为满(man)足(zu)新一代(dai)飞行(xing)器(qi)轻量(liang)化(hua)、长寿(shou)命(ming)的(de)需求(qiu)，其结构(gou)件逐(zhu)步(bu)向大型(xing)化、整(zheng)体(ti)化趋(qu)势(shi)发(fa)展[1]。目前(qian)大(da)型轻(qing)合(he)金连接(jie)结(jie)构在航空(kong)航天(tian)领域的(de)应(ying)用越(yue)来(lai)越广泛[2-5]，但(dan)传(chuan)统(tong)锻造(zao)工艺的难(nan)度(du)随(sui)着(zhe)结构(gou)件(jian)尺(chi)寸的(de)增(zeng)大而(er)急(ji)剧(ju)增加，在(zai)后(hou)续(xu)加(jia)工(gong)过(guo)程中(zhong)还(hai)存在周(zhou)期(qi)长(zhang)、成(cheng)本(ben)高(gao)等问题(ti)，无法(fa)满(man)足(zu)当前航空航天(tian)大型(xing)整(zheng)体结构的制(zhi)造需求(qiu)[6]。同(tong)时，传统(tong)的铆(mao)接(jie)和螺纹连(lian)接方式(shi)增(zeng)加(jia)了(le)结构(gou)件的(de)整(zheng)体质(zhi)量，传统的(de)焊接过程(cheng)带(dai)来较大(da)的热(re)输入(ru)使得(de)焊接区域的力(li)学(xue)性(xing)能明(ming)显受(shou)损(sun)，且易导(dao)致大(da)型(xing)构件变形(xing)，因此，亟(ji)待研发(fa)一种(zhong)新型连接方式以满(man)足(zu)大型(xing)整(zheng)体(ti)构(gou)件制(zhi)造需求[7-8]。激(ji)光(guang)增材(cai)连(lian)接技(ji)术(shu)是基于(yu)激(ji)光同(tong)轴(zhou)送(song)粉(fen)增(zeng)材(cai)制造(zao)技术(shu)，在两个(ge)结构(gou)件(jian)的坡(po)口间(jian)逐(zhu)层填充材料(liao)，最终(zhong)实(shi)现金(jin)属(shu)基材(cai)的整体(ti)连(lian)接(jie)。同(tong)时(shi)，该(gai)技(ji)术(shu)也具有成(cheng)形件尺寸及结构几乎(hu)不(bu)受限(xian)制、接(jie)头(tou)内(nei)部(bu)组织(zhi)致(zhi)密且力学性能良(liang)好(hao)、工(gong)艺柔性高且(qie)制(zhi)造成本低等(deng)优势[9]。TC4钛合金(jin)因其(qi)比(bi)强度(du)高(gao)、耐腐蚀性(xing)好、韧(ren)性高而广泛(fan)应用于航(hang)空(kong)航(hang)天领域(yu)，目(mu)前已(yi)在飞(fei)行(xing)器大型(xing)框梁结构(gou)成(cheng)功(gong)应用[10-13]。未(wei)来为(wei)了应(ying)对运载火箭(jian)、飞机(ji)燃(ran)气(qi)轮(lun)机(ji)与发(fa)动(dong)机(ji)等(deng)大(da)型(xing)钛(tai)合(he)金构(gou)件连接(jie)所(suo)带来的(de)挑战(zhan)，迫(po)切需(xu)要引入(ru)激(ji)光(guang)增(zeng)材(cai)连(lian)接技术，以实(shi)现大厚(hou)度(du)结(jie)构件连(lian)接高(gao)效(xiao)率(lv)、高(gao)质(zhi)量的(de)一体(ti)化(hua)制造(zao)[14]。
目(mu)前(qian)，大(da)多数学(xue)者采用电子(zi)束(shu)焊(han)接技术(shu)对(dui)大厚度(du)结(jie)构件进行连(lian)接。IRVING等[15]利用电子束焊(han)接(jie)技术实(shi)现了(le)50 mm厚(hou)板(ban)TC4钛(tai)合(he)金的焊(han)接，并优(you)化工(gong)艺(yi)参(can)数(shu)以降(jiang)低(di)构件(jian)整体残余(yu)应(ying)力(li)。RAE等(deng)[16]进行了(le)厚(hou)板(ban)钛合金(jin)环的(de)电(dian)子束(shu)焊接(jie)，研(yan)究(jiu)了接(jie)头(tou)中(zhong)微观(guan)组织与(yu)残(can)余(yu)应力(li)的(de)关系(xi)。CHEN等(deng)[17]研(yan)究(jiu)了(le)钛(tai)合金厚板(ban)电子束焊(han)接接头(tou)的力学性(xing)能(neng)，阐(chan)明了不(bu)同工艺(yi)参数对接头组织形貌(mao)及(ji)拉伸(shen)性(xing)能(neng)的(de)影响(xiang)机(ji)理(li)。旷晓(xiao)聪(cong)等[18]利用(yong)电子束(shu)焊接对(dui)大(da)厚度TA15钛合金(jin)(≥70mm)进行焊(han)接(jie)，分(fen)析(xi)了(le)焊接(jie)接(jie)头宽度(du)及深度(du)方(fang)向的(de)组 织 与 性 能(neng) 均 匀(yun) 性(xing) 。 高 福(fu) 洋(yang) 等[19] 对 120 mm 厚(hou)Ti6321钛合(he)金电子(zi)束(shu)焊接接(jie)头熔合区组织(zhi)进(jin)行深入研(yan)究，发现熔(rong)合(he)区(qu)晶粒(li)从顶部(bu)到(dao) 90 mm 处逐(zhu)渐(jian)增大，而在焊缝(feng)底(di)端逐渐(jian)减小(xiao)。同时，刘(liu)畅等[20]也发(fa)现(xian)了钛合(he)金(jin)电(dian)子束(shu)焊接接头(tou)组(zu)织具(ju)有不均匀性(xing)，最(zui)终(zhong)影响(xiang)整(zheng)个(ge)接(jie)头(tou)的(de)力(li)学性(xing)能(neng)。
由(you)于电(dian)子(zi)束(shu)焊(han)接大(da)厚(hou)度结构件(jian)尺(chi)寸受保护箱(xiang)体尺寸的(de)限(xian)制(zhi)，因此(ci)其(qi)连接件的(de)尺(chi)寸均(jun)在100 mm左(zuo)右(you)。而(er)对于激光(guang)增(zeng)材连接(jie)技术，连接件尺(chi)寸及结(jie)构几乎(hu)不(bu)受(shou)限制(zhi)，因此可(ke)以(yi)一体(ti)化(hua)制造更(geng)大(da)尺寸(cun)的(de)结(jie)构件。GAO 等(deng)[21-22]制(zhi)备(bei)了(le) 80 mm 大厚(hou)度激(ji)光(guang)增(zeng)材(cai)连(lian)接TC4钛(tai)合金结构件(jian)，探究(jiu)了梯度(du)变化的激(ji)光(guang)功(gong)率对其(qi)微观组织(zhi)的(de)影响，并(bing)结(jie)合有(you)限(xian)元(yuan)仿(fang)真(zhen)技(ji)术揭(jie)示了(le)热(re)积累对(dui)微(wei)观结构均(jun)匀性的影(ying)响机(ji)理(li)。LING等(deng)[23]阐(chan)明了(le)大厚(hou)度(du)钛(tai)合(he)金(jin)激光(guang)增(zeng)材连(lian)接(jie)过(guo)程中缺陷(xian)的形(xing)成机(ji)制(zhi)，且对(dui)焊(han)接接(jie)头不(bu)同区域的(de)微观(guan)结构和(he)元(yuan)素分布(bu)进(jin)行了(le)深入(ru)分析。