● 摘要
TC11钛合金综合性能良好，主要用于制造航空发动机压气机盘、叶片等零件。采用激光成形技术制造TC11钛合金零件与整体锻造等传统制造技术相比，具有短流程、低成本、近净成形等特点，具有独特的技术和经济优势。然而，在TC11钛合金零件激光成形过程中可能出现内部冶金缺陷；后续机械加工余量小，容易出现误加工现象。随着激光成形TC11钛合金零件的应用不断增多，对激光成形TC11钛合金的修复和再制造，具有工程需求及显著的经济效益。
对于钛合金锻件，普遍采用的修复方法包括激光成形修复、离子弧堆焊、氩弧焊等方法。氩弧焊修复作为最常见的修复方法，具有设备简单、修复位置灵活等优点。目前，氩弧焊修复激光成形TC11钛合金的相关研究鲜有报道。
本文旨在通过分析氩弧焊修复对激光成形TC11钛合金的组织及力学性能的影响，探索氩弧焊修复激光成形TC11钛合金零件的可行性。本文以激光成形TC11钛合金为基材，设计不同的修复量，采用氩弧焊进行修复实验并分析修复后的组织和力学性能。其中重点研究了修复件热处理前后各个区域的宏观及显微组织，测试了修复量为10%、30%、50%的双重退火态修复件的显微硬度、室温拉伸、室温冲击、高周疲劳、断裂韧性等关键力学性能，分析了修复对力学性能的影响机理。主要结论如下：
1、激光成形TC11钛合金氩弧焊修复态基材区由具有交替排列的沿沉积方向定向生长特征的短柱晶及等轴晶组成的“指节状”形貌，热影响区宏观组织与基材区相同，而修复区为较粗大的外延生长的柱状晶形貌；修复区和热影响区的显微组织类似，均为超细的针状α相交错排列分布在β相基材中，修复区针状α相方向大多互相平行，具有类似魏氏组织的特征。双重退火后，修复件宏观组织形貌未发生明显变化，各个区域显微组织均为板条状初生α相+β转变组织（超细次生α相+β相），基材区和热影响区显微组织类似，修复区初生α相平均长度显著大于其他区域。
2、修复件双重退火后室温拉伸塑性和高周疲劳极限降低，拉伸强度、冲击韧性、断裂韧性均无显著变化。具体而言，热影响区显微硬度略高，为413HV，基材区和修复区的硬度略低于热影响区；随着修复量从10%提高到50%，室温拉伸强度无明显变化，而塑性下降较明显，从拉伸断口形貌不能分辨出修复区和基材区；修复件室温冲击韧性值53~60 J/cm2，与基材相比基本不变，修复件断口形貌不同区域存在较小差异；修复件的断裂韧性KIC值103~112MP·m1/2，与基材相比略有提高，可能与晶粒大小及晶粒的取向相关；高周疲劳极限由基材527.5MPa逐步下降到修复件490MPa，最大下降幅度7.1%，气孔是导致疲劳性能下降的主要原因。
3、修复件中存在缺陷是疲劳性能下降的主要原因。修复件高周疲劳断口形貌平整，疲劳源大多数起源于试样内部的气孔，而基材疲劳源大多起源于试样表面，极少数起源于试样内部气孔；疲劳源起源于试样内部缺陷时，疲劳源区形成了明显的α相解理、β相撕裂的形貌；修复件疲劳裂纹扩展区同时存在疲劳条带扩展机制和微孔聚集机制，疲劳裂纹沿着与初生α相平行或者垂直的方向扩展；修复件存在较少量的未熔合缺陷，导致了疲劳寿命的急剧降低。