钛合金拥有强度高、密度大、耐侵蚀性好等特点
，在发起机叶片、轮盘、飞行器起落架、机身等结构件中得到宽泛利用。由于航空器上的工作前提越来越复杂
，单一合金零件的机能无法满足要求
，必要双钛合金来满足统一零件分歧部位对机能的要求。但双钛合金比单一合金造作工艺越发复杂
，传统的挤压、铸造和铸造等加工工艺
，无法满足双钛合金的造作要求 [1]
，因而
，必要新的技术来解决这一问题。

近年来
，电子束增材造作技术发展迅速
，该技术拥有高能量密度、高热效能、无反射、能加工多种合金资料等特点 [2]。同时
，电子束是一种可能在真空环境下运作的热源
，比起其他热源如电弧等
，电子束更适合造作钛和铝等高活性金属资料。钻研者针对激光溶解沉积双合金成形工艺、组织和机能进行大量钻研。刘幼江 [3] 利用电子束增材造作工艺
，造备了TC4/TC11双钛合金
，并扭转了晶体取向。发现从TC4侧过渡至TC11侧
，显微硬度显著升高。刘杰 [4] 选取激光沉积技术造备双钛合金TC4/TC11梯度试样
，并钻研了分歧过渡层数量对其组织结构和力学机能的影响。发现双钛合金过渡区两侧显微组织存在显著差距
，且TC4侧组织比TC11侧组织更粗。LIU W P 等 [5] 选取激光近净成形技术造备无裂纹职能梯度 TiC/Ti 复合伙料
，其组成由纯 Ti 转变为约 95%（体积分数）的 TiC
，与高 TiC 含量的均质复合沉积相比
，职能梯度资料（FGM）增材造作有效地预防了裂纹的形成。激光溶解沉积技术对组织机能的钻研比力系统
，而对于电子束增材造作双钛合金资料的钻研却报路很少。

TA7和TC4是常见迪胙合金
，其拥有优良的力学机能
，在航空领域中利用宽泛。电子束增材造作技术则能够实现对双钛合金的精准节造和加工
，因而本钻研对双钛合金在TC4侧、TA7侧以及中央过渡区的组织特点进行钻研
，分析合金的组织结构、硬度、力学机能、断裂方式及断口描摹
，旨在为双钛合金的利用提供参考。

1、试验资料及步骤

1.1 试验资料

使用 250mm×100mm×30mm 的退火态TC4钛合金板为基材
，其化学成分见表 1。电子束熔丝沉积试验用 ?1.2mm 的TA7合金丝材和 ?0.8mm 的TC4合金丝材
，化学成分见表 2。

表 1TC4钛合金基材的化学成分 

Tab.1 Chemical composition ofTC4titanium alloy substrate（质量分数
，%）

表 2TC4-TA7钛合金丝材的化学成分 

Tab.2 Chemical composition ofTC4-TA7titanium alloy wire（质量分数
，%）

1.2 试验设备及步骤

图 1 为 THDW-12 型电子束熔丝沉积急剧造作设备。电子束熔丝沉积试验设备选取了搭载 60kV/15kW 真空电子束电子枪
，并建设电源系统、可视化系统、三维工作台、真空系统、送丝系统和节造系统等
，设备重要参数见表 3。

在试验中
，加快电压为 60kV
，聚焦电流为 480mA
，搭接率为 35%
，工作台与丝材距离为 1.2mm
，通过调整电子束流、基板移动速度和送丝速度对双钛合金进行钻研
，并凭据文件 [6-13]
，造订了熔丝沉积双钛合金工艺参数
，见表 4。

表 3 THDW-12 电子束熔丝沉积设备重要参数 

Tab.3 Main parameters of THDW-12 electron beam fuse deposition equipment

表 4 熔丝沉积双钛合金工艺参数 

Tab.4 Process parameters of fused deposition of bi-titanium alloy

电子束熔丝沉积试验方式见图 2
，先在TC4基板上沉积 30 层TA7合金
，用 30mA 的束流将TA7合金加热至溶解
，送丝速度为 25mm/s
，基板的移动速度为 350mm/min
，基板在沿 Y 方向行走时送丝
，沿 X 方向行走时终场送丝。沉积一层后
，基板返回起点
，依照上述蹊径持续沉积下一层
，直至在基板上沉积完 30 层TA7合金；以TA7沉积层为基体持续沉积 30 层TC4合金
，用 12mA 的束流将TC4合金加热至溶解
，送丝速度为 20mm/s
，基板的移动速度为 240mm/min
，沉积蹊径与TA7合金的沉积蹊径一致。

