媒介

钛脊合金是 20 世纪 40 年代才起头投入贸易出产的金属结构资料，凭借其比强度高、耐侵蚀、熔点高档显著利益，得到了宽泛利用[1]。TC4钛合金是目前利用最广的一种（α+β）两相钛合金[2]，拥有优良的强度、塑性及韧性等综合力学机能，适合于各类压力加工成型，可用于造作工作温度 400 ℃以下的各类零件[3-4]。在汽轮机机组中，使用长度超过1 400 mm 的低压汽轮机末级动叶片，能够使机组的功率增长 20％[5]。目前已经公开的资料批注，日本三菱沉工已经可能出产出长度 1 830 mm 迪胙合金汽轮机末级叶片，俄罗斯动力设备公司也已出产出长度 1 530 mm 迪胙合金汽轮机末级叶片。

激光急剧成型技术鼓起于 20 世纪 70 年代末，美国最先将激光急剧成型迪胙合金利用到航空领域[6]，随后英国[7]、瑞典[8]、日本[9]等国度也相继发展了激光急剧成型技术的钻研，并获得了分歧水平的进展。我国好多高校及钻研机构也对激光急剧成型的组织、机能等方面进行了大量钻研，并获得了肯定的钻研成就。

相较于传统成型方式迪胙合金叶片，选取 3D打印成型技术成型迪胙合金叶片拥有急剧、低成本、适应出产各类复杂状态零部件的优势[10]。3D 打印成型方式可能保障每一只叶片都拥有极高的成型精度，有效解决了装配过程中因尺寸精度不及和尺寸差距而带来的装配难题和导致汽轮机运行过程中出现的其他问题。但选取 3D 打印方式成型的叶片在显微组织描摹节造、叶片机能的一致性等方面相对于传统铸造+热处置方式成型迪胙合金而言，尚存在肯定的差距。本文针对该叶片 3D 打印工艺目前存在的问题进行钻研，出格是对力学机能未达到要求指标的原因进行分析与会商。

1、叶片成型工艺

叶片为国内新一代超超临界汽轮机组所用的低压末级叶片，叶根选取枞树形直齿结构，叶型是自由成形弯扭结构，叶型中央内背面有拉筋凸台，叶顶相对于叶根截面达到 82°超大旋转角，叶片厚度陆续变动，拥有长高型结构特点，垂直高度方向上叶型面的最大表廓尺寸约为 440 mm×170 mm，面积相对较幼，沿高度方向激光成形增高，应力和变形节造难度不大。叶型面的旋转角度约为每100 mm 旋转 6°，从叶根到叶冠，型面旋转带来截面表廓向表延长倾斜的角度典型值为 8°，最大可达12.7°。旋转叶型面通过激光成形二维截面表廓的逐步表延天然成形获得。在沉积方向上，中央拉筋和叶冠存在截面忽然变大的特点，对叶冠和顶部凸台，采取增长工艺支持的方式成形
；对拉筋结构，凭据 mx数模和 cymx 数模的分歧尺寸大幼，能够拔取增长工艺支持或者将叶片放平最后两面成形出拉筋的方式成形。

叶片在热处置后需进行机加工成型装配，该叶片选取送粉法进行成型。凭据叶片验收要求，激光功率节造在 8~10 kW，送粉率 2 200~2 400 g/h，光斑直径 8.5~10.0 mm，扫描频率 1 000~1 500 mm/min。热处置工艺为双沉退火，其工艺参数为：β 转变温度（Tβ）以下 40 ℃，保温 3 h，风冷
；550 ℃，保温 2 h，空冷。

2、叶片解剖分析了局

为确认选取该工艺造作的制品是否可能达到有关尺度的要求，在实现所有加工过程之后，对制品叶片进行解剖分析。

2.1叶片的化学成分检测了局

对 3D打印成型迪胙合金叶片（钛合金叶轮）进行化学成分查抄，试验步骤为 GB/T 20123、GB/T 20124、GB/T 223.82。其检测了局如表 1 所示。

从表 1 能够看出，该叶片的重要成分满足 GB/T 3620.1[11]的要求（见表 2）。其中 C、N、H 远低于尺度要求上限值，V 含量比要求领域的中值略高，Al含量靠近上限要求值。

2.2金相试验了局

2.2.1金相取样地位

为分析 3D 打印叶片在分歧地位的组织描摹以及组织差距性，在叶片的叶顶、叶根、汽路处取样进行金相试验。

2.2.2宏观查抄了局

解剖 3D 打印叶片，并进行宏观试验，了局如图1~图 3 所示。

由图 1~图 3 可知，在叶片分歧地位的宏观组织上均形成了层带。这是由于激光束产生的能量呈高斯散布，即激光束的中心温度高，边缘温度低，造成粉末溶解不充分、不均匀。两个相邻光斑之间出现搭接区域，而搭接区域部门属于沉熔区域，进而导致层带的形成。

2.2.3微观组织观察了局

别离在叶根、1/3 汽路、2/3 汽路和叶顶的低倍试样上取样进行微观组织观察，如图 4~图 7 所示。

由图 4~图 7 可知，叶顶和叶根地位的金相组织为马氏体+魏氏组织，且存在显著的熔池景象
；叶身组织别离为 α+β 相和长条魏氏组织，注明叶片自身的组织均匀性不好，会对叶片的机能了局造成影响。

2.2.4物相分析查抄了局

TC4 合金为 α-β 两相钛合金，α 相和 β 相在合金中起到分歧的作用，β 相成分通常占比约为 8％~10％。叶根、1/3 汽路、2/3 汽路物相分析如图 8~图 10所示。

