选区激光熔化(SLM)成形的TC4样件强度高、塑性差、各向异性明显。对SLM TC4成形件进行固溶时效、循环退火、循环球化退火＋固溶时效三种热处理，采用光学显微镜、扫描电子显微镜、拉伸试验机对热处理所得成形件进行组织观察和性能测试。研究表明SLM TC4成形件微观组织由马氏体α′和马氏体α″组成，强度为1220 MPa左右，延伸率最高达13%；TC4成形件经热处理后板条α相粗化，有等轴α相产生，板条状α相长宽比降为5左右，固溶时效处理和循环球化退火＋固溶时效处理的TC4成形件组织中产生二次α相；先950 ℃固溶1 h，之后550 ℃保温4 h，此条件下所得成形件的综合力学性能最好，其抗拉强度达到957.9 MPa，延伸率为17.6%，且所有拉伸性能指标的各向异性小于1.2%；循环球化退火＋固溶时效处理的样件塑性很高，延伸率达18.3%，同时强度的各向异性不超过2%，固溶时效与循环球化退火＋固溶时效处理后力学性能超过国家锻件标准。经过循环退火处理的TC4成形件强度损失较大，但塑性与另外两种热处理工艺相差不大。

采用光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、拉伸试验机研究了热处理工艺对激光熔化沉积(LMD)TC4合金微观组织、力学性能及各向异性的影响。结果表明:由于激光能量密度较大,沉积态合金的微观组织为细小的α+β片层及晶界处的魏氏α集束组织,晶界连续,强度最高,塑性与硬度最低,塑性的各向异性最大;在单重固溶时效体系中,随着固溶温度升高,初生α板条不断粗化,晶界断裂程度加剧,硬度不断增加;固溶时效+退火后初生α相的含量最高,塑性最高,但强度最低,硬度居中;在双重固溶时效体系中,随着第二重固溶温度升高,初生α板条进一步粗化,晶界断裂程度加剧,硬度呈下降趋势。经980 ℃/1 h/空冷+550 ℃/4 h/空冷+980 ℃/1 h/空冷+550 ℃/4 h/空冷处理后,晶界基本全部断裂,硬度较低,强塑性匹配较好,塑性的各向异性最小。

研究了激光熔化沉积硼变质TC4钛合金材料在不同应变幅值下的低周疲劳性能。结果表明,激光熔化沉积硼变质TC4样件在0.8%~1.0%应变幅值下的低周疲劳性能与退火态锻件相当。通过对比分析固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4与退火态TC4锻件的微观组织、低周疲劳性能可以发现,当经受高于1.0%的应变幅值时,固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4的网篮组织比TC4退火态锻件的双态组织具有更好的抵抗裂纹扩展的能力。此外,固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金在各种应变幅值下均发生了不同程度的循环软化行为。最后采用扫描电镜对固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金的低周疲劳断口形貌进行了观察,并研究了低周疲劳失效过程中裂纹的扩展过程。

在TC4粉中加入不同含量的硼粉进行激光增材制造试验,研究了硼对激光增材制造TC4钛合金微观组织及力学性能的影响。结果表明:添加微量硼可以有效细化原始柱状晶和晶内的板条α相;当硼的质量分数为0.05%时,原始β柱状晶的生长被限制,柱状晶的宽度明显减小;当硼的质量分数为0.1%时,原始柱状晶大量转变为等轴晶,晶内板条α集束的尺寸减小;对比没有添加硼的激光增材制造TC4,TC4-0.05B的塑性明显提高,但强度的变化不明显;沉积态和固溶时效态TC4-0.05B力学性能的各向异性都较小。

针对激光熔覆沉积TC4钛合金力学性能较低,不能达到锻件标准且力学性能各向异性较大的问题,通过机械搅拌预制不同硼含量的TC4粉体,使用预制粉体进行激光熔覆沉积实验,以达到调控微观组织、提高综合力学性能的目的。结果表明:当硼质量分数为0.050%时,沉积态TC4钛合金的力学性能均超过锻件标准,屈服强度和抗拉强度分别为1049 MPa和1136 MPa,延伸率和断面收缩率分别达到11.50%和33.5%,但塑性各向异性高达30%以上;经过950 ℃×1 h/空冷+500 ℃×4 h/空冷固溶时效热处理后,综合力学性能进一步提高,在保证强度的同时,延伸率和断面收缩率分别达到16.70%和37.3%,且各向异性小于5%。

测量了微锻造处理后激光熔覆沉积TC4试样的残余应力、等轴晶晶粒尺寸和表面粗糙度,并对沉积态、固溶时效态、微锻造-固溶时效态成形件的室温拉伸性能及各向异性进行了对比分析。结果表明:微锻造-固溶时效后,晶粒细化为等轴晶,晶粒大小为70~140 μm;微锻造处理后,成形件在水平方向的塑性显著提升,各方向的拉伸性能均超过锻件,且各向异性小于10%。

研究了激光熔覆沉积Ti6Al4V过程中超声振动对其沉积态及固溶时效成形件微观组织和力学性能的影响。研究结果表明,沉积时超声振动可减小成形件的表面粗糙度和残余应力,使β柱状晶得以细化,成形件强度和延伸率略有升高。成形件经过固溶时效处理后,形成了由等轴α相、网篮片状α相和转变β相组成的混合组织,但晶粒仍然较小,延伸率较高,塑性大幅提升,强度有所降低,综合力学性能超过了锻件标准。

通过在TC4粉末中加入变质剂B,进行了激光熔覆沉积实验。在沉积过程中引入了感应加热,研究了不同工艺条件下TC4熔覆层显微组织的变化。结果表明,当变质剂B和感应加热同时作用时,TC4熔覆层的晶粒细小且分布均匀、无明显β柱状晶,微观组织呈典型的网篮组织。当感应加热温度为900 ℃,B的质量分数分别为0.1%,0.05%和0.025%时,TC4熔覆层的组织由大量片状α相和少量初生α相组成,晶粒的长度为11~18 μm,宽度为4.40~6.90 μm。

在TC4粉末中加入不同含量的Si粉末进行激光熔覆沉积试验,研究了感应加热对试样微观组织的影响。结果表明,在没有引入感应加热的沉积态试样中,Si能够有效地细化柱状晶,柱状晶宽度由285.5 μm减小至12.1 μm。引入感应加热后,试样中柱状晶的宽度未变,但沉积方向上的部分柱状晶被打断,没有形成贯穿生长;晶内组织为α集束,且α片层上析出无规则呈弥散分布的硅化物。

激光增材制造所得沉积态和热处理态的钛合金强度和塑性可以达到锻件水平, 但韧性和疲劳性能明显不如同材质的锻件性能, 如何利用激光增材制造技术获得高性能钛合金是国内外研究的热点之一, 也是一个难题。主要从航空航天和生物医学领域对高性能钛合金激光增材制造技术的迫切需求和应用, 出发重点介绍获取高性能钛合金激光增材制造技术的工艺和方法的尝试及其研究进展, 旨在为高性能钛合金激光增材制造技术的研究探索途径。