TB6钛合金名义成分为Ti-10V-2Fe-3A（l质量分数/%，下同），钼当量（[Mo]eq）约为9.5，其β不变元素含量靠近临界浓度，是1种近β钛合金
。TB6钛合金因拥有比强度高、断裂韧性好、铸造温度低和抗应力侵蚀能力强等诸多利益，因而被大量利用于飞机机身、机翼和起落架结构中的锻件零件中[1-2]
。但由于钛合金熔融态活性高、变形抗力大以及热加工温度领域窄等固有属性，使得利用传统加工工艺造作时面对诸多难题[3-4]
。近年来，激光沉积造作技术逐步在难加工金属造备领域得到了越来越多的利用，不只能够避开传统加工工艺的难点，同时兼备低出产成本、高资料利用率以及造备结构复杂性更高的零件蹬着势[5-6]
。激光沉积造作技术造备的样件容易出现各向异性
。

于承雪[7]通过激光直接沉积成形技术在锻件基体上沉积TB6钛合金，分析了基体锻件与沉积层处界面的组织及力学机能，但对沉积态各向异性的调控并未做更深刻钻研
。杨光等[8-9]通过激光沉积造作技术造备了TA15钛合金厚壁件，发现沉积方向与垂直沉积方向上的力学机能存在差距，即存在各向异性，并对其形成机理进行了探索
。Wang等[10]发现激光增材造作技术造备的TC18试样的力学机能出现显著的各向异性，并且大体与45°方向呈对称关系
。针对各向异性的调控，目前重要通过热处置或其他工艺伎俩来细化柱状晶和削减织构
。Zhu等[11]发现激光增材造作的Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金，由于柱状晶粒以及与沉积方向平行的β〈001〉强织构，沉积态样品出现各向异性，单相区退火将晶粒状态从柱状转变为等轴状，各向异性显著降低
。张安峰等[12-13]针对激光熔覆沉积的TC4钛合金力学机能呈各向异性的问题，别离通过参与变质剂硼、硅元素使晶粒细化，以此来减幼各向异性
。

各向异性的存在会限度零件在多向应力前提下的利用，传统铸锻工艺下造备的TB6钛合金通常选取热处置步骤进行机能的调控[14-17]，本工作通过激光沉积造作技术造备了TB6钛合金试件，通过后热处置的方式实现了试件各向异性的消减，同时获得了机能的提升，并结合热处置后显微组织的变动法规探求了各向异性变动特点和天活力理
。

1、尝试资料与步骤

选取LDM800激光沉积造作系统进行了TB6钛合金激光沉积尝试，系统组成与工作道理如图1所示
。

在尝试过程中，氧含量始终维持在低于0.01%（质量分数）的水平，沉积粉末为TB6钛合金球形粉末，粒径为50~150μm，其化学成分见表1
。

为了预防粉末吸收水气，在尝试前将粉末放在真空烘干箱中，100℃下烘干处置12h；成形基板选用尺寸为270mm×60mm×40mm的TC4锻件块，基板表表吓酌砂纸打磨去除表表杂质，随后用丙酮/酒精擦洗，削减对沉积尝试的影响
。激光沉积造作工艺参数如下：激光功率为2000W，扫描速度为10mm/s，送粉速度为0.8r/min，扫描间距为2.1mm，层高为0.6mm，选取短边单神驰复扫描，尝试在氩气；は陆
。

激光沉积造作TB6钛合金成形块状样品如图2（a）所示，尺寸约为145mm×32mm×75mm，别离将样品依照垂直沉积方向（X）与平行沉积方向（Z）等分为两块，每块别离沿取样方向五等分并分组编号，如图2（b）所示，每组蕴含X向与Z向试样块各一块
。各组样品遵循表2造度进行热处置，热处置造度的拔取凭据TB6钛合金尺度热处置造度进行[1]，退火处置重要去除因粉末熔凝引起的合金内部较大的扰爪力，固溶时效处置重要作用是大幅提高合金强度，实现热处置后各取尺度拉伸样品
。

利用线切割从热处置试样块取金相试样，阴影面为金相观察面如图3所示，垂直沉积方向的金相观察面记为XOY面，同理平行沉积方向则记为YOZ向金相观察面；金相试样经镶嵌、预磨、粗抛光、精抛光，用Kroll侵蚀液（VHF：VHNO3：VH2O=3∶6∶200）侵蚀金相试样
。使用OLYMPUS-GX51光学显微镜（OM）和TESCAN扫描电镜（SEM）进行显微组织观察；使用FEITecnaiG220透射电子显微镜（TEM）进行具体的微观结构观察和相分析，工作电压为200kV；利用Im?ageJ图像分析软件丈量显微组织中αp相的含量及尺寸参数；选取INSTRON5982拉伸试验机室温拉伸机能进行测试；选取HVS-1000A测试试样显微硬度，载荷为1.96N，加载功夫t=10s
。

