● 摘要
钛合金具有密度低、比强度高、高温力学性能好以及耐蚀性好等特点，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。激光熔化沉积快速成形技术具有生产效率高、材料利用率高、易于制造梯度材料以及高度柔性和高度自动化等优点，可实现高性能材料和复杂零部件的近净成形，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。TA15（俄罗斯牌号BT20，名义成分Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V）钛合金是一种高Al当量近α钛合金，具有良好的热强性、可焊性和工艺塑性，常用于现代航空先进战机钛合金构件制造。激光熔化沉积制备TA15钛合金具有细小、均匀、致密的快速凝固组织，力学性能优异。然而，组织中元素过饱和固溶度大，析出相析出不充分，同时力学性能显示出高强低塑特点。由于激光熔化沉积制备构件不能通过形变加工强化，因此沉积态TA15钛合金必须通过后续热处理来优化其显微组织和改善其综合力学性能。目前TA15钛合金的热处理研究多集中在基于锻件的退火处理制度，但沉积态组织与锻件合金组织截然不同，该制度不完全适用于沉积态合金。研究激光熔化沉积TA15钛合金组织的固态相变行为，建立和优化适用于沉积态TA15钛合金的热处理新工艺，进而实现主动控制其显微组织和提高其综合力学性能具有重要意义。本文对激光熔化沉积态TA15钛合金分别在β相区及（α+β）两相区进行了淬火+时效、高温退火、双重退火及多级热处理，系统研究了激光沉积态及各种热处理态的显微组织特征和相组成，研究了淬火温度、退火温度、时效温度及时效时间对显微组织的影响，分析了TA15钛合金淬火组织等温时效动力学，评价了不同状态合金的室温拉伸和冲击性能。结果表明：⑴ 激光熔化沉积态TA15钛合金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，晶内具有快速凝固组织特征，显微组织主要由取向丰富、均匀细小的α/β双相片层组织组成。⑵ β相区淬火得到全马氏体α′组织，同时β柱状晶变为等轴晶。（α+β）两相区淬火得到一定体积分数的初生α相和亚稳相，淬火温度影响淬火亚稳组织相组成和数量，随温度下降可依次得到α′相、α′′相和亚稳β相。⑶ β相区淬火后等温时效，大量细小β相在马氏体内部、马氏体边界不均匀地析出，最终得到的组织不同于传统网篮、等轴和双态组织，由相互交错的α板条和弥散分布的β相组成，β相在各自小区域内形貌、位向一致，呈现短棒状或不规则形貌。（α+β）两相区淬火后等温时效组织与之相近，组织中还存在片层状初生α相。弥散分布的β相可通过时效温度和时间调整：低温时效（550℃～650℃）得到细小弥散β相，高温时效（750℃～800℃）β析出相长大粗化，时效时间相同，时效强化效果随时效温度提高而减小。 ⑷ β相区淬火时效后合金强度提高，塑性大幅下降。其中，650℃时效合金抗拉强度、屈服强度较沉积态合金分别提高了27.7%和33.7%，但延伸率和断面收缩率分别下降至1.5%和3%。随时效温度提高，合金强度降低，塑性及韧性提高。650℃～750℃时效的合金室温拉伸断裂机理为晶界连续α层及α团簇边界的解理断裂和α团簇内部的微孔聚集长大机制引发的韧性断裂。β相区淬火温度对时效强化效果影响不显著。⑸ （α+β）两相区淬火时效后合金强度提高，塑性下降。随淬火温度降低，初生α相含量增加，合金强度下降，塑性和韧性上升。初生α相含量一定时，随时效温度降低，合金强度明显增加，塑性和韧性有一定下降。600℃～700℃时效的合金室温拉伸断裂机理为呈韧窝形貌的韧性断裂和部分初生α相的准解理断裂，750℃～800℃时效的合金室温拉伸断裂机理为呈韧窝形貌的韧性断裂。⑹ 双重退火后合金强度提高，塑性下降。其中，β相区高温退火合金强度大幅度提高，但塑性及韧性急剧下降。（α+β）两相区高温退火合金强度增加的同时塑性略有下降，但仍保持在一个较高水平。随低温退火温度升高，合金强度与塑性都有一定程度下降，600℃～650℃低温退火，合金韧性变化不大，700℃～750℃低温退火，合金韧性随着温度升高而急剧下降。600℃低温退火可得到较高强度、较好塑性与韧性匹配。⑺ （α+β）两相区高温退火后得到一种叉形形貌初生α相，应是β→α+β相转变过程以非连续分解方式进行的结果，叉形形貌的不同形态可归因于分解反应进行中α板条的不断分支。高温退火温度越低，叉形形貌初生α体积分数越小，且叉形形貌特征越不明显。在两相区上部温度固溶以保留足量β相和随后冷却过程中β→α+β相转变以非连续分解方式进行是获得叉形形貌初生α相的充分条件。