而在 HT930 试样中等轴α相含量有所减少，片层α相含量增加。

图 2（a2，b2，c2，d2）所示为试样热影响区（Heat affected zone）的宏观组织形貌。由于熔池的移动以及堆叠，激光沉积修复 TA15钛合金的热影响区在宏观上表现为柱状晶和等轴晶粒交替排列。其中 HT800、HT840、HT890 试样热影响区的组织形貌主要为片层α相和“锯齿”状α相，HT930 的组织形貌主要为片层α相，其“锯齿”状α相较比前三者含量较少，未溶解的残留α相之间的β为亚稳定态。热影响区中片层α相在激光沉积修复过程中经循环加热不断长大，其尺寸、长宽比较比锻造区的α相更大。

图 2（a3，b3，c3，d3）所示为试样激光修复区（Restoration zone）的宏观组织形貌。因激光热源及熔池的温度远高于钛合金β相转变点，且之后的 TA15钛合金沉积层经过激光热源的循环加热导致等轴状α相消失，显微组织为网篮组织。由于钛合金外延生长强烈，而且激光沉积修复过程中温度梯度较大，柱状晶粒连续生长，在宏观上表现为贯穿多个沉积层的β柱状晶组织[15]。

2.2 不同退火处理后试样微观组织

图 3（a1，b1，c1，d1）为不同退火处理后试样基材区的微观结构。四者的基材区微观结构仍呈现为等轴α相、片层α相和条状β相的双态组织，与进行退火处理之前的组织形貌一致，说明经不同退火处理后并不改变非均质试样基材区的组织结构。

图 3（a2，b2，c2，d2）为试样热影响区的微观结构。在整个激光沉积修复的过程中由于激光热源的高温以及修复层 TA15钛合金的快速冷却，使整个热影响区的微观结构变得复杂。随着退火温度的升高，HT930 试样中“锯齿”状α相呈现“球状”化，含量相比于前三者显著减少。

图 3（a3，b3，c3，d3）所示为试样激光修复区的微观结构。四者激光修复区的微观结构均呈现为网篮组织，由交错的片层α相组成。HT800 试样激光修复区中由片层α相、少量的等轴α相以及β相组成，其中片层α相的平均厚度约为 0.92μm；在 HT840 试样激光修复区中，片层α相的平均厚度约为 2.39 μm，较比 HT800试样明显提高，且由于退火温度升高，β相厚度降低。HT800 试样的β晶粒平均尺寸达到 8.43 μm，而随着退火温度的升高，HT840 试样的β晶粒平均尺寸达到 10.15μm，相较于 HT800β晶粒平均尺寸增长了 20.4%。HT890 试样修复区中β晶粒平均尺寸约为 10.69 μm，而 HT930 试样的修复区β晶粒尺寸在 13.49 μm。

2.3 不同退火处理后试样的拉伸性能

图 4 所示为不同退火处理条件下激光沉积修复 TA15钛合金试样的拉伸结果，结果表明：HT800 试样抗拉强度为 906 MPa，延伸率为 6.63%，HT840 试样抗拉强度为 981 MPa，相比于 HT800 试样提升了 8.3%，但延伸率有所降低，仅为 5.7%。HT890 试样的抗拉强度分别 949 MPa，伸率为 5.4%，HT930 试样的抗拉强度 971 MPa，延伸率为 8.4%。HT930 试样延伸率大幅提升，较 HT890 试样提升 55.3%。综合考虑不同退火处理工艺，HT930 在保证高强度的同时又有良好的塑性，相比其他三者有着良好的力学性能。

2.4 不同退火处理后试样的全场应变试验结果

图 5（a）所示为 HT800 试样的拉伸试验应变演化云图。在试验开始时，最大应变出现在应变云图的上半部分，即试件的基材区产生了塑性变形，而随着拉伸试验进行，最大应变区域逐渐向下半部分转移，说明试验件的激光修复区发生塑性变形，并且试样最终断裂在激修复区。

