前言

激光選區(qū)熔化成形（selective laser melting，SLM）技術是以原型制造技術為基本原理發(fā)展起來的一種先進的激光增材制造技術。通過專用軟件對零件三維數模進行切片分層，獲得各截面的輪廓數據后，利用高能量激光束根據輪廓數據層選擇性地熔化金屬粉末，通過逐層鋪粉、逐層熔化凝固堆積的方式，制造三維實體零件。SLM 技術可實現傳統工藝如鍛造、鑄造、焊接等無法制造的內部有異形復雜結構的高精度、短流程零件的制造，而且成形零件的性能滿足工程使用要求。

鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好、可焊性強等特點，廣泛應用于航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、核動力行業(yè)等領域[1]。TA17 是一種我國基于前蘇聯牌號IIT-3B 合金研制的鈦合金材料 [2]。由于鈦合金本身所具有的高熔點、高熔融態(tài)活性以及大的變形抗力等特點，使得鈦合金從原材料到零件制備成形的成本及難度大大提高，且產量低，周期長。SLM 制造鈦合金具有加工周期短、制造成本低、高柔性化、高強度等特點，在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生等多個專業(yè)領域受到越來越高的重視[3]。

相關研究表明，SLM 成形件強度高、塑性差，需要熱處理方式進一步提高成形件的綜合力學性能，若要達到工程應用，需提高材料塑性，改善材料性能[4]。文中針對該問題，開展不同溫度、冷卻方式下的退火熱處理工藝研究，通過研究退火熱處理前后試驗件的力學性能數據，分析退火熱處理工藝對TA17鈦合金SLM 試驗件的影響，獲得改善材料性能的最優(yōu)熱處理工藝。

1、 研究對象

開展TA17鈦合金激光選區(qū)熔化成形工藝試驗，獲得了TA17鈦合金SLM 試驗件。試驗采用德國EOS M400 金屬快速成形機。設備包含冷卻系統、循環(huán)過濾系統、成型系統、氣體保護系統等多個系統，成形艙成型尺寸為 400 mm×400 mm×400 mm，激光功率≥ 1 000 W。試驗采用橫向雙向鋪粉，通過振鏡調節(jié)激光束掃描成形艙基板每一個零件的斷層輪廓，逐層疊加最終成形整個零件。

對試驗件進行了橫向（XY）/ 縱向（YZ/XZ）的室溫拉伸、高溫拉伸、沖擊試驗測試，結果如表 1、表 2所示。國內對TA17 的力學性能要求如表 3 所示，對比可知，TA17鈦合金SLM 試驗件滿足技術要求[5]。

由表 1~ 表 3 可知，TA17鈦合金SLM 試驗件各項力學性能滿足國內TA17 力學性能要求，具有較高的強度、較低的塑性。為了使材料具有更加良好的綜合力學性能，采用退火熱處理方式來提高材料塑性[6]。

2、 試驗過程及結果

2.1 試驗過程

TA17 是從TC4 演變而來的低合金α 型鈦合金，相變溫度為 965~970 ℃，適當的熱處理能夠有針對性的進一步提高材料的力學性能指標[6-7]。退火熱處理工藝研究主要從熱處理溫度、冷卻方式兩個方面研究退火熱處理對TA17鈦合金SLM 試驗件力學性能的影響。

試驗分為 800~900 ℃空冷（AC）、800~900 ℃爐冷（FC）、900~950 ℃空冷（AC） 3 組不同退火熱處理工藝，具體的工藝指標如表 4 所示。

2.2 室溫拉伸試驗結果

按照GB/T228-2008《金屬材料室溫拉伸試驗方法》標準規(guī)定，對退火熱處理后的 3 組試驗件進行了橫向（XY）/ 縱向（YZ/XZ）的室溫拉伸試驗，結果如圖 1、圖 2 所示。 

分析圖 1、圖 2 可知：

（1）經過熱處理后，TA17鈦合金SLM 試驗件的室溫抗拉強度、屈服強度均明顯地下降，均滿足標準要求；

（2）不同的熱處理方式均會使材料的伸長率有一定提高，而室溫斷面收縮率表現不同；

（3）經過 800~900 ℃空冷（AC）或800~900 ℃爐冷（FC）退火熱處理后，該材料的斷面收縮率明顯降低；

（4）經過 900~950 ℃空冷（AC）退火熱處理后，斷面收縮率有一定提高，表明該材料塑性得到增強；

（5）經過 900~950 ℃空冷（AC）退火熱處理后，縱向YZ/XZ 方向與橫向XY 方向的室溫力學性能數據差異減小，表明該材料整體的室溫力學性能較均衡。

2.3 室溫沖擊試驗結果

按照GB/T229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》標準規(guī)定，對退火熱處理后的 3 組試驗件進行了橫向（XY）/ 縱向（YZ/XZ）的室溫沖擊試驗，結果如圖 3 所示。

