引言

高靠得住性、高运载能力火箭的发展对航天发起机机能的要求逐步提高
，发起机零部件向着构型拓扑化、结构一体化等创新结构发展
。钛合金是航天发起机领域的沉要资料之一
，然而钛合金存在硬度高、变形回弹大、加工难题等弊端
，限度了钛合金的利用[1-2]
。增材造作是基于离散堆积道理,通过推算机将零件的三维模型离散成为二维模型,选取高能热源将原资料溶解组成堆积,最终实现金属零件急剧成形[3-5],其中,激光选区溶解成形技术以金属粉末为原资料,选取激光为能源,以铺粉的方式进行成形
，用这种技术能够直接造备近乎致密、机能优良的金属构件[6]
。SLM技术的发展使得复杂结构钛合金构件在航天领域的优势变得愈加显著[7]
，但是成形过程较快的冷却速度及复杂的热循环作用下会产生温度梯度
，导致合金的组织出现各向异性[8-9]
。近年来各向异性、异质微观结构及其对力学机能的影响成为金属增材造作领域的钻研热点[10]
。孙文博等设计并钻研了成形角度别离为0°、45°、75°和90°的4种SLM成形TC4钛合金委顿裂纹扩大行为
，了局批注角度为45°的试件委顿裂纹扩大速度较慢,拥有较好的委顿抵抗能力[11]
。王尧等钻研了成形角度为30°、45°和60°的SLM成形Ti6Al4V试样在NaF溶液中的侵蚀行为
，其钻研批注成形角度为45°试样的耐侵蚀机能最佳[12]
。

TA7(Ti-5Al-2.5Sn)钛合金在航天领域得到了宽泛利用
，该合金的元素组成不含β相不变性元素,合金组织对冷却凝固速度拥有特殊的敏感性[13],所以SLM成形的TA7钛合金的显微组织、织构蹬纂传统合金差距较大,进而对力学机能产生影响
。本文选取SLM成形技术造备了与基板夹角别离为0°、30°、60°、90°的4种TA7钛合金拉伸试样
，钻研了分歧角度的TA7钛合金的显微组织、织构对室温拉伸机能的影响法规
，分析了热处置后合金机能的变动法规并发展了级间壳体成形钻研
，为SLM成形TA7钛合金构件在航天领域的工程化利用提供参考
。

1、尝试资料与步骤

1.1尝试资料

本文使用的原资料是气雾化TA7钛合金粉末
，其各元素的质量分数如表1所示
，粉末宏观描摹为球形
，如图1所示
，粉末粒度≤53μm
，拥有优良的流动性
。

表1 TA7钛合金粉末各元素质量分数

Tab.1 Mass fraction for different element of TA7 titanium alloy powder单元:%

1.2试样造备

选取型号为Concept Laser M2的成形设备造备分歧成形角度的TA7钛合金试样成形参数如表2所示
。试样成形过程中
，首先通过移动刮刀在钛合金基板上铺一层TA7合金粉末,而后通过高能激光束与零件数字模型相结合溶解金属粉末,与前一层实现冶金结合
，最后成形平台降落肯定的高度
，进行下一层铺粉
，通过不休沉复上述过程
，最终通过逐层溶解造备出成形角度别离为0°、30°、60°、90°的TA7钛合金试样,成形角度为试样的轴向与基板之间的夹角
，如图2所示
。

表2 SLM造备TA7钛合金试样的成形工艺参数

Tab.2 Processing parameters for TA7 titanium alloy fabricated by SLM

1.3组织机能分析

将成形TA7钛合金样品切取后进行机械磨抛
，

选取体积比为HNO₃:HF:H₂O=1:1:3的化学侵蚀液对合金样品进行侵蚀
。而后利用型号为Zeiss Axiovert 200MAT的金相显微镜(OM)对合金的金相显微组织进行观察;选取型号为Hitachisu-70的电子显微镜(SEM)对TA7钛合金粉末的描摹、成形试样的高倍显微组织进行观察
。通过型号为D8 Discover的X射线衍射仪(XRD)对成形试样进行物相检测
。选取型号为TSE504D的电子全能试验机按GB/T228.1-2010《金属室温拉伸试验步骤》对SLM成形TA7钛合金试样进行室温拉伸机能检测
。

