采用激光粉末床熔融技术制备的TC17钛合金的微观结构、室温及高温下的力学性能

《Materials Science and Engineering: B》：Microstructure, mechanical properties at room temperature and high temperature of TC17 titanium alloy fabricated by laser powder bed fusion

TC17合金经激光粉末床熔融（LPBF）制备后，通过优化退火（910℃/1h/AC）、固溶处理及时效处理（630℃/4h/AC），室温抗拉强度提升35.9%，400℃塑性提高73%，实现高强度与高韧性平衡。

　　这项研究探讨了激光粉末床熔融（LPBF）技术制造的TC17合金在不同热处理工艺下的室温与高温拉伸性能变化。TC17合金是一种近β型钛合金，其化学成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr，具有高强韧性、良好的硬化能力和优异的抗疲劳性能。由于这些特性，TC17合金被广泛应用于航空航天领域，尤其是在需要承受高达400°C高温的部件，如涡轮叶片、压缩机盘和整体叶盘等。然而，传统锻造工艺在制造大型和关键钛合金结构件时存在诸多局限，如加工周期长、材料利用率低、成品率不高，且难以实现复杂形状的成型。因此，LPBF技术因其能够制造复杂几何结构、提升成型精度和缩短制造周期，成为一种具有潜力的替代方案。

尽管LPBF技术在制造复杂结构件方面表现出色，但其成型过程中的热循环特性导致合金微观结构与传统锻造件存在显著差异。例如，LPBF制造的TC17合金通常表现出较粗的原始β晶粒，包括柱状晶和等轴晶，这些晶粒沿构建方向生长。这种微观结构特征使得合金的机械性能与传统锻造件有所不同，因此，针对LPBF制造的TC17合金的热处理工艺需要特别设计和优化。此外，LPBF制造的TC17合金在未经处理的状态下，虽然具有较高的延展性，但其强度相对较低，无法满足工程应用的要求。因此，如何通过适当的热处理工艺来增强其强度，同时保持良好的室温性能，成为本研究的重点。

本研究通过实验分析，探讨了退火、固溶处理和时效处理对TC17合金室温与高温拉伸性能的影响。研究发现，当TC17合金在910°C进行退火处理后，其室温拉伸性能得到了显著提升。经过最终热处理工艺（910°C/1小时空冷 + 800°C/1小时水淬 + 630°C/4小时空冷）处理的TC17合金，其室温强度比原始沉积状态提高了35.9%。这表明，通过优化热处理参数，可以有效提升TC17合金的机械性能。同时，研究还发现，在400°C高温下，经过特定热处理的TC17合金样品表现出更高的拉伸延展性，比标准样品提高了73%，同时保持了所需的拉伸强度。这种性能的优化对于开发高性能、耐高温的LPBF近β型钛合金具有重要意义。

研究过程中，研究人员对TC17合金的微观结构进行了详细分析。他们发现，LPBF制造的TC17合金在退火过程中，主要通过奥斯特瓦尔德熟化机制促使α相层状结构的增厚。这一过程在650°C至700°C之间达到峰值。此外，研究还指出，在热处理过程中，α相层状结构的边缘和β相之间存在大量的位错，这些位错的分布随着热处理温度的升高而减少。与此同时，终端迁移机制导致α相层状结构的末端逐渐变得圆润，而不是尖锐。这种变化有助于提升TC17合金的塑性。通过调控热处理温度和时间，研究人员能够有效控制α相的形貌和分布，从而优化合金的强度和延展性。

此外，研究还发现，固溶处理和时效处理对TC17合金的微观结构演变具有重要影响。固溶处理能够促进α相的溶解，而时效处理则有助于α相的再析出。通过调整这些处理的参数，可以实现对合金微观结构的精确控制。例如，在固溶处理后，α相的厚度和间距会发生变化，这直接影响了合金的强度和塑性。同时，冷却速率对微观结构的演变也起到关键作用，不同的冷却方式会导致不同的相变行为，从而影响最终的机械性能。

