热(re)处理(li)对3D打印(yin)钛(tai)合金(jin)耐蚀(shi)性的(de)影响(xiang)

TC4钛(tai)合(he)金（Ti-6Al-4V）是国(guo)内外广泛使用的钛(tai)合金(jin)，含有6％（质量分数(shu)，下(xia)同(tong)）α相稳定(ding)元(yuan)素(su)Al和4％（质(zhi)量分数，消停(ting)）β相(xiang)稳(wen)定元(yuan)素(su)Ｖ，是(shi)典(dian)型的α＋β钛合(he)金(jin)，以(yi)双态(tai)、等轴、魏(wei)氏(shi)体和(he)网篮(lan)组织为(wei)主。

TC4合金在20～400 ℃具(ju)有(you)良(liang)好的(de)综(zong)合(he)性(xing)能（轻(qing)质、耐热(re)、高(gao)强(qiang)、抗(kang)氧(yang)化、耐(nai)腐(fu)蚀等(deng)），广(guang)泛(fan)用于航空发(fa)动机(ji)的风(feng)扇叶(ye)片(pian)、风(feng)扇盘和(he)转(zhuan)子叶片(pian)。相比(bi)于传(chuan)统铸造(zao)TC4合金(jin)，3D打印TC4合(he)金(jin)无(wu)需(xu)任(ren)何加工磨(mo)具，工艺(yi)快速(su)简(jian)单，同时(shi)避免(mian)了(le)TC4合(he)金成(cheng)型加工(gong)困(kun)难(nan)的(de)缺点(dian)，特(te)别适(shi)合制造(zao)大型复杂钛(tai)合(he)金(jin)关(guan)键结(jie)构(gou)件[1－2]。

在(zai)海(hai)洋(yang)性(xing)大(da)气环(huan)境(jing)中，钛(tai)合金(jin)可以在(zai)表面(mian)形(xing)成(cheng)稳(wen)定的氧化(hua)膜(mo)，同时具(ju)备良(liang)好的(de)耐(nai)蚀性。然而(er)，航(hang)空发动(dong)机用关(guan)键(jian)钛合金(jin)零部件长期(qi)服(fu)役(yi)于(yu)高(gao)温(wen)、高(gao)压、高湿(shi)、高(gao)盐及高(gao)速(su)微动磨损(sun)等(deng)多(duo)重(zhong)极(ji)端(duan)恶(e)劣(lie)条件(jian)下，其耐(nai)蚀(shi)性可(ke)能会(hui)因(yin)恶(e)劣(lie)服(fu)役环(huan)境的(de)影响而(er)大(da)幅降低。研(yan)究(jiu)表明：腐蚀环境(jing)、微观(guan)组织(zhi)、化(hua)学(xue)元(yuan)素含(han)量和(he)相的(de)形(xing)态(tai)均会(hui)对(dui)钛(tai)合金的(de)耐蚀(shi)性(xing)产生影响。张玮(wei)航(hang)等[3]研究了3D打印(yin)参数对(dui)TC4合(he)金(jin)耐(nai)蚀性(xing)的影响，结(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，3D打印功率越低(di)、扫(sao)描速率越(yue)慢，钛合(he)金(jin)的耐蚀性越(yue)好；ＡＬＡＧＩＣ等[4]的(de)研(yan)究(jiu)表(biao)明(ming)，与(yu)具有(you)α＋β两(liang)相组织的(de)Ti-6Al-4V合(he)金(jin)相(xiang)比(bi)，具(ju)有(you)单相(xiang)马(ma)氏体(ti)组(zu)织的Ti-13Nb-13Zr合(he)金的耐(nai)蚀性(xing)更好(hao)； 何博(bo)文(wen)等(deng)[5]采用电(dian)化学(xue)腐蚀方法(fa)比较(jiao)了3D打(da)印(yin)钛合(he)金与铸(zhu)造(zao)钛(tai)合(he)金的耐蚀性(xing)，结果(guo)表明，3D 打印ＴＣ11钛(tai)合金(jin)的α＋β网(wang)篮(lan)组织(zhi)较锻(duan)件组(zu)织(zhi)细(xi)小(xiao)，具有(you)更好(hao)的(de)耐蚀(shi)性(xing)，双(shuang)重(zhong)退火(huo)热处理后(hou)，α相含量(liang)增(zeng)多(duo)并(bing)粗化，耐蚀性(xing)略有下降(jiang)。然(ran)而，已(yi)有文(wen)献(xian)大(da)多(duo)针(zhen)对打印参数或者(zhe)单(dan)一热(re)处理(li)工艺对(dui)钛合(he)金耐(nai)蚀(shi)性的影响，而本(ben)工(gong)作研究(jiu)了(le)多种(zhong)热处理(li)工(gong)艺对(dui)钛(tai)合(he)金(jin)耐(nai)蚀(shi)性的影(ying)响，以(yi)期(qi)为3D 打印钛合(he)金(jin)的(de)热(re)处(chu)理(li)提供借(jie)鉴(jian)。