2、了局与分析

2.1　显微组织

图4为激光沉积造作TB6钛合金样品分歧热处置态低倍组织（OM）描摹
。图4（a-1）为沉积态XOY面组织，观察到原始β晶粒均呈等轴状，晶粒尺寸差距较幼，均匀直径约为300~500μm；而在图4（a-2）中的YOZ面组织里面，发现大部门原始β晶粒呈等轴状，存在少部门沿沉积方向被拉长的晶粒，其长短轴比例靠近于2，短轴尺寸与XOY面晶粒直径相当
。综合两个观察面的描摹特点，TB6钛合金沉积态组织中原始β晶粒呈近等轴状
。从图中可见，在热处置状态下，XOY面和YOZ面的组织中原始β晶粒的大幼和长短轴比例相对沉积态并未产生显著的扭转，这是由于只管热处置温度分歧，但温度均未超过TB6钛合金相变点（Tβ=（800±10）℃），因而原始β晶粒尺寸与描摹并无显著变动
。金属资料增材造作构件组织通常由柱状晶组成
。

柱状晶的形成与沉积过程中，分歧方向热梯度各不一样亲昵有关，Pantawane等[18]监测了激光成形过程的热梯度矢量分量，发现扫描方向和搭接方向的热梯度值远幼于沉积方向[19]，而凭据晶粒竞争成长理论，晶粒优先沿温度梯度高的方向成长，由于沉积方向有更大的温度梯度，因而原始β晶粒趋于沿沉积方向成长，导致沉积方向上尺寸将更大，并且取向相近；而在垂直沉积方向上，热梯度相差不大，因而相对阐发得更为均匀
。凝固理论以为，凝固相前端必要足够的成分过冷，能力保障液相区天生潜在的非均匀形核质点，从而为液相凝固为等轴晶提供必要前提[20]
。在激光增材造作工艺中，形成等轴晶的前提通常必要四个方面共同，第一，工艺参数[21]；第二，合金化学成分[22]；第三，纳米/微米级第二相粒子[23]；第四，辅助表场[24]
。

对于本工作中的TB6合金，第二相粒子和辅助表场并不存在
。凭据Fe-Ti-V三元平衡相图可知[25]，V，Fe合金元素的参与，TB6钛合金的熔点相对纯钛显著降低，熔池相对拥有较长的冷却-凝固功夫，即熔池冷却速度相对较低，因而，在设置的工艺参数和合金化学成分前提下，使得熔池形成了肯定的冷却速度和温度梯度，在过冷前提下形成的成分推进了等轴晶的出现，因而组织中的原始β晶粒呈近等轴状，与TC4，TA15等合金的典型柱状晶有显著的差距[8，12-13]
。

图5为激光沉积造作TB6钛合金在分歧热处置态下的SEM显微组织描摹，表3为利用ImageJ丈量的显微组织中αp相的含量和尺寸参数
。对比图5（a-1），（a-2）中沉积态两个方向的显微组织，都是由片状αp相、部门等轴αp相、晶界α相（αGB）和β相组成，αp相体积分数相差不大，但αp相尺寸描摹却有较大的分歧，YOZ面αp相阐发地更为细长，均匀长度比XOY面的高40.6%，长宽比高51.9%
。这种差距的形成原因是分歧方向热梯度不一致，沿沉积方向热流更大，YOZ面上αp相趋于沿沉积方向成长，而XOY面上扫描方向和搭接方向热梯度相差较幼，各方向αp相成长速度一样，尺寸相差不大，因而，在YOZ面观察到的大无数αp相长度、长宽比均大于XOY面
。

图5（b-1），（b-2）为低温退火处置后的显微组织，相迸宗沉积态组织，显微组织组成类型与描摹并无显著变动，仅少量αp相溶于β相，并有微幼长大，αp相体积分数约降低2.8%，两个方向之间相比，αp相描摹差距并没有解除，但是长宽比差距程杜仔所降低，YOZ面αp相均匀长宽比相对XOY面的高30.8%
。高温退火处置后（图5（c-1），（c-2）所示），观察到合金组织中αp相体积分数进一步减幼，渣滓αp相趋于长大，长杜纂宽度均有增长，长宽比逐步减幼
。此表还发现XOY面的αp相长宽比降落速度显著幼于YOZ面的，两个方向αp相描摹差距进一步减幼，YOZ面αp相均匀长宽比相对Z向的高11.8%
。凭据溶质原子扩散理论，溶质原子总是沿负浓度梯度方向扩散，而αp相天堑的α不变元素浓度CR与晶粒曲率半径R呈反比关系，其表白式[26]：