沉积实现后
，凭据 GB6397-86 造备TA7-TC4 双钛合金拉伸试样
，尺寸见图 3
，利用 WDW-100 电子全能试验机进行室温拉伸
，拉伸速度设为 5×10??m/s。将拉伸样件拉断后
，利用线切割切样机沿着成形件的横截面切成相宜尺寸的试样。将切割好的试样顺次用 320、500、1000、1200、1500、2000 和 5000 主张砂纸进行粗磨
，并通过抛光机抛光得到金相试样
，金相试样选取 kroll 溶液（HF、HNO?、H?O 体积比为 1∶3∶96）侵蚀 30s
，在 NK-800 正置金相显微镜和 S-4800 扫描电镜上进行组织观察和断口描摹观察
，并对试样表表进行元素分析。使用 MHB-3000 型数显布氏硬度计丈量双钛合金沿TA7侧过渡至TC4侧的硬度变动。

2、试验了局与分析

2.1TA7侧组织特点分析

双钛合金TA7侧沉积件微观组织见图 4Ｄ芄豢闯
，过渡区出现显著的β转变组织
，这是由于TA7合金比TC4合金含有更多的 α 不变元素
，从而提高了β相的转变温度？拷汕虿棵臫A7合金的组织产生了扭转
，见图 4b
，由于沉积TC4合金会使得靠近过渡区部门TA7合金产生沉熔
，沉积在上一层的原始组织和新沉积鄙人一层的组织导致沉积层的屡次热循环
，使得 α 组织描摹产生差距
，出现次生 α 相
，以及片状 α 与等轴 α 共存的景象。等轴 α 相的晶界能量较低
，相对更不变
，因而少量的等轴 α 相在高温下产生固态相变
，造成β相组织
，而在远离晶界处出现少量条状 α′相以及块状 α 相
，见图 4c。分析可知
，远离晶界处组织未受到或较少部门受到沉积层的沉熔热循环
，因而在高温下只有少量的 α 相转为β相
，且当温度低于β相的转化温度时
，组织不产生固相转化
，在经受较长功夫的热循环作用使等轴 α 相增长
，形成块状的 α 相。同时
，晶界限距离增大
，残存β相减幼
，组织越发均匀化
，因而
，TA7侧分歧区域出现组织差距。

2.2 过渡区组织特点分析

双钛合金过渡区微观组织见图 5
，EDS 线扫描分析见图 6。由图 5 可知
，合金衔接区存在显著的组织差距特点。由图 5a 能够看出
，两种合金实现了优良的结合
，没有显著缺点。TA7合金为 α 型合金
，在沉积过程中
，结合区经历了急剧冷却随后又反复加热的循环过程
，存在大量等轴 α 组织和少量残存β相
，见图 5b
，而TC4合金为 α+β 型合金
，存在 α 相、α+β 以及少量β相。因而
，TA7与TC4两侧组织有显著差距
，接壤处的结构显著
，过渡区极窄
，厚度约为 0.2mm
，见图 5c。通过 EDS 线扫描能够看到
，过渡区从左往右为TA7合金到TC4合金过渡
，且沿着线段扫描从左往右 V 元素增长
，注明组织产生融合。同时观察到 Al 存在
，证明组织中存在铝化物的偏析景象 [14]。在高倍组织能够看到
，TC4 侧存在显著的针状马氏体转变相垂直过渡层成长
，在过渡区断开
，过渡层两侧存在残存基体β相
，且陪伴着许屡次生 α 相。

2.3TC4侧组织特点分析

双钛合金TC4侧沉积件微观结构见图 7。由图 7a 能够看到TC4侧沿统一方向成长的多条相互平行的针状马氏体
，这重要是由于在沉积第一层时
，基材表表在β相转变温度（1050℃）下齐全溶解
，并在急剧冷却过程中形成马氏体组织。随后的沉熔过程中
，经过反复加热形成网篮组织
，见图 7b。当远离晶界区时
，沉积层高度方向逐步升温
，趋于扰装响区
，在此区域
，重要经历齐全β化和网篮组织粗化作用
，见图 7c。

