熱等靜壓與常規熱處理改性SLM成形TC4鈦合金對比試驗，分析單一高溫作用與高溫高壓耦合作用對合金相變行為、組織結構及硬度性能的影響，篩選適配打印鈦合金的最優后處理工藝

TC4 鈦合金是一種兩相鈦合金，該材料作為 優異的輕型材料且憑借良好的綜合性能，尤其適 用于汽車零部件制造中，例如汽車發動機活塞、 連桿、底盤支架等，同時也是飛行器多種零部件的 原材料。因為TC4 鈦合金能夠有效降低車身質量、 提升零部件強度和耐腐蝕性能，從而成為汽車關 鍵零部件的核心材料，該材料已廣泛應用于汽車、 航天、航空、海洋、醫療工程等多個領域，目前 在汽車工業領域的應用愈發廣泛。但TC4 鈦合金 利用傳統機械加工方式存在加工難度大、周期長、 材料利用率低且生產成本偏高的問題，導致 TC4 鈦合金在當下難以滿足汽車日益增長的量產效率 和低成本需求，從而限制了TC4 鈦合金在汽車工 業中的規模化應用，在一定程度上制約了其整體 使用范圍。

選區激光熔化（Selective Laser Melting, SLM） 技術是利用高能量激光束逐層熔化金屬粉末累積 堆疊成結構復雜的三維金屬零件[1-4]。成形過程 中，激光能量輻照在預鋪金屬粉末之上，高溫使 得粉末熔化，激光輻照移開后熔融金屬快速冷卻 凝固，易于成形結構復雜的零件且成形快、精度 高。SLM 技術廣泛應用于高溫合金、304L 不銹鋼、 鈦合金等金屬材料的成形，國內外關于 SLM 成形 TC4 鈦合金的研究已有了大量報道。然而，SLM 技術成形的TC4 鈦合金很容易出現裂紋或孔洞等 缺陷，其特有的極端熱梯度與瞬態凝固過程，在 逐層累加過程中不可避免地形成復雜的表面缺陷 網絡，極易形成孔隙等缺陷。目前傳統熱處理方 法可以改善一些 SLM 技術成形的TC4 鈦合金內部 不良組織，但無法從根本上消除該技術的先天缺 陷[5]。

熱等靜壓技術是一個高溫、高壓共同作用的 過程，高溫和各向同等壓力作用使得材料發生相 變和界面反應，消除材料內部缺陷，提升其綜合 力學性能[6-9]，其中各向同等壓力代表可以從各個 反方向對零件施加壓力，零件不會產生各向異性。 本文利用了熱等靜壓技術對 SLM成形TC4 鈦合金 進行處理，其主要目的是減少其內部孔隙與裂紋， 從而能夠改善該鈦合金的力學性能，為其在汽車 零部件制造中的穩定應用提供保障，為解決汽車 用鈦合金部件的質量提升提供了技術支撐。

1、試驗材料與方法

以SLM成形TC4鈦合金為研究對象，通過設置不同后期處理方式制備三類試樣，對比分析后期處理對合金微觀結構與力學性能的調控作用，明確最優處理工藝，為提升SLM成形TC4鈦合金綜合性能提供實驗支撐。試驗共準備3類試樣，分別為無后期處理、普通熱處理、熱等靜壓處理試樣，明確普通熱處理、熱等靜壓處理對缺陷修復、組織優化及性能提升的效果，探究不同處理方式的作用機制，熱等靜壓作用于TC4鈦合金原理如圖1所示。

試驗選用TC4鈦合金粉末為原材料，粒徑為15~45μm，松裝密度為2.5 g/cm3，主要化學成分如表1所示;采用SLM300設備將粉末打印成形，零件尺寸為10mmx10mmx3mm，成形工藝如表2所示，其中激光功率與掃描速度為該設備制備鈦合金的最優參數，保障成形件基礎質量。試樣1#為空白對照樣，成形后不做任何后期處理;試樣2#進行普通熱處理，置于箱式電阻爐中，900℃保溫3h后取出空冷，作為與熱等靜壓作用的對比實驗;試樣3#進行熱等靜壓處理，采用熱等靜壓設備,設定溫度1150℃、壓力30MPa，具體參數如表3所示。