图 5（b）所示为 HT840 试样的拉伸试验应变演化云图。在拉伸试验开始时，最大应变出现在应变云图中间区域的左下角和右上角，即试件的热影响区发生塑性变形。随着拉伸试验的进行，当应力超过屈服极限的区域受力时，最大应变逐渐向激光修复区转移，最后，最大应变出现在激光修复区，试样在此区域断裂。图 5（c）所示为 HT890 试样的拉伸试验应变演化云图。在试验开始时试件的热影响区和修复区出现了最大应变。而当应力超过试件屈服极限的区域时，试件整体应变分布逐渐稳定且均匀。在屈服后，试件的修复区域产生强烈的塑性变形，即最大拉伸应变集中在修复区。

图 5（d）所示为 HT930 试样的拉伸试验应变演化云图。在试验开始时试件的热影响区出现了最大应变。随着试验推进，HT930 试样靠近热影响区的基材区域与修复区域出现了最大应变区域，之后最大应变区域逐渐向试样的修复区转移并最终断裂在修复区。

2.5 不同退火处理后试样的断口形貌

如图 6（a1，b1）所示为 HT800 试样和 HT840 试样的断口宏观形貌。由图6 可以看出，二者表面均呈现出撕裂棱形貌，a2，b2 为试样断口的微观形貌，可以看出其中有细小的孔洞，孔洞堆积形成裂纹，在拉伸试验中容易生成裂纹并在滑移过程中聚拢成韧窝[13]，断裂机制属韧性断裂。c1，d1 所示为 HT890 试样和HT930 试样的断口宏观形貌，与前两者断口形貌类似呈现出撕裂棱形貌。HT890试样断口表面较为平整，而 HT930 试样的断口形貌更为不规则。c2，d2 所示为HT890 试样和 HT930 试样的断口微观形貌，HT890 试样韧窝较浅且尺寸小，HT930 试样的韧窝要更大更深，在力学性能上表现为 HT930 试样的延伸率要比HT890 试样高。不同退火处理后的试样断裂之后均为韧性断裂，说明本文的不同退火处理对激光沉积修复 TA15钛合金的断裂机制无影响。

3、 分析讨论

3.1 力学性能分析

经不同热处理后的试样基材区均为双态组织。双态组织中存在等轴α相晶粒，有非常明显的塑性变形能力，可有效承受塑性变形[17]。且较小尺寸的α相分布在β相转变组织结构中，阻碍β相位错运动，能提高基材区强度使得基材区获得良好的力学性能，而试样修复区抗拉强度的改善主要与晶粒长大有关。

以 HT800 试样和 HT840 试样为例，温度较高时α晶粒长大粗化，HT840 试样修复区中的α晶粒较 HT800 试样更加粗大，其修复区中α相体积分数增加，从α相晶体结构来看，其滑移系数总数为 3 个，滑移距离更小，能有效阻碍位错滑移，使修复试样的强度提高，塑性降低。HT890 修复区存在长棒形状的α相晶粒，长宽比较大的α晶粒阻碍位错的能力较弱，不利于拉伸,而 HT930 因退火温度升高，α晶粒继续生长互相截断，生成短棒状α晶粒，使α晶粒长宽比减小，组织更为均匀，因此使试件变形更加协调，有更高的塑性[13]，使 HT930 获得了延伸率与强度的良好组合。α晶粒生长及被截断示意图如图 7 所示。

3.2 不同退火处理后试样的全场应变分析

通过对 DIC 全场应变试验结果分析，试样均断在修复区，说明激光沉积修复 TA15钛合金的修复区力学性能要弱于基材区和热影响区。这是因为修复区占整个试件的 50%，占比较大，在拉伸试验中激光修复区β转变组织中的α/β界面容易产生空洞，在低应变作用下就可以扩展至临界尺寸，导致修复区强度低于基材区强度并断裂在修复区[13]，因此对于非均质材料的试样来说应变一般会集中在力学性能较弱的区域并导致该区域断裂。对比不同退火处理，HT840 试样和 HT930试样经退火处理后的力学性能分较于 HT800 试样和 HT890 试样都有明显提升，并且从DIC记录拉伸过程中可以说明激光沉积修复TA15钛合金的力学性能由修复区的力学性能决定。