2.4 力学机能分析

为了可能更精确地钻研分歧区域的硬度散布
，硬度测试沿沉积高度方向进行
，以双钛合金过渡分界限为原点
，以 0.5mm 为点间距进行测试。沉积态双钛合金显微硬度见图 8Ｄ芄豢闯
，与同种钛合金相比力
，双钛合金显微硬度散布显著不合称
，随距离增大呈不休上升的趋向
，即TA7侧 <过渡区 <TC4侧。由于TC4合金中的 V 元素拥有与 Ti 元素一样的晶格结构和原子半径
，能够在β相中无限地交错和固溶硬化。因而
，TC4 侧均匀显微硬度高于TA7侧。在钛合金中相的硬度值由高至低为：α′马氏体>α 相 >β 相 [15]。在电子束熔丝沉积过程中
，过渡区经历冷却 - 沉熔过程
，使得内部组织晶粒尺寸进一步增大
，并随着TC4合金中β相延长至过渡区
，在急剧冷却过程中少数β相转变为 α′马氏体
，导致过渡区的均匀显微硬度（325.6HB）高于TA7侧显微硬度但低于TC4侧。综上所述
，双钛合金的不合称显微硬度散布重要是由于分歧组织结构和相的硬度分歧所致。

电子束熔丝沉积造备的TA7-TC4 双钛合金
，单一TC4合金以及单一TA7合金的力学机能见表 5Ｄ芄豢吹
，双钛合金沿横截面切割试样的均匀抗拉强度为 577.97MPa
，伸长率为 15.81%
，介于TA7钛合金和TC4钛合金之间。

表 5 沉积态钛合金的力学机能 

Tab.5 Mechanical properties of bi-titanium alloy

2.5 断口分析

双钛合金断口描摹见图 9Ｄ芄豢吹
，低倍下断口描摹两侧色彩光泽有显著差距
，过渡层界限清澈
，断面呈杯锥状
，剪堵截裂显著。TC4 侧相比TA7侧
，出现了较多扯破棱
，呈河道状
，且断面越发敏感凸起。沉积态TC4侧为 α+β 双相组织
，α 相的含量和尺寸显著影响合金机能
，TA7侧 α 片层数量较少
，尺寸更为粗壮
，而TC4侧和过渡区显著削减
，滑移阻力显著减幼
，沉积态TA7强度低于TC4侧和过渡区
，拉伸时阐发为优先失效 [16]。过渡区阐发出优良的协调变形能力
，分析以为是结合区组织相对均匀造成的。从高倍组织能够看出
，断面韧窝大且较浅
，并且存在较多气孔、同化物等缺点
，可能是残存应力不均匀导致
，也可能是中部受热循环作用导致组织晶粒大幼不均等
，因而在拉应力作用下出现韧窝大幼不一景象。断裂地位出现了准解理面
，过渡界面存在更多飞溅物
，这都使得接合口试样的力学机能比TC4钛合金差。

3、结论

(1)TA7/TC4 双钛合金TA7侧内部组织晶粒重要以块状 α 组织为主
，TC4 侧能够看到显著的针状马氏体转变相垂直过渡层成长且在过渡层断开
，存在显著各向异性。

(2) 双钛合金存在明暗相间的过渡区
，其中针状马氏体转变相垂直过渡层成长且在过渡处断开。EDS 分析发现
，Al 元素和 C 元素存在分歧水平的偏析
，注明组织中存在碳化物和铝化物
，而 V 含量也产生显著变动。

(3) 双钛合金沉积试样的抗拉强度阐发为TA7合金 < 双钛合金 <TC4合金
，拉伸力学机能介于两种合金之间
，塑性相对较好
，双钛合金沉积试样的硬度阐发为TA7侧 < 过渡区 <TC4侧。

(4) 断口分析发现过渡层界限清澈
，断面呈杯锥状
，剪堵截裂显著
，韧窝大幼不一。

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（注
，原文标题：电子束增材造作TA7-TC4双钛合金的组织机能钻研）