Ti-6Al-4V鈦合金又稱TC4鈦合金，是典型的α+β相鈦合金，具有高強度、低密度、高斷裂韌度、優異的耐腐蝕性能和生物相容性，被廣泛用于航空航天、船舶、汽車、能源、醫療、化工和生物醫藥等行業。選擇性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技術作為一種典型的基于計算機輔助設計(Computer Aided Design，CAD)模型制造零件的激光增材制造技術，為一些制造企業提供了一系列市場競爭優勢，包括無需模具和工具的近凈成形生產、高的材料利用效率和水平靈活性。SLM技術中的激光打印技術具有較高的溫度梯度和較快的冷卻速率，是生產形狀復雜的TC4鈦合金零件最有應用前景的附加制造技術之一。采用SLM技術生產的TC4鈦合金的典型組織為柱狀β晶粒、超細非平衡亞穩馬氏體α‘相和大量位錯，這種組織不同于常規退火和鍛造后得到的等軸狀α相+晶間β相，超細晶粒尺寸和大量位錯的存在使材料硬度和強度更高，非平衡亞穩α’相對材料的延展性和抗疲勞性能不利，所以其拉伸性能始終表現為高強度(抗拉強度極限可達1320MPa)、低塑性(塑性應變為2%~7%)。采用SLM技術生產的成形件，其斷后伸長率較低，且殘余應力較大，需對其進行熱處理。通常各種形變熱處理不能改變或控制鈦合金的顯微組織，而熱處理是改善鈦合金的顯微組織、提高其力學性能的唯一途徑。

目前，關于熱處理對選擇性激光熔化TC4鈦合金性能影響的研究較多。然而，現有報道都只對試樣的一個平面(側面)進行了研究，未考慮選擇性激光熔化TC4鈦合金板材有兩個成形面。

根據現有研究，并考慮α相轉變溫度，來自上海工程技術大學的王貞濤、楊尚磊等研究人員研究了不同熱處理溫度對選擇性激光熔化TC4鈦合金板不同成形面的顯微組織和性能的影響，以期為選擇性激光熔化TC4鈦合金的發展與應用提供理論依據。

01 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為球形TC4鈦合金粉末，采用氣相霧化法，按表1所示的成形工藝參數和圖1所示的打印方案，采用逐層旋轉67°掃描策略，以XY軸為底向Z軸打印，打印出來的TC4鈦合金板如圖2所示。

1.2 試驗方法

利用線切割機，在圖2所示板材右邊區域截取尺寸為20mm×20mm×8mm的小塊，再將其均分成16個塊狀試樣，切割時對試樣頂面和側面進行標記，頂面為XOY面，側面為XOZ面。在16個塊狀試樣中選取側面試樣和頂面試樣各4個，將其分成4組，每組包含一個頂面試樣和一個側面試樣，其中1組作為原始試樣，其他3組按照表2所示的工藝參數進行熱處理。

熱處理后，將試樣進行鑲嵌、打磨、拋光后，采用HNO3，HF，H2O按體積比為10∶5∶85混合的溶液腐蝕25s，然后用光學顯微鏡和掃描電鏡(SEM)進行微觀形貌觀察，用X射線衍射儀(XRD)分析其相組成。

采用維氏顯微硬度計，對熱處理后的選擇性激光熔化TC4鈦合金板試樣進行硬度測試，每個試樣選取20個測試點，取其平均值。

02 試驗結果與討論

2.1 相組成

如圖3所示：α相和α‘相晶體結構相同，衍射峰的位置也相同，所以原始試樣中的α相和α’相的所有衍射峰都可以標記為α‘相；與原始試樣中的β相衍射峰相比，頂面試樣的β相衍射峰隨熱處理溫度上升的提高程度并不明顯，當熱處理溫度上升至950℃時，其β相衍射峰提高較多，表明頂面試樣中的β相含量升高。側面試樣XRD譜的變化規律與頂面試樣的相同；在不同熱處理溫度條件下，頂面和側面試樣的衍射峰高度相差不大。