式中：C∞为鼓和溶液的浓度；σ为相间表表张力；ν为溶质的原子体积；k为气体常数；T为温度
。

TB6钛合金中，Al元素作为唯一的α不变元素，当αp相长宽比越大，即αp相尖端地位曲率越大，曲率半径则相对越幼，其边缘地位处α不变元素越富集，α不变元素将更容易从尖端地位向侧边扩散，引起αp相粗化速度的增长，此表退火温度相对低温退火增长，加快α不变元素的扩散作用，沉积试样中YOZ面的αp相长度、长宽比均显著大于XOY面，因而退火处置过程中YOZ面αp相长大粗化和等轴化的速度将显著大于XOY面
。低温固溶时效后（图5（d-1），（d-2）所示），显微组织由片状αp相、等轴αp相、αGB相和次生α相（αs）弥散强化的β相组成，αp相体积分数显著降低，固溶水淬使β相转化为鼓和的β固溶体，时效处置时鼓和的β固溶体逐步分化，αs相在不不变的αGB/β相界面以及α/β相界面形核长大，以藐幼的短棒状片层结构均匀散布在β基体上，必要把稳的是分歧方向的αs相的析出并不受热处置影响，类似性较高
。此表，αp相长宽迸仔所增长，且YOZ面αp相均匀长度相比XOY面的高88.9%，长宽比则低10%，差距水平显著增长，相迸纂沉积态产生了较大变动，这是由于固溶过程选择水淬作为冷却方式，带来的最直接影响是组织中保留的缺点相对增长，有利于α相异相形核[27]，因而αp相长宽比相对会有所增长
。高温固溶时效处置后，由于固溶温度靠近Tβ，αp相将持续溶于β相，αp相长度、长宽比都有显著减幼，YOZ面αp相均匀长度相比XOY面的高72.4%，长宽比则低25.5%，如图5（e-1），（e-2）所示
。

2.2　室温拉伸机能

图6为激光沉积造作TB6钛合金在分歧热处置工艺下的室温拉伸机能变动曲线
。对比图中数据可知，室温拉伸机能在分歧方向出现肯定的差距，即激光沉积造作TB6钛合金力学机能存在各向异性，但随热处置工艺的扭转，各向异性水平产生显著变动
。其中，沉积态试样的各向异性最为显著，X向抗拉强度相比Z向的高7.3%，屈服强度高5%，而伸长率则低32.4%，X向抗拉强杜纂屈服强度略低于锻件，伸长率高于锻件尺度
。激光沉积造作TA15钛合金出现各向异性的重要原因是存在表延凝固成长的粗壮柱状晶[12-13]，但在本钻研中，同种工艺方式下造备的TB6钛合金，表延凝固成长而成的柱状晶并不显著
。沉积态和高温固溶时效热处置后样品的TEM显微组织描摹如图7所示，分化后的β相对应的选区电子衍射花腔（selectedareaelectrondiffraction，SADP）位于图7（a），（b）中右上角，β相和α相SADP图别离位于图7（a），（b）的左下角
。沉积态下的原始β晶粒内部，片层组织多为长宽比力大的片层组织组成，且这些片层的散布方向拥有相对的一致性（图7（a））
。经高温固溶时效后的样品中，原始β相分化产品取向性不显著，近似随机散布，如图7（b）所示
。

基于以上检测与分析了局，TB6钛合金沉积态试样产生各向异性的原因能够综合为：原始β晶粒以及αp相尺寸描摹在XOY面和YOZ面上的差距共同导致
。一方面，YOZ面中由于原始β晶粒沿沉积方向拉长，尺寸差距相对XOY面更大，已有钻研批注：沿沉积方向成长的柱状晶不利于Z向拉伸试样强度[11]，故Z向强度相对有所降低
。另一方面，YOZ面的αp相长度、长宽比显著大于XOY面，阐发得更为细长，取向较为一致
。图8为激光沉积造作TB6钛合金拉伸过程在YOZ面和XOY面裂纹拓展示意图，由于显微组织中αp相常嵌在β基体上，细长条状的αp相与短棒状相比力，α/β界面面积更大，在拉伸断裂过程中容易扭转裂纹的扩大方向，能够有效故障位错活动，因而，拉伸断裂过程中裂纹穿过YOZ面的难度相对更大，强度相应更高
。此表，αp相状态对合金伸长率有所影响，短棒状αp相相迸宗片状αp相有更好的协调能力，导致伸长率的增长
。而YOZ面和XOY面别离对应X向和Z向拉伸试样的横断面，因而最终在两种成分的共同作用下，导致X向强度相比Z向更高，而伸长率却较低
。

