Ti-4Al-3V（TC4）鈦合金是一種中等強度的兩相鈦合金，具有強度高、密度低、耐腐蝕性能良好等 特點[1]，在航空航天、船舶等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代航空航天等領(lǐng)域在高載荷、高燃燒效率等方 面需求的提高，鈦合金需要具有更高的硬度、強度、抗蠕變性能等以滿足使用需求[2-3]。目前鑄態(tài)和鍛 態(tài)的鈦合金在抗拉強度、強塑性能等方面與航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用需求仍然有差距[4]，而采用3D打印即 快速成型技術(shù)可以實現(xiàn)鈦基復(fù)合材料的加工，該技術(shù)以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用金屬粉末等可粘合材料在 激光熱輸入作用下逐層打印來獲取所需要的成形件[5-6]，具有生產(chǎn)效率高、制造靈活以及可打印復(fù)雜形 狀零部件等的優(yōu)點，在現(xiàn)代航空航天、船舶等領(lǐng)域有著良好應(yīng)用前景[7]。在此基礎(chǔ)上，本文嘗試性采用 3D打印技術(shù)制備了不同Ｃ含量（質(zhì)量分數(shù)）的Ti-4Al-3V-ｘＣ鈦合金（ｘ＝0， 0.12，0.23，0.39和0.62），對比分析了不同Ｃ含量鈦合金的顯微組織、硬度、蠕變性能和拉伸性能 ，結(jié)果將有助于高綜合性能的鈦合金復(fù)合材料的開發(fā)，并推動其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。

1、試驗材料與方法

1.1　試驗材料

試驗原料為粒徑125μm的Ti-4Al-3V（TC4）鈦合金粉末、粒徑60μm的Ｃ粉，純度都為99.８％。

1.2　制備方法

為了制備不同Ｃ含量的Ti-4Al-3Ｖ-ｘＣ鈦合金（ｘ＝0，0.12，0.23，0.39和0.62， 質(zhì)量分數(shù)，下同），按成分配置將粉末置于行星球磨機中，以350ｒ／ｍｉｎ速度混合均勻后噴入氣溶膠 （體積分數(shù)2.８％的聚乙烯醇）繼續(xù)攪拌15ｍｉｎ，得到混合粉末預(yù)聚體[８]。分別采用ＹＡＧ激光器 和ＣＯ2激光器3Ｄ打印鈦合金（激光立體成形），其中，ＹＡＧ激光器的功率為1kW、脈寬7ms、頻 率15Hz、光斑直徑1mm、掃描速度3mm/ｓ、載氣流量6L/min、送粉量4g/min，CO2激光器的功率為 1.5ｋＷ、光斑直徑2mm、掃描速度10mm／ｓ、載氣流量6L/min、送粉量4g/min。

1.3　測試方法

采用線切割方法切割塊狀試樣，磨拋和Ｋｒｏｌｌ試劑腐蝕后采用ＪＥＯＬ　ＪＳＭ-6400型掃描電鏡 觀察顯微形貌并用能譜儀測試成分；使用ＤＵＨ-222Ｂ型納米壓痕儀測試納米硬度，加載載荷和速率分別 為1.96ｍＮ和45ｍＮ/ｓ，保壓時間控制在40ｓ，分別得到硬度、彈性模量、蠕變等結(jié)果[9]；拉伸性 能使用納克ＧＮＴ300電子拉伸試驗機進行測試，溫度為室溫，結(jié)果取6根試樣平均值，拉伸速率為1mm /min。

2、試驗結(jié)果與分析

圖1為不同制備工藝下激光3Ｄ打印Ti-4Al-3Ｖ-0.62Ｃ鈦合金的顯微組織。對比分析可知，采用ＹＡ Ｇ激光器和CO2激光器3Ｄ打印鈦合金的顯微組織存在明顯差異，雖然在凝固后纖維組織中都存在亮白色 的ＴｉＣ顆粒，但是ＴｉＣ顆粒的尺寸、分布和面積分數(shù)都不同。