在研究过程中，研究人员还发现，LPBF制造的TC17合金在未经处理的状态下，其微观结构表现出明显的各向异性。这种各向异性主要体现在纵向（L）和横向（T）方向的拉伸性能差异上。与横向方向样品相比，纵向方向样品在原始状态下表现出较低的强度但较高的延展性。经过退火处理后，纵向方向样品的强度显著提高，而延展性则有所下降。相比之下，横向方向样品的强度变化较小，但延展性下降幅度较大。这些发现表明，不同方向的热处理效果存在差异，因此在设计热处理工艺时需要考虑样品的方向性。

为了进一步优化TC17合金的高温性能，研究人员还调整了时效处理的时间。通过实验分析，他们发现，在400°C高温下，经过适当调整的时效处理能够显著提升合金的拉伸延展性，同时保持所需的拉伸强度。这种性能的优化对于开发适用于高温环境的钛合金材料至关重要，尤其是在航空航天领域，许多关键部件需要在高温条件下长期稳定运行。因此，找到一种能够在高温下保持良好性能的热处理工艺，对于提升TC17合金的应用价值具有重要意义。

本研究的结果表明，针对LPBF制造的TC17合金，可以通过合理的热处理工艺实现对其机械性能的优化。这不仅包括提升室温下的强度，还涵盖了高温环境下的延展性和强度保持能力。通过实验分析和理论探讨，研究人员能够系统地理解不同热处理条件对TC17合金微观结构和性能的影响，从而为实际工程应用提供科学依据。此外，研究还强调了热处理工艺对材料性能的调控作用，这对于推动钛合金在增材制造领域的应用具有重要价值。

研究的另一个重要发现是，退火处理对TC17合金的微观结构和性能具有显著影响。在退火过程中，α相的析出和再分布是关键因素，而温度的控制则直接影响这一过程的效果。例如，当退火温度设定为910°C时，TC17合金的室温拉伸性能得到了最佳提升。这表明，910°C是一个关键的温度参数，能够有效促进α相的析出，从而增强合金的强度。同时，研究还发现，退火处理后的合金在高温下表现出更好的延展性，这可能是由于α相的均匀分布和微结构的优化所致。

除了退火处理，固溶处理和时效处理也是影响TC17合金性能的重要因素。固溶处理能够改善合金的均匀性，减少内部应力，从而提升其整体性能。然而，固溶处理后的合金通常需要经过时效处理，以进一步增强其强度。时效处理的时间和温度对合金的性能有显著影响，过长的时效时间可能导致α相的过度析出，从而降低合金的延展性。因此，在设计热处理工艺时，需要在强度和延展性之间找到一个平衡点，以满足不同工程应用的需求。

本研究还强调了热处理对TC17合金微观结构演变的控制作用。通过实验观察，研究人员发现，不同热处理条件下的合金微观结构存在显著差异。例如，在高温退火处理后，α相的厚度和间距发生变化，这直接影响了合金的机械性能。此外，位错的分布和迁移也是影响合金性能的重要因素，合理的热处理工艺能够有效调控这些因素，从而优化材料的性能。这些发现为今后开发更高效的热处理工艺提供了理论支持，同时也为实际应用中的工艺优化提供了参考依据。

总之，这项研究通过系统分析LPBF制造的TC17合金在不同热处理条件下的性能变化，揭示了热处理工艺对合金微观结构和机械性能的关键影响。研究结果表明，通过优化退火、固溶和时效处理的参数，可以显著提升TC17合金的强度和延展性，从而满足高温和复杂工况下的工程需求。这些发现不仅为TC17合金在增材制造领域的应用提供了科学依据，也为其他钛合金的热处理工艺研究提供了有益的参考。未来，随着增材制造技术的不断发展，针对不同合金材料的热处理工艺研究将变得更加重要，以确保其在各种应用场景下的性能稳定性和可靠性。