XU等(deng)[24]研究了(le)热输(shu)入(ru)对(dui)激光增(zeng)材(cai)连(lian)接试样(yang)的相组成、微(wei)观(guan)结(jie)构(gou)及力(li)学(xue)性(xing)能(neng)的变化(hua)规(gui)律。激光增(zeng)材连接(jie)技(ji)术(shu)中快速(su)熔(rong)化和凝固(gu)过(guo)程以及(ji)热行为在很(hen)大(da)程(cheng)度上取决(jue)于(yu)激光功(gong)率(lv)、扫(sao)描(miao)速(su)率(lv)等工(gong)艺参数(shu)[25-27]。高(gao)激光功率不仅(jin)使(shi)晶(jing)粒(li)粗(cu)大，而且由(you)于(yu)高能(neng)量(liang)输(shu)入和(he)低冷却(que)速(su)率(lv)，降(jiang)低(di)了(le)针(zhen)状马氏体(ti)相的(de)体积(ji)分(fen)数，进而(er)导致(zhi)其拉(la)伸性(xing)能(neng)下(xia)降(jiang)[28-29]。另外(wai)，激(ji)光(guang)增(zeng)材(cai)连接(jie)过程(cheng)在较低的扫描(miao)速(su)率下热输(shu)入较(jiao)大(da)，致使晶粒(li)粗化且(qie)力(li)学性能劣化[30]。相(xiang)比之(zhi)下，增加扫描速率(lv)可以(yi)提高(gao)冷却(que)速(su)率(lv)，促使针状(zhuang)马氏(shi)体(ti)大量(liang)析出(chu)，最(zui)终(zhong)提高材料的(de)抗拉(la)强度(du)值[28, 31]。
综上所述(shu)，国内外(wai)已有大量学(xue)者(zhe)通(tong)过(guo)焊(han)接(jie)或(huo)增(zeng)材(cai)的方(fang)式对(dui)大尺(chi)寸构件(jian)进(jin)行(xing)连接(jie)，但其(qi)制造过程中(zhong)由于(yu)热累积(ji)效(xiao)应(ying)导(dao)致(zhi)连接(jie)区(qu)域(yu)组(zu)织与性(xing)能(neng)劣(lie)化，因此(ci)，需要(yao)对(dui)大(da)尺寸厚(hou)板(ban)不(bu)同区域(yu)的(de)微观(guan)组织进行(xing)精(jing)准调(diao)控。目(mu)前(qian)，对(dui)于(yu)激(ji)光增(zeng)材(cai)连接过程分区(qu)组(zu)织(zhi)调(diao)控(kong)方(fang)法鲜有报(bao)道(dao)，激(ji)光有效能量对不同(tong)区(qu)域组织演变机(ji)制(zhi)尚(shang)不明确(que)。本(ben)文(wen)针对150 mm大厚度(du)TC4钛(tai)合金(jin)基材开(kai)展(zhan)激(ji)光增(zeng)材(cai)连接(jie)实验，研究不同工(gong)艺(yi)参(can)数(shu)下增材(cai)连(lian)接(jie)试样(yang)沉积区与细(xi)小(xiao)等(deng)轴(zhou)晶(jing)区(qu)的(de)微(wei)观(guan)组织演变规律(lv)。针对(dui)增材(cai)连(lian)接试(shi)样不同位(wei)置进行分区(qu)组织(zhi)调控(kong)，通过(guo)改(gai)变(bian)激(ji)光有(you)效能量(liang)来(lai)定量控(kong)制(zhi)不(bu)同(tong)区域的(de)晶粒(li)尺(chi)寸(cun)及(ji)析出相数量，避(bi)免由(you)于热(re)累(lei)积造成(cheng)的组(zu)织粗化(hua)现象，最终实现连(lian)接件整(zheng)体(ti)力学(xue)性能(neng)的(de)提升(sheng)，为(wei)大(da)厚(hou)度TC4钛(tai)合(he)金(jin)激(ji)光增(zeng)材连(lian)接(jie)技术(shu)的(de)工程应(ying)用提供(gong)一(yi)定的(de)理(li)论支持。
1、 实(shi)验(yan)
1.1 实验材料(liao)
采(cai)用激(ji)光(guang)增(zeng)材连接技(ji)术(shu)连接(jie)两(liang)块(kuai)厚度(du)为(wei) 150mm 的(de)“X”型坡(po)口(kou) TC4 钛合(he)金基材(cai)，所使用(yong)的设备主(zhu)要包(bao)括最大输出(chu)激(ji)光功率(lv)为 6000 W 的(de)光纤激(ji)光发(fa)生(sheng)器、双(shuang)料斗(dou)送粉(fen)器(qi)、同轴(zhou)激(ji)光熔覆(fu)喷嘴(zui)、六轴(zhou) KUKA 机器人(ren)系统。其中(zhong)同(tong)轴(zhou)激(ji)光熔(rong)覆喷嘴(zui)型号(hao)为(wei) D10-RF-T，其喷嘴(zui)末端(duan)直(zhi)径(jing)为(wei) 24 mm，粉(fen)斑的(de)焦(jiao)距(ju)为20 mm。本(ben)试验(yan)采(cai)用(yong)的粉末(mo)材料(liao)为长(zhang)沙(sha)天(tian)久金属材(cai)料有限(xian)公司利用(yong)等(deng)离子(zi)旋转电(dian)极(ji)法(fa)制备的(de)TC4球形(xing)粉末，粒径(jing)为(wei)80~150 μm，且该(gai)粉(fen)末的化学(xue)成分如表(biao)1所示。该粉末的除(chu)湿(shi)过(guo)程(cheng)在(zai)真(zhen)空(kong)炉(lu)中(zhong)进(jin)行，加热温度(du)保(bao)持(chi)在 102 ℃，保(bao)温(wen)时(shi)间为 2 h，随(sui)后在真(zhen)空(kong)条(tiao)件(jian)下(xia)炉(lu)冷(leng)却至(zhi)室温。
1.2 实验方(fang)法
采用砂(sha)纸(zhi)对(dui)TC4钛合(he)金基材坡(po)口(kou)处(chu)进行(xing)打磨，之后对其表(biao)面进行(xing)物理与化学(xue)清(qing)洗，使(shi)增材连(lian)接界(jie)面平整(zheng)光滑(hua)且无(wu)污染(ran)。在激(ji)光增材(cai)连接(jie)过程中，使(shi)用纯度为 99.99%、气(qi)流(liu)量为(wei) 15 L/min 的氩气(qi)作为保(bao)护气(qi)，以(yi)避免(mian)钛(tai)合金(jin)氧化。保(bao)护气(qi)体在增材(cai)连(lian)接前(qian)需(xu)充(chong)满手(shou)套(tao)箱室(shi)，以确保沉积室(shi)中的氧(yang)含量(liang)低(di)于5×10-5。增材过程(cheng)采(cai)用“S”形扫(sao)描(miao)路径，道(dao)间(jian)横(heng)移量为 1.5 mm，每(mei)层(ceng)抬(tai)枪(qiang)量(liang)为(wei) 0.5 mm，逐层(ceng)填充“X”型坡口，直到 TC4 钛(tai)合(he)金基材(cai)的顶端(duan)连接完成(cheng)，150 mm大(da)厚度(du)钛合金激光(guang)增材连(lian)接(jie)试(shi)样(yang)见(jian)图(tu)1(a)，其(qi)增(zeng)材连接(jie)过(guo)程见(jian)图1(b)。