1、试验

采用激(ji)光(guang)立体(ti)成型设备对(dui)TC4钛合(he)金球(qiu)形(xing)粉末(mo)进(jin)行(xing)3D打(da)印(yin)，TC4粉末采(cai)用(yong)等离子旋(xuan)转(zhuan)电(dian)极(ji)法(fa)制备(bei)，试(shi)样(yang)的(de)成(cheng)形参(can)数(shu)如下：激光功(gong)率2　800Ｗ；扫描(miao)速(su)率(lv)800～1000mm／min；送粉(fen)器示数(shu)10～20；光斑直(zhi)径(jing)5mm；载(zai)粉气流(liu)量(liang)７～10Ｌ／min；镜(jing)头(tou)保(bao)护气(qi)流量(liang)20～25Ｌ／min；Ｚ轴(zhou)单(dan)层行(xing)程1mm；搭接(jie)率(lv)50％。单层(ceng)扫描采用(yong)往(wang)复扫描方(fang)式(shi)，通(tong)过在已有(you)沉积(ji)层(ceng)上(shang)反(fan)复(fu)进行(xing)新层(ceng)的搭(da)接最终形(xing)成(cheng)尺寸(cun)为(wei)120mm×60mm×30mm的(de)厚板(ban)。

打印完成(cheng)后(hou)，取(qu)三块(kuai)相同(tong)的试板进(jin)行(xing)如(ru)下处理(li)：第(di)一(yi)组(zu)不进(jin)行(xing)处(chu)理，记(ji)作1号(hao)试样(yang)；第二(er)组(zu)进行(xing)时(shi)效(xiao)处(chu)理（550℃保温4ｈ，空冷(leng)），记(ji)作(zuo)2号试样(yang)；第(di)三组(zu)进(jin)行(xing)固(gu)溶(rong)时(shi)效处(chu)理（950℃保温(wen)4ｈ后，550℃保温4ｈ，水冷），记作(zuo)3号(hao)试样(yang)。将三(san)种(zhong)试样分别取样(yang)进(jin)行显微组织(zhi)观察，随后(hou)在1mol／Ｌ盐酸溶液(ye)中(zhong)进(jin)行电化(hua)学腐蚀试(shi)验(yan)。微观组(zu)织观(guan)察试(shi)样(yang)尺寸(cun)为(wei)15mm×15mm×10mm。试样经镶(xiang)嵌、打磨(mo)、抛光(guang)后用(yong)体积(ji)比为1:3:50的(de)氢氟(fu)酸(suan)和(he)硝酸混(hun)合(he)水溶(rong)液进(jin)行(xing)腐蚀(shi)。采(cai)用(yong)Ａｘｉｏ　Ｉｍａｇｅｒ　Ｍ2ｍ 显微镜观察(cha)试(shi)样的显(xian)微(wei)组织，采用(yong)Ａｘｉｏ　Ｖｉｓｉｏｎ软(ruan)件(jian)统计组(zu)织中不同(tong)相(xiang)的含(han)量(liang)。

电化学(xue)腐蚀(shi)试验(yan)在室(shi)温1mol／Ｌ盐(yan)酸溶液(ye)中(zhong)进(jin)行。试验(yan)采用(yong)三(san)电(dian)极体系，铂(bo)片(pian)为辅助(zhu)电极，饱和甘汞(gong)电(dian)极(ji)（ＳＣＥ）为(wei)参比电极(ji)，试(shi)样为工作电(dian)极。测(ce)试(shi)前，将试样钎(qian)焊(han)在细铜导线(xian)上(shang)后(hou)用(yong)环(huan)氧树脂封(feng)装(zhuang)，工(gong)作(zuo)表(biao)面(mian)（10mm×10mm）采用砂纸(zhi)逐(zhu)级(ji)打磨并抛(pao)光(guang)后，使用无水乙醇(chun)超声(sheng)清洗。将试(shi)样浸(jin)泡在(zai)试验溶(rong)液中测(ce)量其开路电位(wei)；电化学阻(zu)抗测(ce)试的(de)扫描频率(lv)为10－2～105Hz。动(dong)电位极化(hua)曲(qu)线的扫描(miao)速率为0.16７mV/s，测试范围为－0.5～＋0.5Ｖ（相(xiang)对开(kai)路(lu)电(dian)位），测试(shi)结果(guo)采(cai)用Ｚｖｉｅｗ软件进行(xing)拟合(he)[6－8]。