由图可知，1/3 汽路处存在约为 5％的 β 相，而叶根和 2/3 汽路处的 β 相含量为 0，这越发证了然叶片金相组织的不均匀性，且相成分也存在显著差距。这些城市对叶片的机能产生影响。

2.2.2能谱分析

对叶片分歧地位进行能谱分析，其了局如图11~图 13、表 3~表 5 所示。

3、叶片力学试验了局

由于叶身地位厚度极薄，最厚处不超过15 mm，所以力学试样的取样地位在叶顶和叶身处。拉伸试验依照 GB/T 228.1 的要求进行，拉伸试样断裂描摹见 14，依照 GB/T 229 的要求进行冲击试验。3D 打印成型钛合金叶片分歧部位力学机能如表 6 所示。由表 6 可知，3D 打印成型叶片的横向和纵向拉伸机能差距很大，其中横向的强度高于纵向，但横向的塑性比纵向差，且未能达到 GB/T 2965[12]中对于 TC4 合金的要求值（见表 7）。

究其原因：该叶片在成型时是沿着叶片的纵向方向成长，而在横向统一截面的粉末则是同时溶解成型并被送到指定地位并最终凝固成型。从金相试验了局能够看出，熔池凝固时，会形成较为粗壮的柱状 β 相，并在β 相内部进一步天生 α 或者 α' 相。而当钛合金从高温急剧冷却时，极高的冷却速度使 β相来不及转变为 α 相，因而转变为成分与母相一样、晶体结构分歧的 α' 相＜本缋淙垂讨行纬傻钠 α 和 α' 相Ti6Al4V 合金为密排六方结构，该结构的滑移系数量少、塑性较差
；而滑移系较多的 β相含量极低，从而影响了合金的塑性
；细针状马氏体组织（见图 5）拥有高强度、高硬度，但其韧性差，拥有硬而脆的特点。这两个成分使得成形的组织阐发出较强的脆性。

4、分析与会商

（1）由理论分析可知，随着溶解层高度的逐步增长，激光束产生的能量在溶解层不休堆集中，使得溶解层温度也逐步升高，激光束的热作用区也不休扩大。当激光束溶解粉末时对前一层溶解层产生的温杜装响超过 α 相相变硬化温度时，溶解层中的层带将隐没[10]。而在本文的叶片金相组织中，叶根、叶身、叶顶地位处金相组织的层带均未隐没，且在 叶根和叶顶的金相组织中发现了极度显著的熔池景象，注明造作过程中激光束产生的热作用偏幼，导致层带未能齐全隐没。

（2）凭据金相和物相分析了局，选取 3D 打印成型迪胙合金叶片在分歧地位的 β 相比例差距显著，即便在含量较多的 1/3 汽路处，其 β 相比例也比常用航空用 TC4 合金的 β 相含量低，从而导致叶片力学机能在分歧方向上的差距较大。

（3）凭据能谱分析了局，选取 3D 打印成型的叶片，w（V）为 4.14％。在 1/3 汽路处，α 相不变元素 Al和 β 相不变元素 V 散布不均，但也起到了不变有关相成分的作用，而其余地位的 β 相不变元素 V含量散布过于均匀或差距较大，未能起到推进 β 成长和不变的作用，最终导致 β 相含量过低。

5、结论和建议

（1）该 3D 打印的激光光斑直径拔取过大，可选取减幼光斑直径，增大扫描功率和速度，减幼层带，提高沉熔率，令组织越发均匀。

（2）改进热处置工艺，使叶片组织越发均匀化，降低因组织不均匀而造成的力学机能差距显著。

（3）钛合金的退火温度在 β 单相区时晶
；峒本绯ご，在冷却时会析出大的片状 α 相魏氏组织，严沉降低资料的塑性，加之叶片总体的 V 含量相对于 GB/T 3620.1 的要求致冯上限要求较近，所以可思考适当降低叶片的退火温度，从而预防产生“β脆性”，以及导致 β 相晶粒大量分化成为魏氏组织。

参考文件：

[1]文艺. 3D 打印两相钛合金组织特点和机能钻研[D]. 江西：资阳航空大学，2016.

[2]赵永庆，洪权，葛鹏. 钛和钛合金金相图谱[M]. 长沙：中南大学出版社，2009.

[3]中国航空资料手册编委会. 中国航空资料手册：第 4 卷，钛合金、铜合金[M]. 北京：中国尺度出版社，2002.

[4]崔振铎，刘华山. 金属资料及热处置[M]. 长沙：中南大学出版社，2014.

[5]A.C 奥雷辛科. 俄罗斯核动力用钛合金[D]. 普罗米建斯中央结构资料科学钻研院，2018.

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[9]Erhard Brandl Achim Schoberth，Christoph Leyens. Morp-hology，microstructure，and hardness of titanium （Ti-6Al-4V） blocks deposited by wire-feed additive layer manufa-cturing （ALM）[J]. Materials Science and Engineering：A，2012，532（2）：295-307.

[10] 文艺，姜涛，邬冠华，等. 3D 打印两相钛合金组织机能钻研近况[J]. 失效分析与预防，2016（2）：42-46.

[11] 中国国度尺度化治理委员会. GB/T 3620.1-2007 钛脊合金化学商标和成分[S]. 北京：中国尺度出版社，2008.

[12] 中国国度尺度化治理委员会. GB/T 2965-2007 钛脊合金棒材[S]. 北京：中国尺度出版社，2008.