采(cai)用线(xian)切割(ge)分别(bie)在激光增材连(lian)接大(da)厚(hou)度(du)钛合金(jin)试(shi)样的(de)顶(ding)部、中(zhong)上部(bu)、中部(bu)、中下(xia)部、底部熔化边界(jie)区(qu)域(yu)及沉(chen)积(ji)层芯部切(qie)取金(jin)相试样(yang)与拉伸(shen)试(shi)样。金(jin)相试(shi)样采用 4 mL HNO3+2 mL HF+100 mL H2O 的(de)Kroll 试剂(ji)进(jin)行(xing)腐(fu)蚀(shi)，之后采用光学显微镜(OM，Leica DM2700 M)与(yu)扫(sao)描(miao)电(dian)子显(xian)微镜(SEM，ZEISSEVO18)对(dui)不同(tong)区域微(wei)观组织(zhi)进(jin)行(xing)观(guan)察(cha)。在拉(la)伸试验(yan)机(ji)(CMT 5305)上(shang)以 1 mm/min 的(de)加载速度对不同工艺参数(shu)下(xia)的(de)激光(guang)增材连接(jie)大(da)厚(hou)度钛(tai)合(he)金进行(xing)拉(la)伸试(shi)验(yan)，确(que)定(ding)各(ge)个(ge)试(shi)样的抗拉强(qiang)度、伸(shen)长(zhang)率和断(duan)面收缩率(lv)，并(bing)使用(yong)扫描电(dian)镜(jing)观(guan)察拉伸试样(yang)的(de)断口(kou)形(xing)貌(mao)，拉(la)伸件(jian)取(qu)样位置(zhi)及拉(la)伸件具(ju)体尺寸见图(tu)1(c)。
2、 结果与讨(tao)论(lun)
2.1 激光(guang)增(zeng)材连接(jie)钛(tai)合金晶(jing)粒(li)形(xing)态(tai)分(fen)区(qu)调控(kong)研(yan)究
2.1.1 激光(guang)功(gong)率对增材(cai)连(lian)接(jie)钛合(he)金沉(chen)积区晶粒(li)形态的影响
针(zhen)对(dui)“X”型(xing)坡(po)口钛合金基材进行(xing)激光增(zeng)材(cai)连接(jie)，采用不(bu)断(duan)变化的(de)工艺参(can)数对(dui)不同(tong)区(qu)域(yu)的微观组(zu)织(zhi)进行(xing)定量(liang)调(diao)控(kong)，为(wei)提升激光增(zeng)材(cai)连(lian)接(jie)大厚(hou)度(du)钛(tai)合(he)金(jin)构件整体(ti)力(li)学性能提供技(ji)术(shu)支撑(cheng)。图2(a)所(suo)示(shi)为(wei)大(da)厚度钛合(he)金(jin)激(ji)光(guang)增(zeng)材(cai)连(lian)接(jie)试(shi)样(yang)局(ju)部(bu)形(xing)貌(mao)，在该(gai)区(qu)域黄色(se)虚(xu)线框处(chu)切取(qu)金(jin)相(xiang)试样(yang)，进(jin)一步(bu)分析熔(rong)化(hua)边界(jie)附(fu)近晶(jing)粒(li)形貌(mao)随着(zhe)激(ji)光功(gong)率(lv)的变化(hua)规律，此时扫(sao)描(miao)速(su)率(lv)恒定(ding)为10 mm/s。坡(po)口(kou)底部(bu)采用(yong)的(de)激(ji)光功(gong)率(lv)为(wei) 2000 W，该(gai)位(wei)置(zhi)明(ming)显(xian)分为基材(cai)区(qu)、细(xi)小(xiao)等(deng)轴(zhou)晶区(Equiaxed grain zone, EQZ)与沉积区(见图(tu) 2(b))。
由(you)于(yu)基(ji)材温度(du)较低，熔(rong)化边(bian)界过冷(leng)度(du)较大，易在EQZ内(nei)形成(cheng)细(xi)小(xiao)的等轴(zhou)晶(jing)。之(zhi)后(hou)，细(xi)小(xiao)等轴(zhou)晶向沉积 区 中 心 外 延 生(sheng) 长 ， 形(xing) 成 细 小 柱(zhu) 状 晶 (Fine columnar grain, FC)。在沉(chen)积区(qu)芯部，由于(yu)散热(re)速度 较(jiao) 慢(man) ， 热 累 积(ji) 效 应(ying) 明 显 ， 形(xing) 成 粗 大 柱 状(zhuang) 晶(jing)(Coarse columnar grain, CC)。为(wei)了(le)防(fang)止外延(yan)生(sheng)长(zhang)的(de)柱状(zhuang)晶(jing)继(ji)续粗化，需要降(jiang)低(di)热输入(ru)，因(yin)此(ci)在(zai)“X”型坡口(kou)中下(xia)部(bu)采(cai)用(yong)的激(ji)光(guang)功率为1000 W。从(cong)图(tu)2(c)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，热(re)输(shu)入降(jiang)低后 EQZ 的宽度(du)略有(you)下(xia)降，且沉积(ji)区(qu)柱状晶(jing)尺(chi)寸与前(qian)者(zhe)相(xiang)比(bi)有(you)所减(jian)小。但(dan)该参(can)数下(xia)热输(shu)入(ru)较(jiao)低，导致熔(rong)化边(bian)界处(chu)出(chu)现明显未(wei)熔(rong)合(he)缺陷(xian)，最终(zhong)致(zhi)使(shi)激(ji)光(guang)增材(cai)连接(jie)厚板(ban)的(de)力学性能劣(lie)化。因(yin)此，在“X”型(xing)坡口中部采(cai)用(yong)的(de)激(ji)光(guang)功率为(wei)1500 W，提升热输入后(hou)熔(rong)化边界处未出现(xian)未熔合(he)
缺陷(见图 2(d))。但(dan)该(gai)位置(zhi)柱(zhu)状(zhuang)晶尺(chi)寸在热累(lei)积作用(yong)下(xia)，沉(chen)积(ji)区(qu)边(bian)缘(yuan)与(yu)芯(xin)部(bu)的柱(zhu)状(zhuang)晶尺寸(cun)均(jun)有(you)一定程(cheng)度(du)的长大。
对不(bu)同(tong)激(ji)光(guang)功(gong)率(lv)下(xia)的(de)沉(chen)积区(qu)边(bian)缘细(xi)小(xiao)柱(zhu)状(zhuang)晶尺(chi)寸进行(xing)定量(liang)统(tong)计，发现当激光(guang)功率从 1000 W 增(zeng)至2000 W 时(shi)，细小柱(zhu)状(zhuang)晶(jing)长度(du)与(yu)宽度均增(zeng)加 10.5%左右，其(qi)长(zhang)宽(kuan)比增加(jia) 5.6% 左(zuo)右(you)，证明(ming)激(ji)光(guang)功(gong)率(lv)增加时柱(zhu)状(zhuang)晶沿长(zhang)度(du)方(fang)向的(de)生长速(su)率(lv)大于沿宽度方(fang)向。但当(dang)激光(guang)功(gong)率(lv)为(wei) 1500 W 时，柱状(zhuang)晶(jing)长(zhang)度与宽(kuan)度(du)均(jun)大于(yu)前两(liang)种(zhong)工艺(yi)参数(shu)获得的(de)柱(zhu)状(zhuang)晶(jing)尺(chi)寸(cun)。这(zhe)是由于(yu)使用该(gai)参(can)数(shu)打印(yin)至坡口中部时热(re)累积(ji)效应显(xian)著，导致柱(zhu)状(zhuang)晶(jing)尺(chi)寸粗(cu)化(hua)(见图 3(a))。