基于TA15钛合金良好个性和兵器设备轻量化战术指标，TA15钛合金舱段逐步利用于炮弹、导弹、装甲和大声速飞行器等高冲击、高膛压等恶劣、极端服役工况[1-3]。但TA15钛合金复杂舱段传统机加方式加工难度大、效能低、资料利用率低、产品合格率低，严沉造约其出产进度及成本节造。选区激光溶解（SelectiveLaserMelting，SLM）技术是一种以激光为能量源的增材造作技术，拥有高个性化造作、近净成型、致密度高和力学机能优异蹬着点[4-6]。目前针对增材造作TA15钛合金的钻研重要集中在组织及静态力学机能，索叶龙[7]等人利用SLM技术造备了TA15沉积样并钻研了拉伸温度对TA15钛合金准静态力学机能的影响，钻研批注随着拉伸温度升高，合金强度降落，断后伸长率提高，500℃时抗拉强度、屈服强度和断后伸长率别离为890MPa、745MPa和11%。王志敏[8]等人利用SLM技术造备了TA15钛合金试样，钻研了分歧热处置温度对TA15组织及机能影响，钻研批注沉积态横向/纵向试样抗拉强度和延长率别离为1259MPa/1095MPa和7.3%/2.6%，阐发出肯定的各向异性。随着热处置温度的升高，试样抗拉强度降低延长率升高，力学机能的各向异性得到显著改善。牟健伟[9]等人钻研了激光增材衔接TA15钛合金结构样件结合区的组织及力学机能，钻研批注衔接区显微组织与母体根基一致，为网篮组织。结合区的室温拉伸、冲击和断裂韧性与母材相当。目前对SLM技术造备的TA15钛合金舱段分歧地位下的力学机能尤其是动态力学钻研极少，有必要对其高冲击动态力学机能进行深刻钻研，为未来SLM造备TA15合金在高冲击环境下的宽泛利用提供理论基础。因而，本文以TA15钛合金粉末为原资料造备舱段毛坯，经真空退火热处置后从毛坯周身取样，通过准静态拉伸力学试验和SHPB尝试，钻研分歧取样地位及方向在分歧应变率（10-2/s~103/s）下的动态响应，得到分歧取样地位试样在1000/s下的应力-应变曲线、屈服强度等关键力学参数，并对准静态力学和SHPB尝试后的试样进行断口描摹和金相组织分析，进而为增材造作TA15钛合金舱段出产提供理论领导。

1、试验步骤

1.1试验资料及设备

本尝试所用TA15钛合金粉末选取EIGA气雾化步骤造备，由中国刀兵科学钻研院孝感分院出产，粉末化学成分如表1所示，所用粉末粒度为20-63μm，粉末粒度呈正态散布，其SEM描摹如图1所示，粉末球形度较高，但仍有部门卫星粉的存在。为保障粉末流动性，尝试前在80℃真空前提下干燥粉末2h；同时用除湿机将环境湿度降至45%以下，以预防粉末干燥处置后取出时再次吸潮。

TA15钛合金舱段打印所用设备为易加三维科技有限公司的EPM650H金属打印机，打印所用基板资料为TC4钛合金。使用前用丙酮对基板表表进行去油污处置并吹干。TA15钛合金舱段经780℃真空退火热处置后进行周身解剖取样，所取试样进行室温准静态和动态压缩力学测试。常温准静态拉伸力学尝试所用设备为E45.105微机节造电子全能资料试验机，检测尺度为GB/T228.1-2021，试样平行段测试尺寸为Ф5mm×25mm；室温动态压缩所用设备为Ф16mm霍普金森压杆，检测尺度为GB/T34108-2017。如图2所示，SHPB设备压杆资料为高强合金钢，撞击杆长度为300mm，入射杆和透射杆长度均为1200mm，撞击杆存在炮管内。试验所用应变率为800/s~1600/s，检测试样尺寸为Ф6mm×5mm的圆柱。测试时将试样放在入射杆和透射杆之间，试样沉积方向与试验加载方向一致，通过调骨气体压力扭转撞击杆速度，实现高应变率加载。利用EP-30P型扫描电子显微镜对尝试后的断裂试样进行断面描摹观察，将SHPB试样沿圆柱轴线方向剖开，利用Keller试剂侵蚀剖面后，利用ZEISSAxioobserver金相显微镜进行微观组织观察。