4、 结论

文章研究了经不同退火处理后的激光沉积修复TA15钛合金显微组织和力学性能，结果表明：

1）经不同退火处理后试件的基材区组织结构均为α相与β相的双态组织，热影响区表现为为较复杂的异质结构，激光修复区为网篮组织，宏观上表现为贯穿多个沉积层的β柱状晶组织。

2）对比经不同退火处理后的试样力学性能，HT930 试样较比其他热处理后的试样在保证具有较高的强度同时又有良好的塑性，其抗拉强度为 971 MPa，延伸率为 8.4%。

3）通过 DIC 全场应变分析得到激光沉积修复 TA15钛合金的力学性能取决于激光修复区，其贡献了塑性变形中的大部分应变。异质结构中，应变往往会集中在较弱的区域，并在该区域断裂。

4）不同退火处理后的试样在力学性能上均表现出了塑性低、强度高的特点。

不同退火处理对激光沉积修复 TA15钛合金的断裂机制无明显影响，均为韧性断裂，HT930 试样的韧窝明显变大变深。

5 、参考文献

[1] YAO W ,LI X ,WEI Q , et al.Oxidation behavior of TA15 titanium alloy at high-temperature and the effect on infrared emissivity[J].Journal of Alloys and Compounds,2024,983173707-.

[2] 周松,于洪远,王洪明.激光沉积 TA15钛合金的裂纹扩展行为[J/OL].有色金属工程:1-17[2024-05-19].http://kns.cnki.net/kcms/detail/10.1004.tf.20240322.1120.008.html.

ZHOU Song,YU Hongyuan,WANG Hongming. Crack extension behavior of laser deposited TA15 titanium alloy[J/OL]. Nonferrous Metal Engineering:1-17[2024-05-19].http://kns.cnki.net/kcms/detail/10.1004.tf.20240322.1120.008.html.

[3] 李晓丹,孙浩军,殷俊,等.激光沉积 Ti65 钛合金低周疲劳性能[J/OL].有色金属工程:1-17[2024-05-19].http://kns.cnki.net/kcms/detail/10.1004.TF.20240322.1213.016.html.

LI Xiaodan, SUN Haojun, YIN Jun, et al. Low-week fatigue properties of laser deposited Ti65 titanium alloy[J/OL]. Nonferrous Metal Engineering:1-17[2024-05-19].http://kns.cnki.net/kcms/detail/10.1004.TF.  20240322.1213.016.html.

[4] 王洪明,张宏杰,周松,等.激光沉积 Ti65 钛合金宽温域拉伸性能研究[J].兵器材料科学与工程,2024,47(1):37-43.DOI:10.14024/j.cnki.1004-244x.20231204.003.

WANG Hongming, ZHANG Hongjie, ZHOU Song, et al. Study on the wide temperature domain tensile properties of laser deposited Ti65 titanium alloy[J]. Weapon Materials Science and Engineering,2024,47(1):37-43.DOI:10.14024/j.cnki.1004-244x.20231204.003.

[5] 钦兰云.钛合金激光沉积修复关键技术研究[D].沈阳：沈阳工业大学,2014.

QIN Lanyun . Research on key technology of titanium alloy laser deposition repair[D]. Shenyang：Shenyang University of Technology,2014.

[6] SI B S ,THOMAS C ,YANN Q , et al.Integrated approach to stainless steel 316L parts repair for pitting corrosion using laser metal deposition[J].Journal of Manufacturing Processes, 2023,95，1-13.

[7] YAN W ,XUE B ,LI J , et al.Investigation of Microstructure and Mechanical Properties of the Repaired Precipitation-Strengthened Ni-Based Superalloy via Laser Melting Deposition[J].Metals,2023,13,1-12.