同理(li)，沉积区(qu)芯(xin)部的柱状(zhuang)晶尺寸变(bian)化规(gui)律与(yu)沉积区(qu)边(bian)缘相同(tong)，当(dang)激光功(gong)率(lv)为(wei) 1000 W 时(shi)，该(gai)区(qu)域(yu)柱状(zhuang)晶(jing)平均宽度最小，仅为0.65 mm。当激光(guang)功率(lv)为(wei)1500 W时(shi)，在(zai)热输(shu)入与热累(lei)积同(tong)时(shi)增加的(de)情况(kuang)下，柱(zhu)状(zhuang)晶(jing)平(ping)均(jun)宽度显著增(zeng)大至 1.34 mm 左右(you)(见图 3(b))。另(ling)外(wai)，当激(ji)光功(gong)率为(wei) 2000 W 时，此(ci)时熔化(hua)边(bian)界(jie)温度梯(ti)度(du)较(jiao)大(da)且(qie)过(guo)冷度(du)较(jiao)高(gao)，细小(xiao)等(deng)轴晶形(xing)成(cheng)区(qu)域(yu)也(ye)随(sui)之增(zeng)加(jia)，可达 1.01 mm 左(zuo)右(you)。但当激光功率为(wei) 1000 和(he)1500 W时(shi)，EQZ宽(kuan)度(du)下降至0.6 mm左右(you)，这是因为(wei)在(zai)增材(cai)至坡口中(zhong)部(bu)过程中(zhong)，温度(du)梯度(du)较大导(dao)致(zhi)细小(xiao)等轴(zhou)晶(jing)直(zhi)接外延(yan)生长形(xing)成柱(zhu)状晶(jing)，EQZ宽(kuan)度有(you)所降(jiang)低。
2.1.2 扫(sao)描速(su)率(lv)对激(ji)光增(zeng)材(cai)连(lian)接(jie)钛合金沉(chen)积(ji)区(qu)晶(jing)粒(li)形态的(de)影响
基于(yu)第 2.1.1 节(jie)的研(yan)究(jiu)结(jie)果(guo)，发现(xian)通过(guo)改(gai)变(bian)激(ji)光(guang)功(gong)率可(ke)调控不同区(qu)域(yu)的组织形态，但(dan)采(cai)用 2000W的激光(guang)功(gong)率(lv)时(shi)热输(shu)入(ru)太(tai)高(gao)导致柱(zhu)状(zhuang)晶(jing)粗(cu)化(hua)严(yan)重，采用 1000 W 时(shi)热输入较(jiao)低易(yi)出(chu)现(xian)未(wei)熔合缺陷(xian)。这(zhe)说明通(tong)过(guo)改变激(ji)光(guang)功(gong)率来调(diao)控(kong)组(zu)织形(xing)态(tai)的(de)参数灵敏(min)度(du)较高(gao)。因此(ci)，本节(jie)将激(ji)光(guang)功率(lv)恒定(ding)为 1500 W，通(tong)过改(gai)变(bian)扫(sao)描速率(lv)来(lai)调(diao)控不(bu)同区(qu)域的组(zu)织形态(tai)。
图(tu)4(a)所示(shi)为大厚度(du)钛(tai)合(he)金激光(guang)增材(cai)连接(jie)试(shi)样(yang)局(ju)部(bu)形(xing)貌(mao)，在该区(qu)域黄色(se)虚(xu)线框(kuang)处(chu)切取(qu)金(jin)相试(shi)样(yang)，进一(yi)步分析熔化(hua)边界(jie)附(fu)近(jin)晶粒形貌随(sui)着扫描速(su)率(lv)的变(bian)化规律。由于(yu)前期热累积现(xian)象明(ming)显(xian)，导(dao)致柱(zhu)状晶粗化严(yan)重(zhong)，因(yin)此(ci)在(zai)“X”型(xing)坡口中(zhong)部(bu)采(cai)用 20 mm/s的(de)扫描速(su)率，使(shi)增(zeng)材(cai)热输入(ru)量(liang)降(jiang)低(di)。由图 4(b)可知，该(gai)工(gong)艺参数(shu)下(xia)沉(chen)积区边(bian)缘与芯部(bu)的柱(zhu)状(zhuang)晶尺(chi)寸显(xian)著(zhu)下(xia)降。同(tong)时(shi)由于在该工艺(yi)参(can)数下熔化边(bian)界(jie)温(wen)度梯度(du)较(jiao)大(da)，EQZ宽度有(you)所减小(xiao)，这是因(yin)为该(gai)区域内(nei)等(deng)轴(zhou)晶易转(zhuan)变为(wei)柱(zhu)状晶(jing)向(xiang)沉积区(qu)芯部(bu)生(sheng)长。另(ling)外，由于(yu)该(gai)参数(shu)下热输(shu)入量(liang)较(jiao)小，导致熔(rong)化边界(jie)出现(xian)连(lian)续(xu)分(fen)布(bu)的(de)孔洞(dong)缺陷。因此(ci)，在打印(yin)至(zhi)坡(po)口(kou)中(zhong)上(shang)部时，将(jiang)扫(sao)描速(su)率降低至(zhi) 10 mm/s 以增(zeng)大(da)热(re)输(shu)入量(liang)，保(bao)证熔(rong)化(hua)边界无(wu)明显缺陷(xian)(见图(tu) 4(c))。在(zai)该(gai)工艺(yi)参数下(xia)，沉(chen)积(ji)区(qu)边缘(yuan)与芯部(bu)的柱(zhu)状晶尺寸粗(cu)化严(yan)重(zhong)，且 EQZ 宽度也随(sui)着(zhe)热输(shu)入的(de)增加而(er)扩增(zeng)。为(wei)了(le)防(fang)止(zhi)柱状(zhuang)晶(jing)继续粗(cu)化(hua)，在(zai)打(da)印至坡(po)口(kou)顶层(ceng)时(shi)扫(sao)描速率(lv)增(zeng)加至15 mm/s，此时由(you)于热输入降(jiang)低致(zhi)使(shi)沉(chen)积(ji)区(qu)边缘(yuan)柱(zhu)状晶尺寸(cun)明显细化(hua)，但(dan)沉积(ji)区芯(xin)部柱(zhu)状晶细(xi)化现象(xiang)不明显(见(jian)图4(d))。
对不同扫(sao)描速(su)率下的(de)沉(chen)积(ji)区(qu)边(bian)缘细小柱(zhu)状(zhuang)晶尺(chi)寸(cun)进(jin)行定(ding)量(liang)统计，发(fa)现(xian)当扫描(miao)速率(lv)从(cong)10 mm/s增至(zhi)15 mm/s 时(shi)，细(xi)小柱状晶长(zhang)度与(yu)宽(kuan)度(du)均下(xia)降(jiang)超过(guo)30%。但当扫描(miao)速率(lv)从 15 mm/s 增至 20 mm/s 时，细小柱状晶长(zhang)度(du)与(yu)宽度(du)减(jian)小量(liang)不超过 4%(见图(tu) 5(a))。同(tong)时(shi)，随(sui)着(zhe)扫(sao)描速(su)率的(de)增(zeng)加，细(xi)小柱状(zhuang)晶的(de)长宽比显(xian)著增(zeng)加(jia)，说明(ming)热(re)输入(ru)降低后沉(chen)积区边(bian)缘(yuan)冷却(que)速率与(yu)温(wen)度梯度增(zeng)加，柱状(zhuang)晶(jing)沿(yan)长度(du)方(fang)向的生(sheng)长(zhang)速率(lv)大于(yu)沿(yan)宽(kuan)度方(fang)向。同(tong)理，随着(zhe)扫描(miao)速率的(de)增加，沉(chen)积(ji)区(qu)芯(xin)部(bu)的(de)热(re)累积(ji)效(xiao)应(ying)减(jian)小(xiao)，柱状(zhuang)晶宽(kuan)度(du)逐(zhu)步(bu)减小(xiao)(见(jian)图 5(b))。另(ling)外(wai)，当(dang)扫(sao)描(miao)速(su)率为 10 mm/s时，此(ci)时热(re)输入(ru)量较大(da)，熔化(hua)边(bian)界(jie)温(wen)度较高且(qie)温度(du)梯度(du)较小，有(you)利(li)于(yu)形(xing)成(cheng)等轴晶，致使 EQZ 宽(kuan)度有(you)所(suo)增加(jia)。但随(sui)着扫(sao)描(miao)速率增加(jia)至15 mm/s和(he)20 mm/s时(shi)，熔化(hua)边(bian)界(jie)冷却(que)速(su)率加(jia)快且温(wen)度梯(ti)度增加(jia)，有利于(yu)继(ji)续(xu)生(sheng)长形(xing)成细小柱状晶(jing)，最(zui)终导(dao)致 EQZ 宽(kuan)度(du)有所下(xia)降。