表1 TC4合金主要的化學成分

單位:%

表2 SLM試驗參數

表3 熱等靜壓試驗主要參數

對三組試樣進行打磨拋光、金相腐蝕后，開展系列對比試驗:采用JSM-IT500型掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)和Rigaku Ultima IV型X射線衍射儀，對比分析三類試樣的微觀結構、微區元素分布及相組成差異，明確后期處理對組織缺陷及相形態的影響;采用顯微硬度計測試顯微硬度，載荷0.2kg、保荷時間10s，每類試樣表面隨機取3個測試點，以平均值作為最終數據，對比不同后期處理對合金硬度的提升效果。系統探究無處理、普通熱處理、熱等靜壓處理三種狀態下，SLM成形TC4鈦合金的組織與性能差異，揭示后期處理對合金缺陷修復、相演變及力學性能的調控規律，最終選出SLM成形TC4鈦合金的最優后期處理工藝，提升成形件質量與綜合性能，為鈦合金的工程應用提供技術參考。

2、試驗結果及分析

2.1微觀結構

體積能量密度 E代表了單位體積材料輻射面積上的能量,是 SLM成形TC4鈦合金技術的關鍵工藝參數,對成形合金質量的控制起著至關重要的作用,計算公式如式(1)所示:

式中, P為激光功率; v為掃描速度; d為粉末層

厚度;h為掃描間隔。

當粉末層厚度和掃描間隔一定時，激光功率和掃描速度對成形合金的性能有著較大的影響。激光功率代表了輻射到粉末上的激光能量，激光功率的大小主要取決于鋪粉粉末的熔點，激光功率太小導致粉末熱化學反應不充分，發生未熔球化現象，極易產生缺陷;激光功率太大又容易導致過熔現象或對粉末的沖擊過大而產生較多氣孔。掃描速率的大小代表了激光對粉末作用時間的長短，掃描速度太低時，能量輻射在基體表面作用時間太長，延長了合金的成形時間，極大的浪費了能源，生產周期太長;而掃描速度太大時，粉末沒有完全熔化,孔隙率太大導致成型件質量降低[10-11]。

試樣1#為無后期處理的SLM成形TC4鈦合金，其顯微組織如圖2所示，組織內部存在大量缺陷。由圖2(a)、圖2(b)可見，該試樣組織以粗大柱狀晶為主，這一現象與SLM成形的核心機理直接相關:激光束精準輻照已鋪覆的金屬粉末，使粉末在極短時間內熔化，隨后迅速完成凝固。成形過程中，熱量無法及時擴散，只能沿著已成形基體快速傳導，進而形成顯著的溫度梯度。溫度梯度的存在，使得β晶粒的生長受到定向約束，無法自由生長，只能沿著熱量傳遞方向外延生長，最終形成形態粗大、具有明顯方向性的柱狀β晶粒。由圖2(c)、圖2(d)可觀察到，合金組織中存在明顯孔隙，同時分布有多處裂紋，這些裂紋長度不均、形態不規則。其形成機理源于凝固階段的應力累積:金屬熔體凝固過程中會發生體積收縮，而收縮過程中受到的拉應力，一旦超過TC4鈦合金本身的極限承載應力，就會在組織內部產生裂紋，同時熔體凝固時的氣體未及時排出，便形成了孔隙，這些缺陷會直接破壞成形件的結構完整性，嚴重影響其力學性能與使用可靠性。

試樣2#為經后期熱處理的SLM成形TC4鈦合金,其顯微組織如圖3所示,β柱狀晶內部分布著大量針狀α'馬氏體相。熱處理過程中，高溫持續作用于成形件，為晶界處新晶粒的形核與長大提供了充足能量。高溫環境下，原子活動能力增強，打破了原始粗大β柱狀晶的生長格局，原本取向雜亂、尺寸不均的柱狀晶逐漸變得均勻規整，同時晶粒的定向生長趨勢被有效抑制,避免了粗大柱狀晶的持續外延生長。當熱處理結束后,成形件隨爐緩慢冷卻，冷卻過程中，晶界處的新晶粒進一步形核長大，原本的一部分粗大柱狀晶粒，在溫度梯度的合理調控下，發生相變轉變為細針狀α'馬氏體相，這種相變不僅細化了晶粒，還優化了組織排布。與此同時，熱處理的高溫作用的還能消除部分成形過程中殘留的內應力，促使原本存在的孔隙收縮、閉合，裂紋也因應力釋放而減少甚至愈合，孔隙和裂紋的數量較無后期處理試樣明顯減少，成形件的微觀組織得到了顯著改善，結構完整性也進一步提升。