其中，采用ＹＡＧ激光器3D打印鈦合金中的TiC顆粒尺寸細小、分布均勻，而CO2激光器3Ｄ打 印鈦合金中的TiC顆粒尺寸較大、數(shù)量較小。整體而言，采用ＹＡＧ激光器3Ｄ打印鈦合金中的TiC顆粒尺寸和分布符合預(yù)期要求[10]，后續(xù)主要采用ＹＡＧ激光器3Ｄ打印。

圖2為激光3Ｄ打印鈦合金的載荷-位移曲線和力學(xué)性能，分別列出了Ｃ含量為0.12％、0.23％、 0.39％和0.62％時鈦合金的載荷-位移曲線、硬度和彈性模量。從圖2（ａ）的載荷-位移曲線可知，隨著 鈦合金中Ｃ含量增加，納米壓痕深度逐漸減小，且含Ｃ的鈦合金的納米壓痕深度都小于不含Ｃ的鈦合金， 由此可見，在鈦合金中加入Ｃ有助于減小納米壓痕深度。從圖2（ｂ）的硬度和彈性模量測試結(jié)果看，添加Ｃ 的鈦合金的硬度和彈性模量都高于未添加Ｃ的鈦合金，且隨著Ｃ含量從0.12％增加至0.62％，含Ｃ 鈦合金的硬度和彈性模量逐漸增加，在Ｃ含量為0.62％時，含Ｃ鈦合金的硬度從2.72ＧＰａ增加至4.2８Ｇ Ｐａ，彈性模量從70.3ＧＰａ增加至100.9ＧＰａ，這主要是因為在鈦合金中加入Ｃ可以起到固溶強化和 析出強化作用[11-12]，且Ｃ含量越高則3Ｄ打印鈦合金中ＴｉＣ的析出量會越多，第二相強化作用愈發(fā) 顯著，硬度提升的同時彈性模量增大[13]。

 圖3為激光3Ｄ打印鈦合金的蠕變性能測試結(jié)果，分別列出了荷載-位移、蠕變深度-保壓時間和蠕 變速率-保壓時間曲線。從圖3（ａ）的荷載-位移曲線可知，含Ｃ的鈦合金的蠕變深度都小于不含Ｃ的 鈦合金，且隨著Ｃ含量增加，蠕變深度呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，可見在鈦合金中加入Ｃ可以一定程度上提升其抗 蠕變性能；從圖3（ｂ）的蠕變深度-保壓時間曲線可知，隨著保壓時間的延長，不同Ｃ含量的鈦合金的蠕 變深度都呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，但是在相同保壓時間下，含Ｃ鈦合金的蠕變深度都小于不含Ｃ鈦合金，且Ｃ 含量越高則鈦合金的蠕變深度越小。從圖3（ｃ）的蠕變速率-保壓時間曲線可知，隨著保壓時間的延長 ，不同Ｃ含量的鈦合金的蠕變速率都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，在相同保壓時間下，不含Ｃ鈦合金的蠕變速率 最大。整體而言，在鈦合金中加入Ｃ可以有助于材料抗蠕變性能提升。

 圖3為激光3Ｄ打印鈦合金的蠕變性能測試結(jié)果，分別列出了荷載-位移、蠕變深度-保壓時間和蠕 變速率-保壓時間曲線。從圖3（ａ）的荷載-位移曲線可知，含Ｃ的鈦合金的蠕變深度都小于不含Ｃ的 鈦合金，且隨著Ｃ含量增加，蠕變深度呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，可見在鈦合金中加入Ｃ可以一定程度上提升其抗 蠕變性能；從圖3（ｂ）的蠕變深度-保壓時間曲線可知，隨著保壓時間的延長，不同Ｃ含量的鈦合金的蠕 變深度都呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，但是在相同保壓時間下，含Ｃ鈦合金的蠕變深度都小于不含Ｃ鈦合金，且Ｃ 含量越高則鈦合金的蠕變深度越小。從圖3（ｃ）的蠕變速率-保壓時間曲線可知，隨著保壓時間的延長 ，不同Ｃ含量的鈦合金的蠕變速率都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，在相同保壓時間下，不含Ｃ鈦合金的蠕變速率 最大。整體而言，在鈦合金中加入Ｃ可以有助于材料抗蠕變性能提升。