2.1.3 激(ji)光功率(lv)对(dui)激光增(zeng)材连接(jie)钛合(he)金(jin) EQZ 内(nei)晶(jing)粒尺(chi)寸(cun)的影响(xiang)
图6所(suo)示为(wei)不同激(ji)光功(gong)率(lv)调(diao)控(kong)下(xia)增(zeng)材连(lian)接大(da)厚(hou)度钛(tai)合(he)金(jin) EQZ 内(nei)晶粒形(xing)貌及(ji)尺寸(cun)分(fen)布。当(dang)激光功(gong)率(lv)为(wei)1000 W时(shi)，EQZ中(zhong)大部分晶(jing)粒(li)直(zhi)径在0.1~0.2mm 范围内，其(qi)平均(jun)晶粒(li)尺寸(cun)仅为 0.22 mm。当(dang)激(ji)光功率(lv)增至(zhi) 1500 W 时，大(da)部分(fen)晶(jing)粒直(zhi)径(jing)集(ji)中在0.2~0.25 mm 之间(jian)，其(qi)平(ping)均(jun)晶粒(li)尺(chi)寸略有增加(jia)，增长(zhang)率(lv)仅为9.1%。而(er)激光(guang)功率(lv)为(wei)2000 W时(shi)，EQZ中等(deng) 轴(zhou) 晶 显 著 粗(cu) 化 ， 平 均(jun) 晶(jing) 粒 直 径(jing) 增(zeng) 长(zhang) 率 高(gao) 达27.3%。
为了(le)探索激光(guang)增(zeng)材(cai)连(lian)接(jie)过(guo)程(cheng)中(zhong) EQZ 内等轴晶的生(sheng)长动(dong)力(li)学，采(cai)用经典(dian)的晶(jing)粒(li)生(sheng)长动(dong)力方(fang)程进(jin)行(xing)深(shen)入(ru)分(fen)析[32]：
式中：G为晶(jing)粒(li)受(shou)热长大(da)后的尺(chi)寸(cun)；G0为初(chu)始(shi)晶(jing)粒(li)尺寸；n为晶粒生长(zhang)动(dong)力(li)学(xue)指(zhi)数；K0为(wei)常数；t为(wei)激(ji)光(guang)在某个(ge)位(wei)置(zhi)的(de)保持时(shi)间(jian)；R 为摩尔气体常(chang)数(shu)；T为局(ju)部区(qu)域温(wen)度(du)；Q为晶(jing)粒生(sheng)长(zhang)活化(hua)能。当(dang)扫(sao)描速率(lv)恒(heng)定(ding)不变，激(ji)光在某个位置(zhi)的保持(chi)时间t也(ye)不变(bian)，此(ci)时激(ji)光功率(lv)增(zeng)大导(dao)致 EQZ 温度(du)上升(sheng)，根(gen)据(ju)式(1)可知(zhi)晶粒尺(chi)寸(cun)也(ye)会随(sui)之粗(cu)化。同时，由式(1)还可(ke)以发现，随(sui)着(zhe)温(wen)度(du) T 上(shang)升(sheng)，晶(jing)粒(li)尺寸 G 呈(cheng)指数(shu)增(zeng)长(zhang)，这(zhe)解释(shi)了激光功(gong)率(lv)从(cong)1500 W增(zeng)至2000 W时平均晶粒(li)直(zhi)径剧增的(de)原因。
2.1.4 扫(sao)描(miao)速(su)率对(dui)激光(guang)增(zeng)材(cai)连接(jie)钛合金 EQZ 内晶粒尺寸的影响
当(dang)激(ji)光增材(cai)至(zhi)坡口(kou)中(zhong)上(shang)部时，由于(yu)热(re)累(lei)积作用易(yi)导(dao)致(zhi)晶粒(li)急(ji)剧(ju)生(sheng)长，若采用激光(guang)功率(lv)进行调控会(hui)进(jin)一(yi)步促使晶粒(li)粗(cu)化，因此，采用参(can)数(shu)灵敏(min)度较(jiao)小(调(diao)整扫描(miao)速率)的分区调(diao)控方法。图 7 所(suo)示为(wei)不(bu)同(tong)扫(sao)描(miao)速(su)率(lv)调控(kong)下(xia)增材(cai)连(lian)接(jie)大厚度(du)钛合金 EQZ 内(nei)晶粒(li)形貌(mao)及(ji)尺(chi)寸分布(bu)。当扫描速(su)率(lv)为(wei) 10 mm/s 时，EQZ 中(zhong)大(da)部(bu)分(fen)晶粒(li)直(zhi)径(jing)在 0.1~0.4 mm 范(fan)围内，其(qi)平(ping)均(jun)晶粒尺寸(cun)为(wei) 0.27 mm。当扫(sao)描速率增加(jia)至 15mm/s 时，大部分晶(jing)粒(li)直径(jing)集中(zhong)在 0.15~0.25 mm 之间(jian) ， 其(qi) 平(ping) 均(jun) 晶 粒 尺 寸 显(xian) 著 减 小 ， 降 低 率(lv) 高 达(da)22.2%。而(er)扫(sao)描(miao)速率继(ji)续(xu)增加至(zhi) 20 mm/s 时，EQZ中(zhong)等(deng)轴晶(jing)细(xi)化(hua)程度不明(ming)显，平(ping)均(jun)晶粒(li)直(zhi)径仅降(jiang)低14.3%。
由(you)式(1)可知，随(sui)着(zhe)扫(sao)描(miao)速率不(bu)断(duan)加快(kuai)，激(ji)光在某(mou)个位置(zhi)的保持(chi)时间t明(ming)显缩(suo)短，致(zhi)使(shi)EQZ中等(deng)轴(zhou)晶生长速度较缓(huan)。同时还(hai)可以(yi)发现，随(sui)着保持(chi)时间(jian)t上(shang)升(sheng)，晶粒尺寸(cun)G呈(cheng)线性增长。这(zhe)表(biao)明相比于(yu)改(gai)变激(ji)光功(gong)率而言，改变(bian)扫描速(su)率(lv)对晶粒(li)尺寸的(de)影(ying)响(xiang)程(cheng)度(du)较(jiao)低(di)，因此在激(ji)光(guang)增(zeng)材连(lian)接至(zhi)坡口(kou)中(zhong)上(shang)部时应(ying)选用加(jia)快扫描速率(lv)的方(fang)法进(jin)行分区调控。
2.2 激光增(zeng)材(cai)连(lian)接钛合(he)金(jin)析出(chu)相分区调(diao)控研究(jiu)
2.2.1 激光功率(lv)对增材连接钛(tai)合金(jin)析(xi)出(chu)相(xiang)形态(tai)的影响(xiang)