壓處理的 SLM成形TC4鈦合金試樣 3#中,可以觀察到顯微組織由α相和β相組成，該顯微組織已接近常規鍛件典型的α+β雙相等軸組織。同時，在各向同等壓力均勻作用于成形件表面及內部，并且利用高溫環境提升了原來材料中原子擴散的能力，在共同作用下材料中殘留的孔隙被逐步擠壓、閉合,數量明顯減少。熱等靜壓處理后材料的內應力也得到充分的釋放，原本存在的裂紋被有效修復了，并且顯微組織中再難觀察到明顯裂紋。原始粗大的柱狀β晶粒發生轉變，其中一部分β相在高溫與等向壓力的持續作用下，再經過后續降溫過程逐步轉變為α相，且α相逐漸成為組織中的主體相。α相隨著處理過程的推進進一步粗化、碎裂，這些碎裂后的晶粒在等向壓力的作用下，逐漸打破定向生長趨勢，等軸化程度不斷提高,最終呈現出近似顆粒狀的均勻結構。而以上的結果與僅經后期熱處理的試樣 2#相比，雖然都有效降低了SLM成形件的孔隙率和裂紋數量,但熱等靜壓處理則實現了晶粒的等軸化轉變,進一步優化了組織性能，而單純熱處理對晶粒的球化作用有限，球化效率并不是特別高，也僅僅能使組織中出現細針狀  α ′馬氏體相。

2.2 EDS和 XRD分析

熱等靜壓的處理技術的核心作用是使用高溫與等向壓力的協同作用在試樣上，這種方法相較于未做任何后期處理的試樣1#，試樣3#的組織發生了顯著變化。如圖4所示，在使用后期熱等靜為確保分析的準確性，在試樣1#表面使用隨機選取4個測試點進行能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)檢測，結果顯示了化學元素組成與原始金屬粉末保持了一致性。如圖5所示，其為試樣1#的能量色散X射線光譜EDS分析結果,其主要組成元素為Al、Ti和V。這一現象主要是源于SLM成形的基本機理，整個過程通過激光熔化金屬粉末并快速凝固成型，僅發生物理狀態的變化從而未引入外部雜質元素，也不會導致原始粉末中的元素發生流失或明顯偏聚，因此元素組成能夠與原始粉末保持一致。而圖6所示，其為試樣2#的EDS能譜分析結果，與試樣1#的EDS能譜相比各元素的質量分數也相差很小，主要組成元素都為Al、Ti和V。以上試驗證明了后期熱處理通過高溫調控晶粒形態、消除內應力而未改變試樣原來的化學元素組成，從而不會導致各元素質量分數發生明顯波動僅作用于試樣的微觀組織，因此能譜特征與未處理試樣基本一致。而圖7顯示明顯的變化，主要涉及試樣3#的EDS能譜分析結果，測試點1和測試點3檢測到了主要元素Al、Ti和V，同時發現了少量的Zr和Mo元素。而少量Zr、Mo元素來自使用的工裝夾具或環境介質的輕微污染，這一現象主要是與熱等靜壓處理需在高溫高壓環境下工藝特點相關，也僅在部分測試點可檢測到，污染程度極低從而沒有對主要元素組成造成影響，也不改變試樣的核心性能。

圖8為試樣1#、試樣2#和試樣3#的XRD對比分析結果，無后期處理的SLM成形TC4鈦合金試樣，主要成分包括Mo0.93Zr0.07、AlZr3、Al3Zr5、Al80V20、Al2Mo，以及單質Al和Ti。這是因為SLM成形僅通過激光快速熔化與凝固完成成型，過程中溫度驟升驟降，原子擴散不充分，元素僅發生簡單的物理結合，未形成新的金屬間化合物，因此相組成分主要為原始粉末中元素形成的簡單化合物及單質。經熱處理后的鈦合金試樣，主要成分有AlZr3、TiAl2、TiAl3、Ti2Al、Al4Zr5，以及單質Al，且能明顯發現合金中形成了多種Ti-Al金屬間化合物。其核心機理的是，熱處理的高溫環境為原子擴散提供了充足能量，打破了SLM成形后元素的不穩定分布狀態，促使Ti元素與Al元素充分擴散、結合，進而發生相轉變，形成多種穩定的Ti-Al金屬間化合物，相組成也隨之發生相應變化。熱等靜壓處理后的鈦合金試樣,主要成分除Mo0.93Zr0.07、AlZr3、Al80V20、Al12Mo外，還包括Ti-Al金屬間化合物Ti2Al、Ti5Al11、TiAl3、Ti3Al5、TiAl，以及新相 Ti0.66Al3V0.33。在使用的熱等靜壓技術中，高溫與高壓提升了原子的擴散速率和結合效率，在共同作用下不僅促進了Ti與Al元素的充分反應，從而形成了更多種類的Ti-Al金屬間化合物，而且還推動了部分元素重新組合，例如促使了新相Ti  0.66 Al 3  V 0.33 的生成。而這些新相和金屬間化合物的形成，能夠有效優化合金的微觀結構，從而改善了合金的綜合力學性能。

