● 摘要
钛合金具有密度低、比强度高、高温力学性能好、耐蚀性好等特点，已广泛应用于航空航天、海洋、能源、石化、生物医学工程等领域。激光熔化沉积技术是一种代表着金属构件成形制造技术发展方向的无模、非接触、数字化的制造技术，可实现高性能金属材料和复杂零部件的近净成形，兼具修复特点，尤其适用于钛合金等高性能关键金属结构件的快速成形制造。
Ti60A（名义成分Ti-5.54Al-3.88Sn-3.34Zr-0.37Mo-0.46Si）是一种使用温度达600°C的近α型高温钛合金，主要用于航空发动机压气机盘及叶片等重要部件，要求材料具有良好的室温强度、高温强度、蠕变抗力、疲劳性能和热稳定性能等。激光熔化沉积（简称“激光沉积”）Ti60A合金与传统锻造Ti60A合金相比，具有细小、均匀、致密的快速凝固组织特征，室温、高温强度和热强性能好等优点，但有关高温钛合金在高低温循环状态下的热暴露和热疲劳行为的研究鲜有报道。本文对激光沉积Ti60A高温钛合金在（α+β）两相区上部进行双重退火热处理，系统研究了热处理前后合金的显微组织和室温、高温拉伸性能和高温持久寿命；研究了激光沉积Ti60A合金经600°C100小时恒温热暴露前后的显微组织和室温拉伸性能变化机理，并与锻件对比；研究了激光沉积Ti60A合金在150-800°C循环热暴露过程中的显微组织演变及室温拉伸性能的变化并分析机理；最后研究了激光沉积Ti60A合金在20-700°C的热疲劳过程中的显微组织演变及热疲劳裂纹萌生扩展机理。结果表明：
（1）激光沉积Ti60A合金β晶粒为沿沉积增高方向生长的贯穿多个沉积层的柱状晶，柱状晶宽约200-800 μm，长约0.6-5mm。晶内主要由具有快速凝固组织特征的细小均匀的α/β网篮组织组成。
（2）激光沉积Ti60A合金在（α+β）两相区上部进行双重退火热处理，经“Tβ-30”双重退火（1020°C（“Tβ-30”）高温退火1小时+700°C低温退火2小时）后，显微组织主要由65%片层α，残余β和连续晶界α组成。经“Tβ-10”双重退火（1040°C（“Tβ-10”）高温退火1小时+700°C低温退火2小时）后，显微组织主要由25%蟹爪状α和残余细小β相组成。随着高温退火温度的降低，双重退火后α相体积分数明显降低。沉积态、“Tβ-10” 双重退火态和“Tβ-30”双重退火态合金中均有Ti3Al细小有序相的析出，与α相的晶体学取向关系为 ，均无硅化物的析出。
（3）激光沉积Ti60A合金室温拉伸强度为1077MPa，高于锻态约8.7%。“Tβ-10” 双重退火态的室温塑性11±1%，比沉积态7.5±1%提高约40%，600°C/310MPa高温持久寿命约390h，比沉积态317h提高约24%，但持久塑性低。“Tβ-30” 双重退火态的拉伸强度和高温持久寿命最低。
（4）经600°C 100小时恒温热暴露后沉积态和锻态合金中均有Ti3Al有序相析出，与α相晶体学取向关系为 ，强度和塑性均显著下降。沉积态合金中仅析出较少的约100nm的六方形态硅化物，锻态合金内部储存的大量形变能和晶界能促使热暴露过程中析出数量较多的约100-200nm的对塑性有害的椭球状准S2型硅化物(TiZr0.3)6Si3，点阵常数a=0.71nm, c=0.37nm，导致锻态合金塑性几乎消失，发生脆性沿晶断裂。
（5）激光沉积Ti60A合金在150-800°C循环热暴露过程中，从初始的细小网篮α/β相组织向逐渐破碎且体积分数急剧减少的楔形β相转变，α/β相界模糊不清，随着循环热应力的积累，不断促进合金渗氧过程，显微组织最终转变为大块α相和极少量的颗粒状β相，合金内析出细小有序相Ti3Al和100-150nm椭球状的六方S2型硅化物(TiZr0.3)6Si3。
（6）激光沉积Ti60A合金具有良好的室温拉伸性能，恒温热暴露后，强度降低7%，塑性降低70%；循环热暴露后强度降低20%，塑性几乎丧失。循环热暴露过程中循环热应力累积促进α稳定元素氧的渗透扩散而形成更多的富氧粗化α相，导致力学性能显著下降。
（7）激光沉积Ti60A合金经800次20-700℃的热疲劳循环后裂纹萌生，合金中出现“反常粗化的α相”非均匀组织，这主要是由循环热应力和氧原子间隙固溶的共同作用促进β相更多转变为α相形成的。热疲劳裂纹萌生位置主要分布在晶界，α/β相界，微孔和“反常粗化的α相”区域。经1000次和2000次热疲劳循环后单位面积的裂纹总长度分别为2600μm和4250μm。合金中氧原子的相对浓度，在热疲劳裂纹扩展后期起主导作用，随着热疲劳次数的增加，合金中氧原子相对浓度不断增大，使得“反常粗化的α相”的体积分数显著提高，导致单位面积的裂纹总长度显著提高。