图(tu) 8 所(suo)示(shi)为(wei)经激光功(gong)率调控后大厚度(du)钛合金激光(guang)增(zeng)材(cai)连接(jie)试样不同区域的(de)析(xi)出(chu)相(xiang)形(xing)貌，此时扫描速(su)率(lv)固定(ding)为15 mm/s。从(cong)激光增材连接(jie)试样熔化(hua)边界处切(qie)取(qu)金相(xiang)试(shi)样，通过金相显(xian)微(wei)镜(jing)观察(cha)发(fa)现该位(wei)置(zhi)明显分为(wei)沉(chen)积区(qu)、EQZ 和基材(见图 8(a)和(b))。当(dang)激(ji)光功率为(wei) 1000 W 时(shi)，在(zai) EQZ 中(zhong)的(de)块(kuai)状(zhuang) β 相(xiang)上析(xi)出(chu)大(da)量(liang)细小针(zhen)状(zhuang) α 相，而在沉(chen)积(ji)区的(de) β晶(jing)粒(li)中(zhong)针(zhen)状 α 相(xiang)的(de)长(zhang)度(du)明(ming)显(xian)增(zeng)大(见(jian)图(tu) 8(c)和(he)(f))。
这是(shi)由于该(gai)参数(shu)下 EQZ 与(yu)沉(chen)积区冷(leng)却(que)速率较快(kuai)，导致(zhi)针(zhen)状(zhuang)α相(xiang)析(xi)出尺寸较大(da)且数量(liang)较(jiao)多。当激(ji)光(guang)功率增(zeng)至 1500 W 时，在 EQZ 中的(de)块状(zhuang) β 相边(bian)缘析(xi)出(chu)部分(fen)细(xi)小(xiao)针(zhen)状(zhuang)α相(xiang)，相比于上一工艺参(can)数(shu)，沉(chen)积(ji)区(qu)中β晶粒(li)中针状α相(xiang)宽(kuan)度略(lve)有上升(见(jian)图8(d)和(he)(g))。当激(ji)光(guang)功率(lv)继(ji)续增(zeng)至(zhi) 2000 W 时，由于此时(shi)热(re)输入(ru)较(jiao)大(da)，EQZ与(yu)沉(chen)积区冷却速(su)率较(jiao)慢(man)，致(zhi)使(shi)这些区域(yu)内的针状(zhuang)α相析(xi)出(chu)尺寸(cun)减小(xiao)，且(qie)数量(liang)与减(jian)少(见图(tu)8(c)和(he)(h))。
2.2.2 扫(sao)描速(su)率(lv)对增(zeng)材(cai)连接钛(tai)合金(jin)析出相形(xing)态(tai)的影(ying)响
经扫(sao)描(miao)速率调(diao)控(kong)后(hou)大(da)厚(hou)度(du)钛合(he)金(jin)激光增(zeng)材连(lian)接(jie)试样(yang)不(bu)同区域(yu)的析出(chu)相(xiang)形貌(mao)如图9(a)所示(shi)，此(ci)时固(gu)定激(ji)光(guang)功率(lv) 1500 W。从激(ji)光(guang)增材连(lian)接(jie)试(shi)样(yang)熔(rong)化边界(jie)处切(qie)取(qu)金(jin)相(xiang)试(shi)样(yang)，通过金相(xiang)显(xian)微(wei)镜观察(cha)发现，该(gai)位(wei)置(zhi)经(jing)扫(sao)描速(su)率(lv)调控(kong)后的(de) EQZ 宽(kuan)度(du)比(bi)激光(guang)功率(lv)调(diao)控(kong)后(hou)的(de)宽度明(ming)显(xian)增(zeng)大(da)(见(jian)图9(a)和(he)(b))。当(dang)扫(sao)描(miao)速(su)率(lv)为(wei)10 mm/s时(shi)，在EQZ中的块状β相(xiang)边(bian)缘(yuan)析出(chu)细(xi)小(xiao)针(zhen)状(zhuang) α 相(xiang)，而在(zai)沉(chen)积区的 β 晶粒中(zhong)针(zhen)状(zhuang) α 相尺(chi)寸略有增(zeng)大(见图(tu) 9(c)和(he)(f))。当扫描(miao)速(su)率(lv)增(zeng)至 15 mm/s时(shi)，在(zai)EQZ中(zhong)的块(kuai)状(zhuang)β相边(bian)缘细小(xiao)针(zhen)状(zhuang)α相(xiang)尺寸与(yu)数(shu)量(liang)均(jun)有(you)增(zeng)加(jia)。另外(wai)，在(zai)沉积(ji)区的(de) β 晶(jing)粒中针状 α相(xiang)体(ti)积分数显(xian)著增(zeng)加(jia)，但该(gai)相(xiang)尺寸相(xiang)比于(yu)上一(yi)工艺(yi)参(can)数下的情(qing)况(kuang)无(wu)显(xian)著变(bian)化(hua)(见图9(d)和(g))。当(dang)扫(sao)描(miao)速率增加至(zhi)20 mm/s时，此(ci)时(shi)热输入(ru)较(jiao)低且(qie)EQZ与(yu)沉积区冷却速率较快，致使这些区(qu)域内的(de)针状α相析(xi)出(chu)尺寸(cun)与数(shu)量与前(qian)两(liang)组(zu)参(can)数(shu)下的(de)情(qing)况(kuang)相(xiang)比(bi)均明显增(zeng)加(jia)(见图9(e)和(h))。
2.2.3 分区(qu)组织调(diao)控对激(ji)光(guang)增(zeng)材连(lian)接钛(tai)合金(jin)力学性能(neng)的影(ying)响(xiang)
由于不(bu)同工艺(yi)参(can)数(shu)组合下(xia)激(ji)光(guang)进入(ru)熔(rong)池的有效激光能量(liang)(Ee)也(ye)有(you)所(suo)差(cha)异(yi)，因(yin)此(ci)，本节通(tong)过计(ji)算(suan)不(bu)同区域(yu)的(de)Ee值(zhi)，探(tan)索(suo)不(bu)同(tong)区域(yu)组(zu)织差异对(dui)激(ji)光增材(cai)连(lian)接(jie)钛合金力(li)学性(xing)能的影响。大(da)厚(hou)度钛合金(jin)激(ji)光增(zeng)材连(lian)接(jie)过(guo)程中(zhong)进(jin)入(ru)熔池(chi)的(de)Ee值可以描述(shu)为[33]：
式中(zhong)：P为激光功率(lv)；v为激(ji)光扫描速(su)率(lv)；F为(wei)送粉(fen)率。激光增材连(lian)接(jie)试样(yang)底(di)部(bu)采用(yong)的(de)激光功(gong)率(lv)为2000 W，扫(sao)描速(su)率为(wei)10 mm/s，该参数(shu)对应的(de)Ee值为(wei)9.71×105 J，此时β晶(jing)界附近形成(cheng)大(da)量的平(ping)行(xing)生长的 α-Ti 团簇(cu)束，而(er)在 β 晶(jing)粒内(nei)形成针(zhen)状(zhuang)相交叉分(fen)布(bu)的网(wang)篮(lan)状组(zu)织(见图 10(f))。激光(guang)增材(cai)连(lian)接试样中下部(bu)采用(yong)的(de)激(ji)光功率为 1000 W，扫描速(su)率为(wei)10 mm/s，该参数组合对(dui)应的(de) Ee 值为 2.43×105 J，此(ci)时 β 晶界(jie)与晶(jing)内(nei)均为针状相(xiang)交(jiao)叉分(fen)布(bu)的(de)网(wang)篮状组织(zhi)(见(jian)图 10(b))。增材至坡(po)口中(zhong)部时采用的(de)激(ji)光功率(lv)为(wei) 1500 W，扫描(miao)速(su)率(lv)为(wei) 20 mm/s，该(gai)参(can)数组合(he)对应(ying)的(de) Ee值为(wei) 4.33×105 J，此时(shi)也(ye)未在 β 晶(jing)界(jie)析出平行分布的α-Ti团(tuan)簇(cu)束，且晶(jing)内(nei)仍(reng)为网(wang)篮状(zhuang)组(zu)织(zhi)(见图10(c))。