2.3表面硬度分析

如圖9所示，試驗中選擇了試樣1#、試樣2#和試樣3#的表面硬度對比分析。其中試驗1#是無后期處理的SLM成形鈦合金試樣，該表面維氏硬度測量值為323.38HV，該硬度較低的核心原因在于致密度較差，微觀組織有明顯的缺陷，這些殘留的孔隙、裂紋在受力時易產生應力集中，破壞組織的連續性不能有效傳遞外力，從而導致材料抵抗變形的能力下降，進而使得表面硬度處于較低水平。而通過后期熱處理的鈦合金減少了孔隙和裂紋數量，這使得試樣2#測量的表面維氏硬度提升至385.63HV,抵抗塑性變形的能力增強了。這一結果表明了熱處理的試樣2#能夠細化晶粒讓材料內部結構更致密，從而消除部分內應力且改善了材料組織均勻性，使受力時應力傳遞更均勻。而作為熱等靜壓處理后的鈦合金試樣由于在熱等靜壓的高溫與等向壓力協同作用在材料上，從而讓材料的組織形成近似顆粒狀的均勻細小結構，達到優化了晶粒形態的目的。通過表面維氏硬度檢測試樣3#硬度數值達到455.60HV，這一結果相比于另外的兩件試樣1#和2#硬度實現了大幅度提升，充分表明了利用熱等靜壓技術減少了材料孔隙并徹底修復裂紋，這一變化能夠顯著提升材料致密度和組織完整性，從而能夠提升合金的力學性能，讓材料抵抗變形和磨損的能力大幅增強。相比無后期處理的試樣1#和僅經熱處理的試樣2#，其維氏硬度分別提高了40.9%和18.1%。

3、結論

本文聚焦了鈦合金作為汽車零件材料的應用需求，通過科學研究系統對比了無后期處理、傳統熱處理與熱等靜壓處理的試樣試驗結果，對SLM成形TC4鈦合金微觀組織與力學性能的影響進行深入研究，揭示了熱等靜壓技術在修復材料內部缺陷、優化綜合性能方面的顯著優勢，為汽車使用TC4鈦合金部件的質量提升提供技術支撐。本文主要結論如下:

1)試驗發現了無后期處理 SLM成形TC4鈦合金試樣1#合金組織內存在大量不規則孔隙與裂紋，并且以粗大柱狀晶為主，從而顯著劣化了成形件的力學性能。而經過了傳統熱處理的試樣2#合金組織孔隙與裂紋數量明顯減少，但并未完全消除，僅使得微觀組織得到有效改善，同時合金β柱狀晶內析出大量針狀α'馬氏體相。而通過熱等靜壓處理后的試樣3#其顯微組織由α相和β相構成，發現了組織中的孔隙數量大幅降低、裂紋完全修復，其合金組織無明顯缺陷且呈現了近似顆粒狀。

2)試驗中的三種試樣的主要元素均為Al、Ti、V及少量雜質元素。而無后期處理試樣中存在一定量單質Al與Ti，通過傳統熱處理試樣則生成多種Ti-Al金屬間化合物。但是，在試樣材料經過了熱等靜壓試樣除形成新型Ti-Al金屬間化合物外，還析出Ti0.66Al3V0.33新相。同時，試樣結果表明了熱等靜壓的高溫高壓作用后試樣的維氏硬度達455.60HV，相比較無后期處理、傳統熱處理試樣分別提升40.9%和18.1%，顯著優化了該合金的綜合性能。

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（注，原文標題：熱等靜壓對激光熔化成形鈦合金組織和性能的影響_李祥）

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