[8] 刘吉飞,晁耀杰,杨峻岭，等.激光选区熔化沉积修复 ZL101A 航空铸铝零件的性能分析[J].金属加工(热加工),2023(10):1-5.

LIU Jifei, CHAO Yaojie, YANG Junling，et al. Performance analysis of ZL101A aerospace cast aluminum parts repaired by laser selective fusion deposition[J]. Metal Processing(Thermal Processing),2023(10):1-5.

[9] 虞学超. 基于逆向工程和激光沉积航空零件修复研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2018.

YU Xuechao. Research on repair of aerospace parts based on reverse engineering and laser deposition [D].Harbin：Harbin Institute of Technology,2018.

[10]SONG Z , JINLAN A ,XIANGMING W , et al.Study on fatigue crack propagation behavior of TA15 titanium alloy repaired by laser deposition repair[J].Fatigue Fracture of Engineering Materials Structures,2022,45(12):3692-3700.

[11]SUBRAMANIAM A N ,LYE H J P .Laser metal deposition characterization study of metal additive manufacturing repair of rail steel specimens[J].Virtual and Physical Prototyping,2023,18,1-21.

[12]钦兰云,张健,伊俊振，等.固溶时效对激光沉积修复 ZM6 合金组织及力学性能的影响[J/OL].金属学报:1-16[2024-03-14].http://kns.cnki.net/kcms/detail/21.1139.TG.20240306.1405.002.html.

QIN Lanyun, ZHANG Jian, YI Junzhen， et al. Effect of solid solution aging on the organization and mechanical properties of ZM6 alloy repaired by laser deposition[J/OL]. Journal of Metals:1-16[2024-03-14].http://kns.cnki.net/kcms/detail/21.1139.TG.20240306.1405.002.html.

[13]LAVRYS S ,DANYLIAK O M ,POHRELYUK I , et al.Improving corrosion resistance of additively manufactured Ti6Al4V titanium alloy by post heat treatment[J].Procedia Structural Integrity,2024,53,246-253.

[14]姚佳彬.GH738/K417G 合金激光沉积修复组织与性能研究[D].沈阳：沈阳工业大学,2023.

YAO Jiabin.Study on the organization and properties of GH738/K417G alloy repaired by laser deposition[D].Shenyang：Shenyang University of Technology,2023.

[15]孙晓敏,刘栋,汤海波，等.TC17 钛合金构件激光直接成形固态相变行为及显微组织[J].稀有金属材料与工程,2013,42(4):724-729.

SUN Xiaomin, LIU Dong, TANG Haibo，et al. Solid-state phase transition behavior and microstructure of TC17 titanium alloy components by laser direct forming[J]. Rare Metal Materials and Engineering,2013,42(4):724-729.

[16]REN Y ,LIN X ,FU X , et al.Microstructure and deformation behavior of Ti-6Al-4V alloy by high-power laser solid forming[J].Acta Materialia,2017,132,82-95.

[17]LUNT D, BUSOLO T, XU X,et al. Effect of nanoscale α2 precipitation on strain localisation in a two-phase Ti-alloy[J]. Acta Materialia, 2017, 129: 72-82.

[18]钦兰云,徐丽丽,杨光,等.退火方式对激光沉积 TA15钛合金组织及力学性能的影响[J].中国激光,2018,45(3):208-214.

[19]QIN Lanyun, XU Lili, YANG Guang, et al. Effect of annealing mode on the organization and mechanical properties of laser deposited TA15 titanium alloy[J]. China Laser,2018,45(3):208-214.

[20]邢如飞,许星元,黄双君,等.激光沉积修复 TA15钛合金微观组织及力学性能[J].材料工程,2018,[21]46(12):144-150.

XING Rufei, XU Xingyuan, HUANG Shuangjun, et al. Laser deposition repair of TA15 titanium alloy microstructure and mechanical properties[J]. Materials Engineering,2018,46(12):144-150.