继(ji)续增(zeng)材至(zhi)坡口中(zhong)上(shang)部(bu)时，采(cai)用的(de)激(ji)光功率(lv)为 1500 W，扫(sao)描(miao)速率(lv)为(wei) 10 mm/s，该参(can)数(shu)组合对(dui)应的 Ee值(zhi)为 5.46×105 J，此(ci)时(shi) β 晶(jing)界(jie)开始析出少量(liang) α-Ti 团(tuan)簇束(shu)(见(jian)图 10(e))。最终(zhong)激(ji)光增材连接试(shi)样顶部(bu)采用的(de)激(ji)光功(gong)率(lv)为 1500 W，扫(sao)描(miao)速(su)率(lv)为(wei) 15 mm/s，该(gai)参数(shu)组(zu)合(he)对应(ying)的(de)Ee值(zhi)为(wei)4.77×105 J，此时(shi)β晶(jing)界(jie)局部(bu)区(qu)域析出α-Ti团(tuan)簇束(shu)，晶(jing)内(nei)主要以(yi)网篮(lan)状组(zu)织为(wei)主(zhu)(见图10(d))，且适(shi)当(dang)的(de)α-Ti团簇束数(shu)量有(you)利于提升TC4钛合金强(qiang)度(du)[34]。
对(dui)不同工艺参(can)数下(xia)沉积区针(zhen)状α相(xiang)的尺寸(cun)进(jin)行(xing)定量(liang)统(tong)计发现(xian)(固(gu)定扫(sao)描速(su)率(lv) 15 mm/s)，随(sui)着(zhe)激光功率(lv)从 1000 W 增(zeng)至(zhi) 2000 W，该(gai)析出相(xiang)的平均(jun)长度减(jian)小 40% 以上，而平(ping)均(jun)宽(kuan)度(du)增加(jia) 20% 左(zuo)右(you)(见(jian)图11(a))。这(zhe)说(shuo)明在有效激光能(neng)量(liang)从2.43×105 J增(zeng)加至9.71×105 J过(guo)程(cheng)中(zhong)熔池(chi)内(nei)部(bu)温度急剧升(sheng)高(gao)，导致凝(ning)固(gu)速度显著(zhu)减(jian)缓，α相(xiang)呈(cheng)短棒状(zhuang)析(xi)出(chu)，与图(tu)8(h)所(suo)示(shi) 析(xi) 出 相(xiang) 形 貌 相 符 。 另(ling) 外 ， 随(sui) 着(zhe) 扫(sao) 描(miao) 速(su) 率(lv) 从(cong)10 mm/s 增至(zhi) 20 mm/s(固(gu)定(ding)扫(sao)描功率(lv) 1500 W)，该(gai)析(xi)出相的平(ping)均长(zhang)度(du)增(zeng)加仅13%左(zuo)右(you)，而(er)平均(jun)宽(kuan)度(du)增加(jia) 80% 左右(见(jian)图(tu) 11(b))。这说明有(you)效(xiao)激光(guang)能(neng)量从5.46×105 J 降至(zhi) 4.33×105 J 过(guo)程中(zhong)熔(rong)池(chi)内部(bu)温度(du)降(jiang)低(di)，导致凝(ning)固速(su)度显(xian)著加快(kuai)，α 相(xiang)呈(cheng)长针状析(xi)出，与图9(h)所(suo)示的析(xi)出(chu)相形(xing)貌相符(fu)。由(you)图(tu)11(c)可知(zhi)，随(sui)着(zhe)有效(xiao)激(ji)光能量从(cong) 2.43×105 J 增(zeng)加至 9.71×105 J，激(ji)光增材(cai)连(lian)接(jie)钛(tai)合(he)金EQZ中(zhong)α相体积(ji)分(fen)数(shu)呈(cheng)下(xia)降(jiang)趋(qu)势(shi)，且(qie)在该(gai)区域内析(xi)出(chu)相(xiang)数量的(de)降(jiang)幅较(jiao)小。而在(zai)沉积(ji)区(qu)，随(sui)着(zhe)有(you)效(xiao)激光(guang)能量(liang)的(de)增加(jia)，α相体积(ji)分(fen)数呈先上(shang)升后下降(jiang)的趋(qu)势(shi)，且 Ee值(zhi)为(wei) 4.33×105 J 时(shi) α 相体(ti)积(ji)分数最(zui)大，可(ke)达(da)22.60%。
图11(d)所示为激光(guang)增(zeng)材(cai)连(lian)接钛合金CCT曲(qu)线，该(gai)曲线是由(you)Jmatpro热(re)力(li)学(xue)计(ji)算(suan)软件(jian)获(huo)取并绘(hui)制(zhi)的。
由图 11(d)可(ke)以(yi)看出，当(dang)有(you)效激(ji)光能量(liang)较低(di)时(shi)，沉积(ji)区冷(leng)却(que)速率(lv)较(jiao)快，此(ci)时只(zhi)有针状 α 相(xiang)大(da)量(liang)析出，交(jiao)错形(xing)成(cheng)网(wang)篮状(zhuang)组织(zhi)，计(ji)算(suan)结(jie)果(guo)与(yu)图(tu) 10(b)和(he)(c)中(zhong)的(de)微(wei)观组(zu)织(zhi)一(yi)致。而当(dang)有效激(ji)光(guang)能量(liang)较高时(shi)，沉(chen)积区(qu)冷却(que)速率(lv)较慢，此(ci)时可析(xi)出针(zhen)状α相与(yu)晶界(jie)α-Ti团簇(cu)束(shu)，计(ji)算(suan)结果(guo)与(yu)图(tu) 10(d)、(e)和(f)中(zhong)的(de)微观(guan)组织(zhi)形貌(mao)一(yi)致(zhi)。另外，定量分析(xi)不同(tong)冷却(que)速率(lv)下析(xi)出(chu)相体积(ji)分数变化(hua)规律(lv)，发现(xian)当(dang)沉积区(qu)冷(leng)却速(su)率较慢时(shi)，析(xi)出(chu)的(de)针(zhen)状 α 相(xiang)体积(ji)分数较少，仅为 95.61%。而(er)沉(chen)积(ji)区冷(leng)却(que)速率(lv)较(jiao)快(kuai)时(shi)，析(xi)出的(de)针状α相体积(ji)分(fen)数显(xian)著增(zeng)至 99.85%。同(tong)时(shi)，当冷却(que)速率增加(jia)时，针(zhen)状马(ma)氏体(ti)转(zhuan)变温(wen)度从(cong)835 ℃升高(gao)至(zhi)840 ℃，致(zhi)使针(zhen)状(zhuang)α相更(geng)易从(cong)基体β晶粒中大量(liang)析出(chu)，有利(li)于钛合金强度(du)的提(ti)升(sheng)(见(jian)图11(e)与(yu)(f))。
