导读
利用拉伸试验机、扫描电镜和金相显微镜等手段研究了双重退火工艺（890℃×1h/FC 750℃×2h/AC，570℃×4h/AC ）对激光增材沉积和修复两种状态的TC18钛合金的组织和力学性能的影响，并与原始锻件TC18钛合金进行比较。结果表明,激光增材修复试样微观组织为典型的类铸态组织，主要由层状β晶粒组成。激光增材修复试样经双重退火后为魏氏组织，原始β晶界仍清晰可见，晶内分布着交错的（a β）集束。经双重退火后，激光增材沉积试样强度低于原始锻件，塑性高于原始锻件，激光增材修复试样的性能介于两者之间，激光增材修复的冲击性能比锻件的冲击性能高约60%。激光增材沉积、激光增材修复两种状态经退火热处理后力学性能都能达到了TC18锻件规定值。
激光增材制造(Laser Additive Manufacturing)技术是通过激光熔化/快速凝固逐层沉积“生长制造”，由零件CAD 模型一步完成致密、高性能钛合金零件的“近净成形制造”。相对于传统的“锻造 机械加工”制造技术，在薄壁、内腔等复杂结构件上，激光增材制造有着巨大优势，主要体现在显著提高材料利用率、降低成本、节约生产周期等方面。但是激光增材制造为非平衡凝固过程，容易产生组织应力及热应力，出现变形和开裂等现象。所以激光增材制造的后处理就显得尤为主要。现在激光增材制造最常见的后处理方式是热处理。通过热处理，能够达到改善激光增材制造金属构件组织、消除缺陷、优化性能的目的。
随着工业的发展，对激光增材修复工件的需求越来越强烈。李秋歌等采用激光增材技术修复了损坏的K465镍基高温合金航空发动机涡轮叶片，效果良好。刘江红等采用激光增材修复技术对Ti5Al2.5Sn ELI材料进行修复，发现修复区域力学性能不低于粉末冶金制备的材料基体。窦磊等研发专用合金粉末,采用激光增材技术对轴承座内孔磨损区进行修复，经性能测试表明激光增材区的力学性能和组织结构都达到与基材相当的水平。但是当前对TC18钛合金激光增材沉积、激光增材修复及经热处理后组织和力学性能是否满足使用要求研究较少。本课题对激光增材沉积、激光增材修复和原始锻件3种状态的TC18钛合金进行双重退火处理，对比3种状态的组织、力学性能、冲击、断裂韧度和裂纹拓展速率，并对拉伸试样和冲击试样进行断口分析。
1试验材料和方法
熔覆材料为等离子旋转电极法制备的球形TC18钛合金粉末，粉末粒径为45~185μm。TC18粉末的化学成分符合GJB2744A-2007标准的要求。激光增材制造在LSF-V型设备上进行，该设备包括4000W光纤激光器、数控工作台、工作室、水冷冷却系统、净化系统、气氛控制系统等。激光成型工艺参数为：激光功率为1000 kW，扫描速度为480mm/min，光斑直径为3mm，层厚为0.4mm，送粉量为12N/min，氧含量≤100ppm。成形基材为TC18钛合金锻件，表1为用光谱法测定的TC18钛合金锻件基材化学成分。可以看出，基材化学成分符合GJB2744A-2007的要求。
激光增材修复试样的力学性能取样是指平行于锻件L方向（即50%原锻件和50%的激光沉积态）。激光增材沉积、激光增材修复和原始锻件3种状态的TC18钛合金经线切割、车削、磨削等机械加工成标准拉伸试样等力学性能测试试样后，再经“890℃×1h/FC 750℃×2h/AC，570℃×4h/AC ”双重退火真空热处理。采用AG 2501CNE试验机进行拉伸测试，采用JNS-300试验机进行冲击测试，采用MTS-SANSCMT500试验机进行断裂韧度测试，利用INSTRON8801试验机进行裂纹扩展速率测试，断口微观形貌观察与分析在Hitachi S4300扫描电镜上进行，金相微观组织观察与分析在XJP-6A金相显微系统上进行。
2试验结果与讨论
2.1 微观组织
图1为TC18钛合金原始锻件和激光增材修复进行双重退火处理后微观组织。可以看出，TC18钛合金原始锻件微观组织为双态组织，既有锻造过程产生的等轴α组织，又有锻造完成后热处理产生的短棒状α组织（见图1a）。原始锻件经双重退火处理后，双态组织特征基本消失，锻件组织主要由β晶粒 晶内α细片层 晶界α粗片层组成（见图1b）。激光增材修复态微观组织为具有典型的铸态特征。合金组织有似层状β晶粒组成。由于激光修复过程中冷却速度较快，β晶粒内部组织较细，在金相组织中未能能明显分辨。激光增材修复态组织经双重退火处理后，合金微观组织转变成魏氏组织，原始β晶界仍清晰可见，晶内分布着交错的（a β）集束（见图1d）。
图1 TC18钛合金不同状态的微观组织
2.1拉伸性能
对经双重退火热处理的激光增材沉积试样、激光修复试样及原始锻件进行室温拉伸试验，结果见表1。可以看出，激光增材制造沉积试样的拉伸强度（约为1083MPa）和屈服强度（约为1004MPa）均低于激光增材修复试样（拉伸强度约为1095MPa和屈服强度（约为1017MPa），伸长率相差不大，但是收缩率略高于激光增材修复试样（收缩率分别为约为52%和42%）。激光增材修复的综合力学性能较好。从表1还可看出，激光增材制造沉积和修复试样的强度和塑性均低于锻件试样，但能满足GJB2744A-2007的力学性能指标要求。
1-2-1和1-4-1号的试样断口形貌见图2。可以看出，激光增材修复试样断裂时均发生明显颈缩，锻件试样的断口较为平整，无明显颈缩。在扫描电镜下对激光增材修复试样室温拉伸断口进行了观察，可看到断口出现大量韧窝，说明塑性较好。对锻件试样室温拉伸断口进行观察，可以看出，低倍形貌出现河流状扇形特征，同时高倍下韧窝形貌消失，表明锻件存在解理断裂的特征，塑性较差。