分析圖 3 可知，經過 800~900℃空冷（AC）或800~900℃爐冷（FC）退火熱處理后，TA17鈦合金SLM試驗件的沖擊韌性AKU 明顯降低，但經過 900~950 ℃空冷（AC）退火熱處理后，室溫沖擊韌性AKU 有一定增加，該材料的韌性提高。

根據室溫拉伸性能、沖擊性能結果，表明經900~950 ℃空冷（AC）退火熱處理后，TA17鈦合金SLM 試驗件的室溫的塑性、韌性得到提高，為 3 種熱處理工藝中最優(yōu)。選定 900~950 ℃空冷（AC）熱處理后的試件開展 350 ℃高溫拉伸性能試驗。

2.4 高溫拉伸試驗結果

按照GB/T4338-2006《金屬材料高溫試驗方法》標準規(guī)定，對 900~950 ℃空冷（AC）后的TA17鈦合金SLM 試驗件開展高溫拉伸試驗，結果如圖 4、圖 5所示。

根據高溫（350℃）拉伸試驗結果可知，經 900~950 ℃空冷（AC）退火熱處理后：

（1）TA17鈦合金SLM試驗件的高溫（350 ℃）抗拉強度與屈服強度均有明顯降低，滿足技術要求；

（2）縱向YZ/XZ 方向與橫向XY 方向的力學性能數據差異減小，表明該材料整體的力學性能較均衡；

（3）延伸率有顯著提高，與熱處理前相比提高了約 50%；

（4）橫向斷面收縮率略有降低，縱向收縮率有所提高；

（5）橫、縱向的高溫力學性能數據差異減小，表明該材料整體的高溫力學性能較均衡。

綜合來看，TA17鈦合金SLM 試驗件經 900~950℃空冷（AC）退火熱處理后，室溫與高溫（350 ℃）強度顯著降低，延伸率顯著提高，斷面收縮率有所提高，均滿足技術要求。表明該材料的室溫、高溫（350 ℃）的塑性與韌性得到明顯提高。

3、 結論

通過對TA17鈦合金激光選區(qū)熔化成形材料做退火熱處理工藝試驗研究，對比 3 種不同溫度、冷卻方式下的退火熱處理工藝后室溫拉伸、350 ℃高溫拉伸、沖擊試驗性能數據，得到以下結論：

（1）800~900℃空冷或者爐冷熱處理后，該材料的室溫強度降低，塑性提高，但韌性降低。

（2）900~950℃下保溫 2 h 后空冷（AC）為最優(yōu)的退火熱處理工藝方案，在此方案下，該材料的強度降低，塑性與韌性得到明顯提高，整體的力學性能較均衡，滿足技術要求。

參考文獻：

[1]張寧，曹貫宇，冀鵬飛，等. 退火工藝對TA17鈦合金組織及力學性能的影響[J]. 熱加工工藝，2019，48（14）：133-136.

[2]劉鴻，戴訓，石明華. TA16 和TA17 管板組裝焊縫EBSD研究[J]. 稀有金屬材料與工程，2012，41（10）：1756-1760.

[3]梁朝陽，張安峰，梁少端，王等. 高性能鈦合金激光增材制造技術的研究進展[J]. 應用激光，2017，37（3）：452-458.

[4]劉正武，朱小剛，孫靖，等. 激光選區(qū)熔化成形 2Cr13 不銹鋼組織與力學性能研究[J]. 應用激光，2019，39（3）：411-415.

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[6]韓驁桀，周昌玉，常樂，等. 預扭轉及退火熱處理對TA2拉伸力學性能的影響[J]. 稀有金屬材料與工程，2019，48（4）：1231-1238.

[7]宮敏利，李淑英. 二次軋制參數和退火熱處理對TA5-A鈦合金熱軋板力學性能的影響[J]. 機械工程材料，2016，40（1）：75-77，82.