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本文采用電子束選區(qū)熔化技術(shù)制備了厚度10mm的Ti-6A1-4V合金板，研究了沿沉積方向合金的顯微組織、拉伸性能和顯微硬度的變化。結(jié)果表明：合金組織以α集束和α片層交織的網(wǎng)籃組織為主，底部由于經(jīng)歷多次熱循環(huán)作用，α片層較頂部的略粗大，初生β晶的寬度隨沉積高度增加而略有增大；合金底部、中部和頂部的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈逐漸升高趨勢(shì)，但差異不大；不同沉積高度處的拉伸試樣均表現(xiàn)為韌性斷裂，斷口處存在孔洞和未熔化的球形粉末；合金頂部的平均硬度(約315HV)略高于底部(約295HV)，拉伸后由于應(yīng)變硬化效應(yīng)硬度略有提高。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

     試驗(yàn)原料為Ti-6Al-4V 合金ELI氣霧化粉末，微觀形貌見圖1，其平均粒徑為50μm，粉末的均勻性及球形度都較好。其化學(xué)成分符合GB/T 3620.1—1994要求。

     采用電子束選區(qū)熔化設(shè)備成形Ti-6Al-4V合金板試樣，試樣尺寸為80mm×30mm×10mm。成形前將機(jī)箱抽至真空狀態(tài)，通入適量氮?dú)?，并預(yù)熱操作平臺(tái)。通過軟件設(shè)定掃描路徑并在基板上添加高5mm的網(wǎng)格支撐，如圖2所示，以減弱基板材料對(duì)成形試樣的影響，同時(shí)方便取下成形試樣。成形時(shí)沿指定的掃描路徑熔化金屬粉末。EBSM預(yù)熱參數(shù)及成形過程中的關(guān)鍵參數(shù)見表1。

表1 EBSM預(yù)熱及成形時(shí)的工藝參數(shù)

      將成形試樣的底部xOy面、頂部xOy面及xOz面打磨、拋光，采用由8mL HF、15mL HNO3、77mL H2O組成的試劑腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM)觀察各面的顯微組織及微觀形貌。采用X射線衍射儀(XRD)對(duì)試樣底部、中部和頂部進(jìn)行物相分析。按照GB/T 3075—2008，采用線切割機(jī)在成形件的底部、中部、頂部分別截取拉伸試樣，尺寸如圖3所示，拉伸試樣厚度為2mm，參照GB/T 228—2002，采用250kN電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)結(jié)束后采用掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌。參照GB/T 4340.1—2009，采用數(shù)顯維氏硬度計(jì)測(cè)試?yán)烨昂笤嚇拥娘@微硬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1

顯微組織

     由圖4可知：EBSM成形Ti-6Al-4V合金板試樣頂部及底部xOy面的顯微組織均為α集束和α片層交織的網(wǎng)籃組織；頂部在急熱和急冷的情況下，α片層來不及長(zhǎng)大便已冷卻，而底部受多次循環(huán)熱作用，因此底部α片層較頂部粗大；xOz面上的顯微組織為沿初生β晶界多種取向生長(zhǎng)的α集束和α片層交織的網(wǎng)籃組織，由于晶界處的形核功較低，α相沿初生β晶界優(yōu)先形核生長(zhǎng)；初生β晶寬度隨著沉積高度的增加呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)。另外，由于試樣沉積高度僅為10mm，試樣在不同沉積高度上的α片層大小差異較小。

     由圖5可以看出：EBSM成形Ti-6Al-4V合金試樣的物相類型不隨沉積高度的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變；從底部到頂部，β相的衍射峰逐漸減小，表明隨著沉積高度的增加，β相含量逐漸降低。在成形過程中，多次熱循環(huán)會(huì)使合金結(jié)構(gòu)從非平衡狀態(tài)逐漸過渡到平衡狀態(tài)，試樣底部經(jīng)受的熱循環(huán)次數(shù)較多，結(jié)構(gòu)趨于平衡，因此試樣底部β相含量較多；而試樣頂部未受后續(xù)熱循環(huán)，由熔池直接冷卻凝固形成，冷卻速率較快，形成非平衡組織，因此試樣頂部β相含量較少。

2.2  力學(xué)性能與拉伸斷口形貌

     由表2可以看出，試樣底部、中部和頂部的拉伸試樣屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度依次升高，但相差不大。根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，晶粒尺寸是影響合金屈服強(qiáng)度的重要因素。試樣頂部的α片層較底部的細(xì)小，屈服強(qiáng)度較底部的略高；由于試樣在不同沉積高度上的顯微組織差異較小，試樣在不同高度位置的拉伸性能差異也較小。

表2 EBSM成形Ti-6Al-4V合金試樣沿沉積方向不同高度上的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度

     由圖6可以看出：EBSM成形Ti-6Al-4V合金試樣的拉伸斷口均主要由韌窩組成，這表明該合金的斷裂類型為韌性斷裂；韌窩底部存在孔洞和未熔化的球形粉末。在拉伸過程中，孔洞和未熔化的球形粉末處產(chǎn)生應(yīng)力集中而萌生裂紋。當(dāng)裂紋向試樣內(nèi)部擴(kuò)展時(shí)，孔洞和未熔化的粉末會(huì)成為裂紋連接的節(jié)點(diǎn)，最終導(dǎo)致合金發(fā)生斷裂。

    EBSM成形Ti-6Al-4V合金板試樣頂部xOy面的平均硬度(約315HV)略高于底部xOy面(約295HV)，這是由于頂部xOy面上α片層厚度較小，細(xì)化的α相使得合金的硬度略有提高；由于試樣高度較小，不同沉積高度上的冷卻速率相差不大，α片層厚度差異也不大，使得底部和頂部的硬度差異較小。在經(jīng)過拉伸試驗(yàn)后，頂部xOy面上的平均硬度升高到約326HV，Ti-6Al-4V合金試樣經(jīng)過拉伸后產(chǎn)生了應(yīng)變硬化使得試樣硬度有所提高，但應(yīng)變硬化程度并不顯著，拉伸前后的硬度差異較小。

3 結(jié) 論

     (1) EBSM成形Ti-6Al-4V合金板試樣的顯微組織表現(xiàn)為沿初生β晶界多種取向生長(zhǎng)的α集束和α片層交織的網(wǎng)籃組織，初生β晶粒寬度隨沉積高度增加而增大；底部α片層由于多次熱循環(huán)作用而變得粗大，頂部α片層較底部細(xì)小。

     (2) EBSM成形Ti-6Al-4V合金板試樣從頂部到中部和底部其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈逐漸降低的趨勢(shì)，但由于高度差較低，差異并不顯著；沿沉積方向不同高度的拉伸斷口形貌均表現(xiàn)為韌性斷裂。

     (3) EBSM成形Ti-6Al-4V合金板試樣頂部xOy面的平均硬度(約315HV)略高于底部xOy面(約295HV)；頂部拉伸試樣在經(jīng)過拉伸試驗(yàn)后由于應(yīng)變硬化效應(yīng)，硬度(約326HV)略有提高。