2、结(jie)果与(yu)讨论(lun)

2.1　显(xian)微(wei)组(zu)织

由(you)图(tu)1可见(jian)：3D打(da)印(yin)TC4钛合金(jin)的显微组织(zhi)为(wei)α＋β网篮组织，其中(zhong)，沉(chen)积态(tai)（1号(hao)试样）的(de)组织(zhi)为细针状α＋β网篮组织(zhi)，针(zhen)状α相平(ping)均宽(kuan)度约为0.4μｍ；经(jing)时效处理后（2号(hao)试样），试样(yang)组(zu)织(zhi)仍(reng)为(wei)α＋β网(wang)篮组(zu)织，α相粗化，平均宽度约为(wei)0.8μｍ，且α相(xiang)含量增(zeng)加(jia)；经(jing)固溶(rong)时(shi)效(xiao)水(shui)冷处(chu)理(li)后(hou)（3号(hao)试(shi)样），试(shi)样(yang)组(zu)织明显粗(cu)化(hua)，转变为(wei)特(te)殊(shu)的α＋β网篮组织(zhi)，由(you)粗大(da)的(de)片层α相（平均(jun)宽(kuan)度(du)约(yue)为(wei)2μｍ）和细(xi)小针(zhen)状α相(xiang)（平均宽(kuan)度约(yue)为0.6μｍ）组成[9]。

采(cai)用Ａｘｉｏ　Ｖｉｓｉｏｎ软件对(dui)三(san)种试样组(zu)织(zhi)中的α相(xiang)含(han)量(liang)进行测试(shi)，结果表(biao)明：1号(hao)试(shi)样(yang)组(zu)织(zhi)中的(de)α相质(zhi)量分数(shu)约(yue)为51％；经(jing)时效处理(li)后(hou)的(de)2号(hao)试样，其α相的(de)质(zhi)量(liang)分(fen)数(shu)约(yue)为58％；经(jing)固(gu)溶时效水冷(leng)处理的3号(hao)试样，α相的质(zhi)量分数约(yue)为(wei)65％。

2.2　电(dian)化(hua)学(xue)试(shi)验

2.2.1极化(hua)曲线(xian)

由(you)图(tu)2和(he)表(biao)1可见，三种试(shi)样(yang)在1mol／Ｌ盐(yan)酸(suan)溶液中的极(ji)化曲(qu)线相(xiang)似(shi)；3D打印TC4钛合金(jin)经(jing)热(re)处理(li)后，开(kai)路(lu)电(dian)位有所升(sheng)高；三(san)种(zhong)试样的腐(fu)蚀(shi)电(dian)流密度(du)由小(xiao)到大依次(ci)为(wei)1号试(shi)样(yang)、2号(hao)试(shi)样(yang)、3号试(shi)样(yang)。

一(yi)般来(lai)说，开(kai)路(lu)电位(wei)并(bing)不能完(wan)全反映材(cai)料(liao)的(de)耐(nai)蚀性(xing)，开(kai)路(lu)电(dian)位的(de)高低与TC4钛(tai)合(he)金在(zai)盐(yan)酸溶液(ye)中(zhong)开始腐蚀(shi)的孕育期(qi)也有(you)一定(ding)的(de)关(guan)系[10－12]，综(zong)合(he)开路(lu)电位(wei)与(yu)腐(fu)蚀(shi)电流(liu)密度，三种试(shi)样在(zai)1mol／Ｌ盐(yan)酸溶(rong)液中(zhong)的(de)耐(nai)蚀(shi)性(xing)由强到弱依次为(wei)沉积态（1号(hao)）试(shi)样(yang)、时效(xiao)态（2号）试样(yang)和(he)时(shi)效(xiao)水冷(leng)态（3号(hao)）试样(yang)。

2.2.2电(dian)化(hua)学阻抗谱(pu)

