退火熱處理對航空醫療用高熔點TA17鈦合金激光選區熔化成形件的力學性能影響研究

前言

激光選區熔化成形（selective laser melting，SLM）技術是以原型制造技術為基本原理發展起來的一種先進的激光增材制造技術。通過專用軟件對零件三維數模進行切片分層，獲得各截面的輪廓數據后，利用高能量激光束根據輪廓數據層選擇性地熔化金屬粉末，通過逐層鋪粉、逐層熔化凝固堆積的方式，制造三維實體零件。SLM 技術可實現傳統工藝如鍛造、鑄造、焊接等無法制造的內部有異形復雜結構的高精度、短流程零件的制造，而且成形零件的性能滿足工程使用要求。

鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好、可焊性強等特點，廣泛應用于航空航天、醫療衛生、核動力行業等領域[1]。TA17 是一種我國基于前蘇聯牌號IIT-3B 合金研制的鈦合金材料 [2]。由于鈦合金本身所具有的高熔點、高熔融態活性以及大的變形抗力等特點，使得鈦合金從原材料到零件制備成形的成本及難度大大提高，且產量低，周期長。SLM 制造鈦合金具有加工周期短、制造成本低、高柔性化、高強度等特點，在航空航天、醫療衛生等多個專業領域受到越來越高的重視[3]。

相關研究表明，SLM 成形件強度高、塑性差，需要熱處理方式進一步提高成形件的綜合力學性能，若要達到工程應用，需提高材料塑性，改善材料性能[4]。文中針對該問題，開展不同溫度、冷卻方式下的退火熱處理工藝研究，通過研究退火熱處理前后試驗件的力學性能數據，分析退火熱處理工藝對TA17鈦合金SLM 試驗件的影響，獲得改善材料性能的最優熱處理工藝。

1、 研究對象

開展TA17鈦合金激光選區熔化成形工藝試驗，獲得了TA17鈦合金SLM 試驗件。試驗采用德國EOS M400 金屬快速成形機。設備包含冷卻系統、循環過濾系統、成型系統、氣體保護系統等多個系統，成形艙成型尺寸為 400 mm×400 mm×400 mm，激光功率≥ 1 000 W。試驗采用橫向雙向鋪粉，通過振鏡調節激光束掃描成形艙基板每一個零件的斷層輪廓，逐層疊加最終成形整個零件。

對試驗件進行了橫向（XY）/ 縱向（YZ/XZ）的室溫拉伸、高溫拉伸、沖擊試驗測試，結果如表 1、表 2所示。國內對TA17 的力學性能要求如表 3 所示，對比可知，TA17鈦合金SLM 試驗件滿足技術要求[5]。

由表 1~ 表 3 可知，TA17鈦合金SLM 試驗件各項力學性能滿足國內TA17 力學性能要求，具有較高的強度、較低的塑性。為了使材料具有更加良好的綜合力學性能，采用退火熱處理方式來提高材料塑性[6]。

2、 試驗過程及結果

2.1 試驗過程

TA17 是從TC4 演變而來的低合金α 型鈦合金，相變溫度為 965~970 ℃，適當的熱處理能夠有針對性的進一步提高材料的力學性能指標[6-7]。退火熱處理工藝研究主要從熱處理溫度、冷卻方式兩個方面研究退火熱處理對TA17鈦合金SLM 試驗件力學性能的影響。

試驗分為 800~900 ℃空冷（AC）、800~900 ℃爐冷（FC）、900~950 ℃空冷（AC） 3 組不同退火熱處理工藝，具體的工藝指標如表 4 所示。

2.2 室溫拉伸試驗結果

按照GB/T228-2008《金屬材料室溫拉伸試驗方法》標準規定，對退火熱處理后的 3 組試驗件進行了橫向（XY）/ 縱向（YZ/XZ）的室溫拉伸試驗，結果如圖 1、圖 2 所示。 