合金的位錯密度都高于不含Ｃ鈦合金，且含Ｃ鈦合金的位錯密度隨著Ｃ含量增加逐漸增大，在Ｃ含量 為0.62％時達到最大值（9.21×10¹²ｃｍ^－2）。這主要是因為隨著Ｃ含量增加，鈦合金的硬度最大， 壓頭壓入過程中形成的加工硬化效果愈發(fā)顯著[14]，塑性變形過程中位錯會不斷增殖而使得位錯密度升高 。但是鈦合金中Ｃ含量并不是越高越好，如果Ｃ含量過高，硬度增加的同時會一定程度上影響塑性和韌性，因此，需要找到合適的Ｃ添加量以實現(xiàn)良好的強塑性和韌性結(jié)合。

圖5為激光3Ｄ打印鈦合金的拉伸性能測試結(jié)果。從圖5（ａ）的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，含Ｃ和不含Ｃ 鈦合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都較為相似，都存在彈性變形、屈服和強化階段，斷裂時不含Ｃ的鈦合金應(yīng)變最 大，而Ｃ含量越高則鈦合金斷裂時的應(yīng)變越小，相應(yīng)地塑性越差；從圖5（ｂ）的強度和斷后伸長率測 試結(jié)果可知，含Ｃ鈦合金的抗拉強度和屈服強度都高于不含Ｃ鈦合金，而斷后伸長率都低于不含Ｃ鈦合金 ，尤其是當(dāng)Ｃ含量增加至0.39％及以上時，含Ｃ鈦合金的斷后伸長率下降較為明顯。當(dāng)Ｃ含量為0.23％ 時，3D打印鈦合金的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率分別為1　07８ＭＰａ、921ＭＰａ和11.6％，高 于鑄造TC4鈦合金（抗拉強度≥８60ＭＰａ、屈服強度≥75８ＭＰａ、斷后伸長率≥８％）和鍛態(tài) TC4鈦合金（抗拉強度≥930ＭＰａ、屈服強度≥８60ＭＰａ、斷后伸長率≥10％），具有相對較好的 綜合性能。

 圖6為激光3D打印Ti-4Al-3V-0.23Ｃ鈦合金的顯微組織。可見，在鈦合金內(nèi)部存在不規(guī)則形 狀的棒狀或者片狀析出物，能譜分析表明其主要含有Ｔｉ和Ｃ元素，結(jié)合文獻可知，這些不規(guī)則形狀的 析出物為TiC，在鈦合金中可以起到顆粒增強作用，但是較大尺寸的TiC會形成裂紋源而降低塑性 。結(jié)合前述的測試結(jié)果可知，在鈦合金中加入Ｃ，其中一部分Ｃ會以固溶形式存在并起到固溶強化作用 ，而另一部分Ｃ則會與Ｔｉ發(fā)生反應(yīng)而形成形狀不規(guī)則的TiC，細小彌散的顆粒狀TiC可以起 到顆粒強化作用，而較大尺寸的TiC則會產(chǎn)生應(yīng)力集中并萌生裂紋而降低塑性和韌性。

3、結(jié)論

1）隨著鈦合金中Ｃ含量增加，納米壓痕深度逐漸減小，且含Ｃ的鈦合金的納米壓痕深度都小于不含 Ｃ的鈦合金，由此可見，在鈦合金中加入Ｃ有助于減小納米壓痕深度。

2）含Ｃ鈦合金的位錯密度都高于不含Ｃ鈦合金，且含Ｃ鈦合金的位錯密度會隨著Ｃ含量升高而逐漸增 大，在Ｃ含量為0.62％時位錯密度達到9.21×1012ｃｍ－2。

3）含Ｃ鈦合金的抗拉強度和屈服強度都高于不含Ｃ鈦合金，而斷后伸長率都低于不含Ｃ鈦合金， 尤其是當(dāng)Ｃ含量增加至0.39％及以上時，含Ｃ鈦合金的斷后伸長率下降較為明顯。當(dāng)Ｃ含量為0.23％時， 3Ｄ打印鈦合金的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率分別為1　07８ＭＰａ、921ＭＰａ和11.6％。

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