图 12(a)所示为不(bu)同(tong)有(you)效(xiao)激光(guang)能量(liang)下(xia)激(ji)光增材连接钛合金(jin)试样(yang)的抗拉强度与(yu)塑(su)性(xing)指(zhi)标(biao)的变化规律。由图(tu)12(a)可(ke)以看(kan)出，当激(ji)光有效(xiao)能(neng)量为(wei)2.43×105 J时，由于(yu)熔(rong)化(hua)边界出现明显的(de)裂(lie)纹，导(dao)致(zhi)试样(yang)中(zhong)下(xia)部抗(kang)拉强度(du)仅为412.43 MPa，伸(shen)长率(lv)与(yu)断(duan)面(mian)收缩率也(ye)仅为(wei)2%左右(you)。由图(tu)12(b)可知(zhi)，该(gai)区(qu)域(yu)断(duan)口(kou)形貌中存(cun)在大量(liang)未(wei)熔化粉末颗粒，证(zheng)明(ming)该工艺参数(shu)组(zu)合(he)下热(re)输(shu)入较(jiao)低(di)，粉末(mo)无(wu)法(fa)完全熔化进(jin)入(ru)熔池(chi)，导(dao)致(zhi)沉积区与(yu)基材(cai)接合较差(cha)。当激光(guang)有(you)效(xiao)能(neng)量(liang)为(wei)4.33×105 J 时(shi) ， 试 样(yang) 中 部 抗 拉 强(qiang) 度 显(xian) 著(zhu) 上(shang) 升(sheng) 至(zhi)919.01 MPa，但伸(shen)长率也仅(jin)提升(sheng) 2.9% 左右，这(zhe)是因为(wei)断(duan)口形(xing)貌中(zhong)存(cun)在孔洞缺(que)陷，导(dao)致(zhi)强(qiang)度(du)与(yu)塑性(xing)指标(biao)仍(reng)较(jiao)低(di)(见图 12(c))。当(dang)激光(guang)有(you)效能量增(zeng)加至4.77×105 J时，试(shi)样顶(ding)部的(de)抗拉强(qiang)度(du)为(wei)902.74 MPa，且(qie)断(duan)口韧(ren)窝(wo)数(shu)量较多，材(cai)料塑(su)韧性(xing)有所(suo)提(ti)升(sheng)(见(jian)图12(d))。当(dang)激光(guang)有(you)效能量(liang)继续增至5.46×105 J时，试(shi)样中(zhong)上部强(qiang)度降低(di)至896.85 MPa，这与该(gai)参数(shu)下针(zhen)状α相析(xi)出(chu)量与(yu)前者(zhe)相比(bi)较(jiao)少(shao)有关(guan)，同(tong)时断口韧(ren)窝(wo)尺寸较(jiao)大，材(cai)料塑(su)韧性较(jiao)好(见(jian)图12(e))。当激(ji)光有效(xiao)能量(liang)高达(da) 9.71×105 J 时(shi)，试(shi)样(yang)底部强度提(ti)升(sheng)至915 MPa左右(you)，同(tong)时(shi)材料(liao)伸长(zhang)率与(yu)前一(yi)参数相比略(lve)有下(xia)降(见图12(f))。
3、 结论(lun)
1) 通(tong)过改变激(ji)光(guang)功率(lv)对(dui)试(shi)样(yang)中(zhong)下(xia)部及(ji)底(di)部沉积区与 EQZ 区(qu)晶(jing)粒(li)形态(tai)与(yu)尺(chi)寸(cun)进行分(fen)区调控(kong)。当(dang)激(ji)光功(gong)率高(gao)达(da) 2000 W 时(shi)，各区域(yu)晶粒(li)粗(cu)化(hua)严(yan)重(zhong)，但(dan)当(dang)激(ji)光(guang)功率(lv)骤降(jiang)至 1000 W 时(shi)，熔化(hua)边(bian)界出(chu)现(xian)明(ming)显缺陷，导致力(li)学(xue)性能显(xian)著下(xia)降(jiang)，因此(ci)激光功率(lv)需(xu)维持(chi)在 1500 W。通过改变激光功率(lv)来调(diao)控(kong)组(zu)织(zhi)形(xing)态(tai)的参数灵敏度(du)偏高，需(xu)改(gai)变扫(sao)描速率来调(diao)控试(shi)样(yang)中上部(bu)及(ji)顶部(bu)的(de)组(zu)织(zhi)形(xing)态。
2) 随着(zhe)扫描(miao)速(su)率(lv)的增(zeng)加，激(ji)光(guang)增(zeng)材连接过程的热累(lei)积效(xiao)应减(jian)小，沉积(ji)区与 EQZ 区晶(jing)粒尺(chi)寸生(sheng)长缓(huan)慢(man)。但扫描(miao)速率(lv)为20 mm/s时(shi)，热输(shu)入(ru)量偏小(xiao)导(dao)致熔(rong)化边(bian)界出(chu)现连续分布(bu)的孔洞缺陷，不(bu)利(li)于(yu)该区(qu)域(yu)强度(du)与塑性的提(ti)升(sheng)。通过改变(bian)激光(guang)功率调控晶粒(li)尺(chi)寸(cun)时(shi)，晶(jing)粒直径与温度呈指数(shu)增(zeng)长(zhang)，而(er)扫描(miao)速率(lv)对晶(jing)粒尺(chi)寸的影响程度(du)较(jiao)低，因为晶(jing)粒(li)尺寸与(yu)热(re)源(yuan)停留时(shi)间(jian)仅呈(cheng)线性增长(zhang)关(guan)系。
3) 激光(guang)功率较低时，在EQZ中的块状(zhuang)β相周(zhou)围(wei)析(xi)出大(da)量细(xi)小针(zhen)状α相，而(er)在(zai)沉(chen)积区的(de)β晶(jing)粒(li)中形(xing)成(cheng)长针(zhen)状(zhuang)的α相(xiang)。随(sui)着(zhe)激光(guang)功率的(de)增加(jia)，EQZ与(yu)沉(chen)积(ji)区(qu)冷(leng)却速率逐(zhu)渐(jian)减(jian)小(xiao)，致(zhi)使(shi)这(zhe)些(xie)区域内(nei)的(de)针状(zhuang)α相(xiang)析出尺寸减小(xiao)，且(qie)数量(liang)显著减少(shao)。随(sui)着扫描(miao)速率(lv)的(de)增(zeng)加(jia)，热(re)输(shu)入(ru)逐(zhu)渐降低(di)且 EQZ 与沉(chen)积(ji)区(qu)冷(leng)却(que)速率(lv)加(jia)大(da)，致(zhi)使这(zhe)些(xie)区域(yu)内(nei)的(de)针状 α 相析(xi)出(chu)尺(chi)寸粗(cu)化，且数(shu)量有(you)所增(zeng)加(jia)。
4) 当有(you)效(xiao)激(ji)光(guang)能量(liang)较(jiao)低(di)时(shi)，沉积(ji)区冷却速率为100 ℃/s 左(zuo)右(you)，此时只有针(zhen)状(zhuang) α 相大(da)量(liang)析出(chu)，交(jiao)错形(xing)成(cheng)网(wang)篮(lan)状(zhuang)组织(zhi)。而当(dang)有(you)效(xiao)激(ji)光能(neng)量较高时，沉积(ji)区(qu)冷(leng)却速率仅为10 ℃/s左(zuo)右(you)，此时(shi)可(ke)析出(chu)针(zhen)状α相(xiang)与(yu)晶(jing)界(jie) α-Ti 团簇(cu)束。当激光有(you)效(xiao)能量(liang)为(wei) 2.43×105 J时，由(you)于熔(rong)化(hua)边界(jie)出现(xian)明(ming)显的(de)裂(lie)纹(wen)，导致试样(yang)抗拉(la)强度仅(jin)为(wei)412.43 MPa，伸长(zhang)率与(yu)断(duan)面(mian)收(shou)缩率也仅为2%左右(you)。当(dang)激(ji)光(guang)有(you)效能(neng)量(liang)增(zeng)至(zhi)9.71×105 J时，试(shi)样(yang)的(de)抗拉强(qiang)度(du)高达(da)915 MPa左(zuo)右(you)，但材料的伸(shen)长率略有下降。
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相(xiang)关(guan)链(lian)接