低温退火态试样力学机能各向异性仍旧存在，产生的原因与沉积试样一样，X向抗拉强度相比Z向高6.8%，屈服强度高9.6%，伸长率低18.0%，与沉积态各向异性相比强度无显著扭转，而伸长率各向异性有所减低，αp相长宽比差距有所降低直接有关
。高温退火处置后αp相体积分数、长宽比都有所减幼，由于α相位错滑移系统少于β相，使得β相相对α相更容易产生滑移变形，因而必然导致强度降低、伸长率升高，这与尝试了局相一致，相迸宗锻件尺度，呈显著的强度低而伸长率高
。但X向抗拉强度相比Z向高3.1%，屈服强度高5.3%，伸长率低11.7%，能够发现试样强度以及塑性的各向异性水平相比沉积态显著降低，结合高温退火处置后各方向显微组织，XOY面的αp相长宽比降落速度显著幼于YOZ面的，随退火温度的升高，αp相粗化长大的速度进一步增长，两个方向αp相尺寸描摹差距显著降低，由αp相带来的各向异性也将相应减幼
。

低温固溶时效处置后，抗拉强杜纂屈服强度均有大幅提升，相比锻件显著提高，但伸长率与之相反
。通过对比两个方向拉伸数据，X向的抗拉强度相比Z向低1.3%，屈服强度低0.8%，伸长率则高0.1%，发现合金力学机能的各向异性趋于解除
。分析原因重要是相迸宗沉积态与退火态，低温固溶时效试样的强化机造产生了底子变动[28]，由于低温固溶时效处置后析出的密集、藐幼αs相，拉伸过程中位错将会受到大量β/αs相界面故障，裂纹在晶内拓展相对难题，能够有效提高合金强度，但对塑性产生不利影响，尺寸较大的αGB相将成为位错活动拓展的重要地位
。固然αp相描摹差距有所增长，但对机能的影响水平远幼于αs相，而固溶时效处置过程中，两个方向受热情况一致，各方向αs相的析出成长不会影响，因而各方向αs相含量与尺寸描摹并无显著差距（图5（d-1），（d-2）），故固溶时效试样各向异性也随之趋于解除
。高温固溶时效处置后强度进一步提高，显著高于锻件，塑性大幅降低
。在经过高温固溶时效热处置后，组织中部吩飕状αp相已经等轴化，其他αp相在固溶温度下转变为β相，在随后的冷却以实时效过程中，逐步转变为αs+β混合状态下的片层组织，因转变过程中的各个方向热量消散速度一样，多个方向成长片层αs彼此订交叉、故障，最后产生的αs相尺寸相对短幼，其散布的随机性有所增长（图7（b）所示），固溶时效后形成的近似等轴αp相以及短幼且取向随机的αs相使得样品的各向异性差距显著减幼，X向抗拉强度相比Z向低1.3%，伸长率低0.1%
。

3、结论

（1）激光沉积造作过程中TB6钛合金分歧方向热梯度不一致，导致沉积态组织中原始β晶粒呈近等轴状，此表垂直沉积方向的αp相相迸宗沉积方向更为细长，两者共同作用下导致沉积态试样室温拉伸机能出现各向异性，其中垂直沉积方向抗拉强度相比沉积方向高7.3%，屈服强度高5%，伸长率低32.4%
。

（2）低温退火处置对室温拉伸机能的各向异性作用重要体此刻塑性差距变动，高温退火后分歧方向长宽比降落速度不一，αp相尺寸描摹差距减幼，其室温拉伸机能的各向异性显著减幼
。

（3）固溶时效处置后显微组织中析出大量αs相，而αs相的析出不受方向影响，其取向较为随机，在显著提升强度的同时解除了室温拉伸机能的各向异性
。

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基金项目：国度天然科学基金（51975387）

通讯作者：李长富（1979—），男，副教授，博士，重要从事金属结构资料增材造作（3D 打
。┓矫娴淖暄，联系地址： 辽宁省沈阳市沈北新区路义南大街 37 号沈阳航空航天大学（110136），E-mail：20140029@sau.edu.cn