2、了局与会商

2.1 SLM成形TA7合金组织与机能

SLM成形TA7钛合金纵截面的显微组织如图3所示
。

从图3中能够看出
，试样内部实现了优良的冶金结合
，没有显著的孔洞、未熔合以及裂纹等缺点
。SLM成形过程中
，激光溶解粉末形成的熔池温度从底部到顶部逐步升高
，热量消散重要沿着成形方向
，导致沿成形方向存在较高的温度梯度
，以至熔池内的熔融态合金产生定向凝固
，从熔池底部沿成形方向逐步凝固
，导致了柱状晶的产生
，随着逐层溶解凝固β柱状晶粒产生表延成长[14],从图3(a)、图3(c)、图3(e)与图3(g)中能够看出显著的原始β柱状晶描摹
，柱状晶宽度约为100μm、长度1mm以上,β柱状晶长轴方向与成形方向维持一致
。

成形过程中合金的凝固速度可达107K/s,在此前提下,β相来不及转变为α相,形成α'相,产生马氏体相变
，该相变过程原子迁徙距离幼于一个原子间距,为近程迁徙,不产生原子扩散[15]
。形成的马氏体相与柱状晶原始晶界的夹角是45°[见图3(a)、图3(c)、图3(e)和图3(g)],这是由相变过程 α与 β相的 Burgurs位向关系决定的 [16]
。

分歧成形角度TA7钛合金的XRD图谱如图4所示,从图4中能够看出,由于TA7钛合金不含β不变元素
，因而未见β相衍射峰
，结合图3的显微组织进一步确认SLM成形合金的相为马氏体相
。

从图3、图4能够看出SLM成形TA7钛合金中未见β相,成形合金的机能重要取决于 α ′相 [17]
。为进一步确认 α ′相的散布情况,对4种成形角度TA7钛合金进行织构分析,{0001}、{11-20}及{11-10}反极图如图5所示
。从图5中能够看出
，当成形角度为0°时,TA7钛合金的织构重要为<0001>,取向密度指数为2.33;当成形角度为30°时,TA7钛合金的重要织构为<0001>,但取向密度指数增长至15.05;当打印角度为60°与90°时,合金中<0001>织构的强度显著减弱
。

分歧成形角度TA7钛合金的室温屈服强度、抗拉强度、延长率的数值如表3所示
Ｄ芄豢闯
，随着角度的变动,合金的机能存在差距,随成形角度的增大
，TA7钛合金的强度出现升高的趋向
，延长率出现降低的趋向
。

表3 分歧成形角度的TA7钛合金室温拉伸机能

Tab.3 Tensile properties of TA7 titanium alloy at room temperature at different forming angles

晶粒的尺寸变动会影响合金的强度,SLM成形合金组织的典型特点是柱状晶组织,将原始β柱状晶视为单个晶粒
，分歧方向成形TA7合金在拉伸机能测试过程中的示意图如图6所示
。

有关钻研批注裂纹不会沿着原始β晶界扩大
，而β晶界在肯定水平上对裂纹的扩大起到故障作用,在变形过程中,通常微裂纹首先在β晶粒内强度较低的处所形成
，并且沿着切应力较大的方向进行扩大[18]
。成形角度0°的试样在测试过程中,加载方向与柱状晶长轴方向垂直
，加载方向晶粒尺寸较幼,晶粒细化在提高强度的同时,也提升了合金的延长率
，而当成形角度为90°时
，柱状晶的长轴方向与载荷方向一致
，沿加载方向晶粒尺寸显著增大
，粗壮的晶；峤档秃辖鸬那慷
，因而该成形角度强度最低[19]
。