由(you)图(tu)3可(ke)见(jian)：三(san)种试(shi)样(yang)的(de)电化学阻抗(kang)均为单一(yi)的(de)容抗(kang)弧（一(yi)个时间(jian)常数(shu)）。根(gen)据(ju)容抗(kang)弧(hu)特(te)征，选取(qu)图(tu)4所示等(deng)效电(dian)路对阻(zu)抗谱进行(xing)拟合(he)，其(qi)中Ｒｓ为(wei)溶(rong)液电(dian)阻(zu)，ＣＰＥ为(wei)双(shuang)电层(ceng)常(chang)相位角(jiao)元(yuan)件，Ｒｐ为(wei)极化电(dian)阻。电(dian)化学(xue)阻(zu)抗(kang)谱的拟(ni)合结果见(jian)表(biao)2，通(tong)常极化(hua)电(dian)阻(zu)Ｒｐ越(yue)大，试样的(de)耐蚀(shi)性越高。由图(tu)3和表(biao)2可见(jian)：三(san)种试样的耐(nai)蚀性(xing)由(you)强(qiang)到(dao)弱依次为(wei)沉积态（1号(hao)）试样、时(shi)效(xiao)态（2号(hao)）试样(yang)和时效水(shui)冷(leng)态(tai)（3号(hao)）试(shi)样，这与动(dong)电(dian)位极(ji)化(hua)曲线的结果(guo)一(yi)致。

2.3　讨(tao)论(lun)

综(zong)合(he)显(xian)微(wei)组(zu)织观察与电(dian)化学(xue)测试(shi)结果，3D打(da)印(yin)钛(tai)合金在(zai)1mol／Ｌ盐(yan)酸溶液(ye)中的耐(nai)蚀(shi)性受(shou)后续(xu)热处(chu)理(li)的影(ying)响(xiang)会发生变(bian)化(hua)，沉(chen)积态(tai)试(shi)样的(de)耐(nai)蚀性(xing)最好，时效(xiao)态(tai)试样的(de)次之(zhi)，时效水冷态试样(yang)的最(zui)差。显微组织(zhi)差异是(shi)造成(cheng)沉(chen)积态试样(yang)和(he)后续(xu)热处理试样(yang)耐蚀(shi)性(xing)差异的根本原因(yin)。

热(re)处(chu)理(li)会(hui)对3D打(da)印(yin)TC4钛(tai)合(he)金(jin)的耐蚀(shi)性产(chan)生影(ying)响(xiang)，这(zhe)是因(yin)为：首(shou)先(xian)，根(gen)据张(zhang)敏等(deng)的研(yan)究(jiu)结果，α相中(zhong)Ｍｏ元素的(de)含(han)量(liang)比(bi)β相中(zhong)的(de)低(di)，而(er)Ｍｏ元素(su)能(neng)够极大(da)地(di)提(ti)高(gao)钛(tai)合(he)金(jin)表面钝化(hua)膜(mo)在含(han)Ｃｌ－ 溶(rong)液(ye)中(zhong)的(de)稳(wen)定(ding)性(xing)并(bing)增加合金(jin)的(de)耐(nai)蚀性，所以(yi)α相的(de)耐蚀(shi)性比β相(xiang)的差(cha)。沉(chen)积(ji)态试样的(de)α相(xiang)含(han)量(liang)最低(di)，后续热处理(li)使(shi)得α相析(xi)出(chu)，含(han)量(liang)升(sheng)高(gao)，故3D打(da)印TC4钛合金(jin)经热(re)处(chu)理(li)后(hou)耐(nai)蚀(shi)性减(jian)弱(ruo)。其次，3D打印TC4钛合(he)金(jin)经(jing)热(re)处(chu)理后合金组(zu)织(zhi)出现一(yi)定程(cheng)度的粗(cu)化，耐(nai)蚀性(xing)减(jian)弱。最(zui)后，3D打(da)印(yin)TC4钛(tai)合(he)金经(jing)水冷(leng)处(chu)理(li)后出(chu)现粗(cu)大片(pian)层(ceng)α相和(he)细小(xiao)针状(zhuang)α相，组(zu)织变得更不(bu)均(jun)匀(yun)，耐(nai)蚀性变(bian)得更差。

3、结论

（1）在盐酸(suan)溶液中(zhong)，3D打(da)印TC4钛(tai)合(he)金经(jing)热处(chu)理(li)后耐蚀(shi)性有所(suo)差(cha)异，沉(chen)积态(tai)的最(zui)好，时效态的(de)次之(zhi)，时效(xiao)水冷(leng)态(tai)的最(zui)差(cha)；

（2）3D打印(yin)TC4合(he)金(jin)经热(re)处理后(hou)耐(nai)蚀性(xing)差(cha)异的(de)主(zhu)要原(yuan)因是(shi)组织差异；

（3）结合本文结(jie)论(lun)，可对3D打(da)印(yin)钛(tai)合金热(re)处理(li)提供一定的借鉴(jian)意(yi)义(yi)，在保证(zheng)其他性(xing)能(neng)满(man)足(zu)要求的(de)情(qing)况(kuang)下(xia)，可(ke)尽(jin)量降低α相(xiang)析出，并(bing)提高组织(zhi)均匀(yun)性(xing)，从而提高(gao)材(cai)料的耐蚀(shi)性。

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