热处理对TC11钛合金激光增材制件组织与性能的影响

作     者：郭文姗 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张辉

授予年度：2024年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：TC11钛合金 激光熔化沉积 热处理 显微组织 力学性能 耐蚀性 

摘      要：Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si（TC11）钛合金具有密度小、比强度高和耐腐蚀性好等特性,在航空航天、化工制造、海洋工程等多个行业应用广泛。激光熔化沉积作为一种激光增材技术,具有材料利用率高、灵活性强以及实现复杂结构制件近净成形的优势,近年来在钛合金零件的生产方面快速发展。然而,双相钛合金激光增材制件的机械性能通常表现为高强度、低塑性和各向异性,限制了制件的应用。后热处理可消除钛合金增材制件的热应力、控制其相含量与形貌、改善异质组织,优化制件性能。 通过双级热处理工艺可明显改善TC11激光熔化沉积增材制件的显微组织特征及耐蚀性,热处理后,制件显微组织由α′向α相转变,α相长径比减小,晶界α(α)球化。此外,制件的沉积方向原有的层间区消失,抗拉强度降低,延伸率提高。制件的沉积方向与水平方向,尤其是沉积方向的耐蚀性,相较于热处理前的腐蚀速率降低了91.1%,主要得益于制件非层间区与层间区之间电腐蚀效应的减弱。相占比、晶粒尺寸和平均局部取向差都是影响耐蚀性的因素。 在上述研究的基础上,改变一级热处理的冷却方式（风冷、空冷、炉冷）,旨在调控TC11激光熔化沉积增材制件的综合性能。热处理后显微组织均为α相与β相纵横交错形成的网篮组织,但其形态与尺寸存在显著差异。风冷条件下,形成较多平均宽度约为0.71μm的等轴α相;空冷条件下,形成多尺度α相结构,包括等轴α相、板条α相和平均宽度为0.29μm的超细α相;炉冷条件下,α相粗化严重,平均宽度为1.01μm。空冷条件下试样具有最好的综合力学性能,其强塑积比炉冷试样高1.24倍,比风冷试样高1.03倍。然而,空冷试样中超细α相的存在导致其耐蚀性相对较差。 通过优化激光熔化沉积工艺参数,获得了力学性能更好的TC11增材制件,并研究了不同的热处理温度对制件显微组织特征与性能的影响。在950℃后热处理温度下,亚稳态α′相发生分解,显微组织出现粗化现象;初生α相（α）和次生α相（α）部分保留,α呈现球化和不连续状态。在1050℃后热处理温度下,α和α相消失,α粗化但连续。室温拉伸实验结果表明,热处理后的试样强度降低,但塑性显著提高,950℃的试样强度和塑性均优于1050℃的试样。然而,后热处理不仅可以提高制件的高温抗拉强度,还改善了高温延伸率;与950℃热处理后试样相比,1050℃热处理后试样的强度略有下降,但塑性提高了6.72%。