资料晶粒的晶体取向影响资料的宏观力学机能,出格是对于密排六方结构的SLM成形TA7钛合金,织构对其机能的影响更大 [17,20]
。当合金存在<0001>织构时,密排六方晶体的柱面和准滑移系临界开动临界剪切应力会增大
，因而导致合金的强度较高,柱面和基面滑移的Schmid因子能够用来表征合金变形的难易水平
。通常来说,Schmid因子越大合金越容易产生形变
，强度越低[17]
。对成形TA7钛合金进行EBSD测试,了局显示打印角度为0°和30°的SLM成形TA7钛合金中存在<0001>织构[如图5(a)、图5(b)所示],基面滑移的Schmid因子为别离为4.45和4.35
。成形角度为60°和90°时
，<0001>取向的晶粒较少
，晶粒的取向相对分散
。当成形角度为30°时,TA7钛合金中晶粒变形的难度最大
，导致其强度较高
。从上述钻研能够看出,SLM成形TA7钛合金各向异性受显微组织与织构的双沉影响
，存在肯定的各向异性
。

2.2热处置对SLM成形TA7钛合金组织机能的影响

图7为分歧成形角度TA7钛合金热处置前后IPF对比图
。从图7中能够看出,经过热处置后TA7钛合金纵截面初始β柱状晶隐没,组织产生了显著的再结晶景象
， α ′马氏体转造成为等轴 α相
，晶粒尺寸约为20~90μm,再结晶后的α晶粒出现分歧的取向
，晶粒择优取向趋向不显著
。热处置后合金的极图如图8所示
，与图5的成状态相比
，热处置后合金内部织构显著弱化
。

图9为热处置后的SLM成形TA7钛合金试样室温拉伸机能
。

从图9中能够看出经过热处置后合金的各向异性隐没,分歧成形角度TA7钛合金的抗拉强度和延长率趋于一致
。与成状态相比(见表3),合金抗拉强度的均匀值由1020 MPa降至842 MPa,延长率的均匀值由13.18%升至17.31%,强塑性匹配度得到了提高
。热处置过程中产生再结晶,导致成状态合金中的α'马氏体相全数转变为等轴α相,晶粒尺寸显著增大,相界面的数量显著削减,由于相界在肯定水平上对位错源的开动拥有抑造作用,所以合金的强度会有肯定的降落[21]
。

2.3 SLM成形TA7级间壳体构件

当前,空间技术的飞速发展对航天发起机提出了更高的要求
，一方面
，发起机中金属构件朝着复杂、薄壁、整体化和轻量化、高靠得住的方向发展;另一方面,传统的航天钻研机构和新兴的贸易航天公司为抢夺国际发射市场,出格器沉新型号发起机研造周期和成本的降低
。在SLM成形TA7钛合金组织机能钻研的基础上,针对新一代航天发起机对高靠得住性钛合金级间壳体的需要,研造出拥有复杂流路结构的TA7级间壳体构件(见图10),热处置后构件的组织与机能满足设计要求
。

3、结论

1)SLM成形的TA7钛合金存在近似平行于沉积方向的原始β柱状晶,由于冷却速度极快,β晶粒内有大量针状 α ′马氏体相天生,合金存在 <  0001 >织构,当成形角度为30°时,<0001>织构的强度最高
，取向密度指数为15.05
。

2)受显微组织与织构的双沉影响,SLM成形TA7钛合金拉伸机能拥有各向异性,当成形角度增长时
，合金强度先增长后降低
，塑性逐步降低
，当成形角度为30°时
，合金拥有优良的匹配度
。

3)热处置后合金的显微组织由等轴 α相组成
，强度略有降落
，延长率有所提高
，分歧成形角度的SLM成形TA7钛合金试样室温拉伸机能的各向异性隐没
。

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（注
，原文标题：激光选区溶解成形TA7钛合金各向异性分析）