1.2试验步骤

如图3所示，SLM造备的TA15钛合金舱段毛坯表径158mm，高620mm，壁厚8～15mm。TA15钛合金舱段取样如图4所示，为钻研打印舱段的各向异性，必要从TA15钛合金舱段中取横向沉积和纵向沉积试样。另表，侧壁与隔板衔接处存在结构应力集中，属于危险截面。结合准静态力学试样尺寸及动态力学试样尺寸，在舱段侧壁剖切纵向沉积试样、隔板上剖切横向沉积试样（试样编号1-J~9-J）用于准静态力学测试，在侧壁、隔板、侧壁与隔板衔接处取横向和纵向沉积试样（试样编号0-D~5-D）用于动态压缩力学测试。

2、了局与会商

2.1准静态力学机能分析

表2为TA15钛合金舱段剖切准静态力学试样室温拉伸机能，所有试样伸长率均大于10%，屈服强度最大为1114MPa，位于舱段584mm高度的侧壁纵向沉积试样；屈服强度最幼为1066MPa，位于舱段330mm高度的隔板横向沉积试样，两者屈服强度相差为48MPa。所有试样屈强比在0.96~0.98之间，屈服强度尺度差为14.71，力学机能达到锻件水准。

横向沉积试样伸长率/断后收缩率均匀值11.67%/34%，纵向沉积试样伸长率/断面收缩率均匀值13.75%/33.5%；纵向沉积试样在强度和塑性方面略优于横向沉积试样，与文件[10]中的纵向沉积试样较横向沉积试样强度差而塑性好的法规分歧。其原因如下：对于文件中的试样，其打印方式如图5（a）所示。沿横向沉积的试样与基板的接触面积大于沿纵向沉积的试样，横向沉积试样产生了更高的温度梯度，成形过程中产生的热量在横向沉积试样中比纵向沉积试样中更有效地通过基板传导。而对于本尝试中的试样，打印方式如图5（b）所示，隔板试样为横向沉积试样，侧壁试样为纵向沉积试样。在打印过程中，为了更好地实现构件打印，必要在隔板下方增长支持，支持一侧衔接到侧壁上，支持下方为粉末，这导致隔板并未直接与基板接触，隔板下方的支持和粉末导热性差，成形过程中产生的热量无法有效通过基板传导。而侧壁下方直接与基板接触，在打印过程中侧壁产生了更高的温度梯度，产生的热量可更好地通过基板传导，冷却速度大于隔板试样，这导致纵向沉积试样较横向沉积试样产生更多细针状α’马氏体，马氏体内存在大量位错与孪晶，因而侧壁试样拥有更高的强度[10,11]。此表，侧壁试样中的β晶粒长轴平行于拉伸载荷，拉伸裂纹的传布蹊径在穿过分歧β晶粒时会产生偏移并亏损更多能量，拉伸过程中裂纹扩张较隔板试样难题，容易沿晶断裂，进而阐发出更好的塑性。因而侧壁（纵向沉积试样）的强度和塑形均优于隔板（横向沉积试样）。

利用抗拉强度差比（TDR）、屈服强度差比（YDR）和伸长率差比（EDR）表征试样的各向异性，推算公式如下。本文所有试样的TSDR、YSDR和EDR的领域别离为1.68%~2.71%、1.82%~4.50%和7.69%~50%。本文试样在强度方向上的各向异性不显著，但在塑性方向上的各向异性较大，这重要是舱段的热处置温度和保温功夫较文件相比力低，且隔板存在扰爪力集中景象。

式中，TS、YS和EL别离代表抗拉强度、屈服强度和伸长率，H和V代表横向沉积和纵向沉积方向。

图6为TA15钛合金舱段解剖件准静态力学试样拉伸断裂宏观描摹及断口微观描摹，图6（a）中宏观试样有显著颈缩景象，图6（b）、（c）中断口微观韧窝密集，裂纹扩大蹊径崎岖，属于韧窝荟萃型断裂，图6（d）存在极少量未熔粉末，激光能量密度适当增长可削减未熔合、欠熔合粉末或球化景象的产生[13]。但由于SLM工艺成形过程能量输入的特点，此景象难以预防。

2.2动态力学机能分析

图7为舱段动态压缩断裂试样，试样在高应变率下出现剪切粉碎，剪切粉碎方向与压缩载荷方向的夹角约为45°，该方向是试样承载的剪应力的最风雅向[14-16]。

图8为TA15钛合金舱段解剖试样在应变率1000/s时的动态屈服强度，图中中屈服强度最大为1494MPa，位于舱段584mm高度的隔板纵向沉积试样（试样编号4-D）；屈服强度最幼为1090MPa，位于舱段229mm高度的隔板纵向沉积试样（试样编号2-D），两者相差395MPa。与准静态下的试样拉伸屈服强度相比，试样动态屈服强度机能提高，阐发出显著的应变率强化效应。所有试样动态屈服强度尺度差为115.98，相较于准静态屈服强度数据颠簸性变大。编号1-D和2-D的隔板与侧壁衔接处纵向沉积试样均破碎，这重要是隔板与侧壁衔接处存在肯定结构应力集中景象，即便一样工艺分歧结构下的动态力学机能存在肯定差距。为减幼该处应力集中，提高整体机能一致性，应在打印工艺设计时加大该衔接处的圆角。

