【摘 要】
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TA15钛合金属高强高韧合金,具有比强度高、高温抗氧化性优异、热强性和可焊性良好的特点,适用于制备在500℃长期服役的航空结构件和焊接承力零部件。基于金属粉末床的增材制造工艺（Additive manufacturing,AM）克服了钛合金冷加工工艺性差、材料利用率低、成形困难等缺点,能够实现复杂形状构件的快速和柔性化制造。电子束选区熔化工艺（Electron beam selective mel
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TA15钛合金属高强高韧合金,具有比强度高、高温抗氧化性优异、热强性和可焊性良好的特点,适用于制备在500℃长期服役的航空结构件和焊接承力零部件。基于金属粉末床的增材制造工艺（Additive manufacturing,AM）克服了钛合金冷加工工艺性差、材料利用率低、成形困难等缺点,能够实现复杂形状构件的快速和柔性化制造。电子束选区熔化工艺（Electron beam selective melting,EBSM）以高能电子束作为热源,在打印过程中采用电子束循环预热粉床和已凝固层,有效降低钛合金构件内残余应力,同时腔室内真空度较高,可防止原材料及构件的氧化,在钛合金构件成形方面具有独特优势。本文以TA15（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）预合金粉末为原材料,采用EBSM工艺成形TA15钛合金,通过优化工艺参数系统研究成形过程冶金质量控制,分析构件内马氏体相形成及原位分解机理,以及对终态组织性能的影响,阐明片层相的球状化机制,并研究打印态构件的高温拉伸变形行为。首先进行了EBSM成形TA15钛合金冶金质量控制研究,通过调整束流I和扫描速度v控制其能量输入大小。在其它参数固定的情况下,当I/v值在5.0～7.5之间波动时,样品上表面呈平整致密状,内部无孔隙和裂纹的存在。当I/v＜5.0时样品上表面呈多孔状,样品内部存在大量孔洞及粘附的未熔化粉末,此时能量输入较低,粉末部分熔化。当I/v＞7.5时样品上表面呈波浪状,样品内部存在大量气孔,表面存在圆形熔滴状形貌,此时能量输入较高,熔池面积增大且熔体寿命增加,受马兰戈尼效应和反冲力的控制熔池波动剧烈,低熔点元素选择性蒸发进一步加剧熔池流动。系统分析了不同能量密度下显微组织演变规律,明晰了EBSM成形TA15钛合金样品内马氏体相形成及原位分解机理。低电流、高扫描速度参数下,样品内容易形成马氏体相,可在马氏体相内观察到位错、孪晶等亚结构,这些马氏体相会在后续逐层堆积过程中发生循环固态相变,打印顺序差异导致已凝固层经历热循环次数的不同,热循环峰值温度大于马氏体相变开始温度（Ms）时,已凝固层发生循环的b相向马氏体相的转变,峰值温度降至Ms以下时,马氏体相a′分解为（a+b）相。马氏体相形成后样品强度明显提高而塑性下降,随着a′的分解样品强度下降而塑性逐渐增加,而凝固过程中没有马氏体相形成的样品其抗拉强度明显较低。通过对经历不同热循环次数的样品进行显微组织和力学性能表征,建立了EBSM成形TA15钛合金工艺参数、表面质量、显微组织、力学性能之间的映射关系。揭示了热循环条件下EBSM成形TA15钛合金沿成形高度方向上显微组织分布规律。熔池表面凝固速率高于熔池内部,靠近样品自由表面位置处存在厚度约10mm的纳米相区域,纳米硬度值4.7 GPa。EBSM打印TA15钛合金获得的片层组织未达到热力学平衡,在热循环过程中发生熔断并在高温条件下粗化进而球状化。样品快速凝固过程中形成的位错处于热力学不稳定状态,在逐层堆积过程中热循环和粉床预热环节作用下位错通过滑移、攀移和重组形成亚晶界,并将片层相分割,导致片层相的球状化。研究了EBSM成形的TA15钛合金在500℃～750℃高温力学性能,揭示构件高温变形行为。500℃温度下打印态样品抗拉强度可达636 MPa,满足TA15钛合金中温条件下服役要求。合金抗拉强度随温度的升高逐渐降低,屈强比在500℃～650℃之间时随变形温度的增加而升高,650℃以上合金屈强比随温度升高而逐渐降低。在500℃和550℃温度存在明显加工硬化现象,变形温度提高至600℃时拉伸过程中发生动态回复,650℃～750℃动态再结晶起主导作用。
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