【摘 要】
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近年来,人们利用增材制造（AM）技术实现钛合金结构件的近净成形获得了快速发展,但AM成形件往往需要进行热处理才能满足现阶段航空航天领域的高标准要求。因此,为了避免热处理工艺制造成本高、生产周期长及大型结构件热处理困难等问题,可以针对钛合金的特点,通过添加合金化元素的方式对沉积态组织进行调控,从而进一步提高其力学性能。本课题采用激光熔化沉积（LMD）技术向TC4中分别添加一定质量分数（2%,4%,6
【基金项目】
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沈阳市科学技术计划“超高速激光熔覆头与工艺装备攻关（20-202-1-10）”；
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近年来,人们利用增材制造（AM）技术实现钛合金结构件的近净成形获得了快速发展,但AM成形件往往需要进行热处理才能满足现阶段航空航天领域的高标准要求。因此,为了避免热处理工艺制造成本高、生产周期长及大型结构件热处理困难等问题,可以针对钛合金的特点,通过添加合金化元素的方式对沉积态组织进行调控,从而进一步提高其力学性能。本课题采用激光熔化沉积（LMD）技术向TC4中分别添加一定质量分数（2%,4%,6%,8%）的Nb和Zr元素,利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、维氏硬度仪、拉伸试验机及销盘式摩擦磨损试验机等分析手段,系统地研究了Nb和Zr对TC4沉积态在垂直于沉积方向（XY方向）的组织和力学性能的影响,为进一步提升激光增材制造钛合金的综合性能提供了理论依据。组织分析表明,添加Nb或Zr元素的沉积态样件仍由密排六方结构的α-Ti相和体心立方结构的β-Ti相组成,但Nb和Zr均能够在一定程度上提高TC4合金中β-Ti的含量。TC4、TC4+Nb和TC4+Zr沉积态金相组织均由等轴晶组成,微观组织均由初生针状α-Ti和网篮组织所构成。分别添加Nb、Zr元素均能够显著细化原始β晶粒,起到了细晶强化的作用;并且随着Nb含量的增加,初生α-Ti平均宽度由约5.5μm（TC4）下降至约1.5μm（TC4+8%Nb）;而随着Zr含量的增加,初生α-Ti的平均宽度下降至约3.2μm（TC4+8%Zr）。另外,能谱分析表明,Nb和Zr元素均大量偏聚在β-Ti中,能够起到固溶强化的作用,并且Zr能够降低Al在β-Ti中的固溶度。力学性能的研究结果表明,在细晶强化和固溶强化的作用下,添加Nb或Zr均能够改善TC4合金的硬度。与TC4（约为339.9 HV）相比,分别添加8%Nb（约为405.4 HV）和8%Zr（约为420.7 HV）的合金硬度值最高。TC4+Nb沉积态样件在室温下的抗拉强度（σb）和伸长率（δ）均呈现先上升后下降的趋势;而TC4+Zr沉积态样件的抗拉强度呈缓慢上升的趋势,伸长率则呈现先上升后下降的趋势,但总体均高于TC4沉积态样件（σb≈928.6 MPa、δ≈9.7%）。经过对比分析可知,添加6%Nb的合金拉伸性能最佳,抗拉强度最大约为1069.7 MPa,伸长率最大约为12.3%;而添加8%Zr的合金抗拉强度最大约为962.4 MPa,添加4%Zr的合金伸长率最大约为10.8%。摩擦磨损试验表明,添加Nb或Zr均能够改善TC4合金的耐磨性,而分别添加8%Nb和6%Zr的合金耐磨性最佳。
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