2.2 微觀組織

由圖4和圖5可見：原始頂面試樣中存在柱狀β相，晶內存在大量的針狀馬氏體 α’相。隨著熱處理溫度的升高，頂面試樣晶粒逐漸粗化，β晶粒逐漸減少；原始頂面試樣表面呈棋盤形貌，這是67°填充角在相鄰層之間產生相互交叉的掃描路徑形成的，柱狀晶粒中有超細的分層針狀馬氏體α‘相，大多數馬氏體α’相長軸取向約為±45°，原因是α，β兩相之間存在嚴格的伯格斯取向關系，即(0001)α// {110}β 和<1120>α// <111>β；經750℃/2h+空冷處理后，與原始試樣相比，頂面試樣的晶粒尺寸沒有明顯變化，柱狀β相晶界內的一部分針狀α‘相轉變為層狀α相，由此判斷該組織為魏氏組織；經850℃/

2h+空冷處理后，頂面試樣晶粒粗化,仍可見柱狀β晶，針狀α’相完全轉變為層狀α相和β相，β晶粒呈小塊狀，且層狀α相仍在先前的柱狀β相晶內，由此判斷該組織為網籃組織；經950℃/2h+空冷處理后，頂面試樣晶粒明顯粗化，形成了球狀α相，基本看不到柱狀β相，β晶粒聚集、長大，變為細棒狀，形成層狀β相本轉變組織，由此判斷該組織為雙態組織。

由圖6和圖7可見：側面試樣的掃描痕跡比頂面試樣的深，柱狀β相更加清晰；隨著熱處理溫度的升高，側面試樣的晶粒逐漸粗化，柱狀β相晶界逐漸模糊，這與頂面試樣的變化規律相同；在不同熱處理溫度條件下，側面試樣均存在柱狀β相，這與頂面試樣不同。

2.3 硬度測試

由圖8可見：原始頂面試樣和原始側面試樣的硬度平均值分別為320HV和317HV；隨著熱處理溫度的升高，頂面試樣的硬度從308HV(750℃)下降至291HV(850℃)，然后又上升至309HV(950℃)；側面試樣的硬度變化規律與頂面試樣的相同，其硬度從311HV(750℃)下降至297HV(850℃)，然后又上升至303HV(950℃)。由XRD和SEM 分析結果可知：在750~850℃熱處理時，試樣主要發生α‘相向α相的轉變，α’相為過飽和固溶體，其硬度顯著高于α相的硬度；頂面和側面試樣中均含有大量針狀馬氏體α‘相，經750℃/2h+空冷處理后，α’相轉變為α相，試樣的硬度降低；經850℃/2h+空冷處理后，針狀α‘相全部轉化為α相和β相，其組織以層狀α相和小塊狀β相為主，試樣硬度降低；經950℃/2h+空冷處理后，頂面和側面試樣硬度升高，原因是該熱處理溫度超過了α相的轉變溫度(882℃)，發生了再結晶，形成球狀α相和層狀β相轉變組織。與球狀α相相比，層狀α相的存在會使鈦合金的斷后伸長率降低，層狀β相中有較多相互交錯排列且細小的次生α相，相界面阻礙滑移的進行，鈦合金變形困難，在雙態組織中層狀β相含量較高，導致鈦合金硬度升高。

03 結論

(1) 隨著熱處理溫度的升高，選擇性激光熔化TC4鈦合金板頂面和側面的針狀馬氏體α’相不斷減少，當熱處理溫度為850℃時，針狀α‘相完全轉變為α相和β相，當熱處理溫度(950℃)超過α相轉變溫度時，β相含量升高。在950℃熱處理后，選擇性激光熔化TC4鈦合金板頂面基本沒有柱狀β相，且形成了等軸狀β相，其側面仍存在柱狀β相。

(2) 未經熱處理的選擇性激光熔化TC4鈦合金板的硬度最大，其頂面和側面的硬度分別為320HV和317HV。經過不同溫度熱處理的鈦合金板，其頂面和側面的硬度隨著溫度的升高呈先減小后增大的趨勢。鈦合金板頂面的硬度從308HV(750℃)下降至291HV(850℃)，然后又上升至309HV(950℃)，其側面的硬度從311HV(750℃)下降至297HV(850℃)，然后又上升至303HV(950℃)。