分析圖 1、圖 2 可知：

（1）經過熱處理后，TA17鈦合金SLM 試驗件的室溫抗拉強度、屈服強度均明顯地下降，均滿足標準要求；

（2）不同的熱處理方式均會使材料的伸長率有一定提高，而室溫斷面收縮率表現不同；

（3）經過 800~900 ℃空冷（AC）或800~900 ℃爐冷（FC）退火熱處理后，該材料的斷面收縮率明顯降低；

（4）經過 900~950 ℃空冷（AC）退火熱處理后，斷面收縮率有一定提高，表明該材料塑性得到增強；

（5）經過 900~950 ℃空冷（AC）退火熱處理后，縱向YZ/XZ 方向與橫向XY 方向的室溫力學性能數據差異減小，表明該材料整體的室溫力學性能較均衡。

2.3 室溫沖擊試驗結果

按照GB/T229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》標準規定，對退火熱處理后的 3 組試驗件進行了橫向（XY）/ 縱向（YZ/XZ）的室溫沖擊試驗，結果如圖 3 所示。

分析圖 3 可知，經過 800~900℃空冷（AC）或800~900℃爐冷（FC）退火熱處理后，TA17鈦合金SLM試驗件的沖擊韌性AKU 明顯降低，但經過 900~950 ℃空冷（AC）退火熱處理后，室溫沖擊韌性AKU 有一定增加，該材料的韌性提高。

根據室溫拉伸性能、沖擊性能結果，表明經900~950 ℃空冷（AC）退火熱處理后，TA17鈦合金SLM 試驗件的室溫的塑性、韌性得到提高，為 3 種熱處理工藝中最優。選定 900~950 ℃空冷（AC）熱處理后的試件開展 350 ℃高溫拉伸性能試驗。

2.4 高溫拉伸試驗結果

按照GB/T4338-2006《金屬材料高溫試驗方法》標準規定，對 900~950 ℃空冷（AC）后的TA17鈦合金SLM 試驗件開展高溫拉伸試驗，結果如圖 4、圖 5所示。

根據高溫（350℃）拉伸試驗結果可知，經 900~950 ℃空冷（AC）退火熱處理后：

（1）TA17鈦合金SLM試驗件的高溫（350 ℃）抗拉強度與屈服強度均有明顯降低，滿足技術要求；

（2）縱向YZ/XZ 方向與橫向XY 方向的力學性能數據差異減小，表明該材料整體的力學性能較均衡；

（3）延伸率有顯著提高，與熱處理前相比提高了約 50%；

（4）橫向斷面收縮率略有降低，縱向收縮率有所提高；

（5）橫、縱向的高溫力學性能數據差異減小，表明該材料整體的高溫力學性能較均衡。

綜合來看，TA17鈦合金SLM 試驗件經 900~950℃空冷（AC）退火熱處理后，室溫與高溫（350 ℃）強度顯著降低，延伸率顯著提高，斷面收縮率有所提高，均滿足技術要求。表明該材料的室溫、高溫（350 ℃）的塑性與韌性得到明顯提高。

3、 結論

通過對TA17鈦合金激光選區熔化成形材料做退火熱處理工藝試驗研究，對比 3 種不同溫度、冷卻方式下的退火熱處理工藝后室溫拉伸、350 ℃高溫拉伸、沖擊試驗性能數據，得到以下結論：

（1）800~900℃空冷或者爐冷熱處理后，該材料的室溫強度降低，塑性提高，但韌性降低。

（2）900~950℃下保溫 2 h 后空冷（AC）為最優的退火熱處理工藝方案，在此方案下，該材料的強度降低，塑性與韌性得到明顯提高，整體的力學性能較均衡，滿足技術要求。

參考文獻：

[1]張寧，曹貫宇，冀鵬飛，等. 退火工藝對TA17鈦合金組織及力學性能的影響[J]. 熱加工工藝，2019，48（14）：133-136.

[2]劉鴻，戴訓，石明華. TA16 和TA17 管板組裝焊縫EBSD研究[J]. 稀有金屬材料與工程，2012，41（10）：1756-1760.

[3]梁朝陽，張安峰，梁少端，王等. 高性能鈦合金激光增材制造技術的研究進展[J]. 應用激光，2017，37（3）：452-458.

[4]劉正武，朱小剛，孫靖，等. 激光選區熔化成形 2Cr13 不銹鋼組織與力學性能研究[J]. 應用激光，2019，39（3）：411-415.

[5]李東，于振濤，吳瑋璐，等. TA17 合金簡介[J]. 鈦工業進展，2004（5）：34-36.

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[7]宮敏利，李淑英. 二次軋制參數和退火熱處理對TA5-A鈦合金熱軋板力學性能的影響[J]. 機械工程材料，2016，40（1）：75-77，82.