图9为TA15钛合金舱段解剖件在应变率1000/s时的应力-应变曲线，曲线有弹性、屈服和塑性3个变形阶段，且试样在屈服阶段沉复性较好。图10为相近取样地位试样的动静态应力-应变曲线，较准静态最大屈服强度相比，试样的强度随应变率的增长而增长，出现出正应变率敏感性。

图11为分歧应变率下分歧取样地位下的试样金相显微组织。图11（a）批注在应变率700/s时，因应变率过幼，侧壁横向试样未出现绝热剪切带（adiabaticshearband，ASB）。图11（b）批注在应变率800/s时，隔板横向试样出现显著的白亮的细带状ASB，资料出现热塑失稳[17]。ASB两侧产生严沉的非均匀塑性变形，在绝热剪切带内部形成致密藐幼的再结晶晶粒[18,19]。剪切带中央及周围的晶粒在高速冲击下细化，同时天堑处的晶粒沿加载方向拉长[20]。剪切带宽度在3~4μm之间，剪切带与基体之间存在较为显著的天堑。图11（c）中未见显著ASB，证明在应变率为1200/s侧壁横向试样未出现热塑失稳。图11（b）、（c）批注侧壁试样较隔板试样更易产生ASB，这重要是打印过程中隔板下方重要是TA15钛合金粉末支持，粉末导热系数仅为实体的百分之一，近似绝热，极易造成扰爪力集中。图11（d）中出现沿45°裂纹方向和其两侧共3条绝热剪切带。图11（e）、（f）批注，侧壁纵向试样在动态压缩过程中随着应变率的增长，形成ASB，应变率持续增大至1400/s时，在ASB内形成微孔洞，微孔洞扩大衔接形成微裂纹和微裂纹归并[21-23]，最后微裂纹沿ASB扩大产生剪切粉碎，最终资料剪堵截裂。

图12为动态压缩试样断面描摹图，在较高应变率下的试样断口描摹均为大量因被拉长而出现抛物线状的剪切韧窝，资料产活泼态粉碎时以韧性断裂为主。随着应变率的增长韧窝变大，在高应变率的动态压缩过程中，钛合金资料产生剧烈塑性变形，导致资料出现热软化景象，同时在资料内部，其晶粒产生畸变、拉长和细化，孔洞和裂纹等缺点起头萌生，导致材磷嫦溶失稳最终形成宏观断裂。

3、结论

本文从SLM造备的TA15钛合金舱段周身取样，对试样进行了常温准静态拉伸测试和动态压缩测试，并对动准静态试样断面描摹及动态试样金相进行了检测，结论如下：

1）室温准静态拉伸下，所有试样伸长率均大于10%，屈服强度最大为1114MPa，屈服强度最幼为1066MPa，各向异性较幼，所有试样力学机能达到锻件水准。试样拉伸断面韧窝密集，属于韧窝荟萃型断裂。

2）在应变率1000/s时，屈服强度最大为1494MPa，屈服强度最幼为1177MPa，阐发出显著的应变率强化效应。整所有试样动态屈服强度尺度差为115.98，相较于准静态屈服强度数据颠簸性变大，只有隔板与侧壁衔接处部门试样产生破碎景象，重要是该处地位相较隔板和侧壁存在更大的结构应力。另表，试样屈服强度增长值随应变率的增长而高低颠簸。

3）应变率800/s时，隔板横向试样出现显著的白亮的细带状ASB，资料出现热塑失稳；应变率为1200/s时侧壁横向试样未出现热塑失稳。隔板试样较侧壁试样更易产生ASB，这重要是打印过程中隔板下方重要是TA15钛合金粉末，近似绝热，造成扰爪力集中，而侧壁下方重要是实体，导热性相对粉末有极大提高。侧壁纵向试样在应变率1400/s时，在ASB内形成微孔洞，微孔洞扩大衔接形成微裂纹和微裂纹归并，最后微裂纹沿ASB扩大产生剪切粉碎，最终资料剪堵截裂。在较高应变率下的试样断口描摹均为大量因被拉长而出现抛物线状的剪切韧窝。

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（注，原文标题：增材造作TA15钛合金复杂舱段的机能钻研）