钛合金以其优良的力学性能和耐腐蚀性能广泛应用于航空航天、兵器、船舶等领域[1-5]。TA15钛合金作为一种高铝当量的近α型钛合金，其成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，具有良好的热强性和优异焊接性[6]，在飞机机身结构和发动机叶片等均被大量使用。目前，随着装备钛合金构件向大型化、轻量化、复杂化发展[7]，其对加工制造技术提出更高的要求，采用铸造、锻造、机械加工和焊接等传统工艺方法难以满足制造需求。电弧增材制造技术是用电弧作为热源，以金属丝材为沉积材料，逐层堆积，直接制造大型金属部件的技术，具有成形效率高、材料利用率高、设备成本相对较低等优点，符合高性能大型复杂构件高效低成本制造的要求[8]。
针对TA15钛合金增材制造技术国内外学者进行大量研究，刘祥宇等[9]研究了激光增材制造TA15钛合金显微组织及力学性能各向异性在固溶温度下的变化规律，结果表明，降低固溶温度，柱状晶和等轴晶尺寸减小，提高固溶温度，TA15钛合金拉伸性能各向异性降低。牟建伟等[10]研究了激光增材连接TA15钛合金结合区的显微组织与力学性能，结果表明，结合区显微组织与母材均为网篮组织，结合区的力学性能可达母材力学性能水平。激光增材制造技术可用于钛合金装备的整体制造与修复。王贺等[11]采用GTAW电弧增材制造技术制备了TA15/TC11梯度结构材料，并对其显微组织和力学性能进行了研究。研究发现，GTAW电弧增材制造TA15和TC11均为网篮组织，从TA15到TC11过渡，晶粒尺寸逐渐减小，α板条逐渐变细。TA15/TC11界面处的结合强度高于TA15处的纵向强度，其横向伸长率高于TA15部分和TC11部分的横向伸长率。吴冬冬等[12]采用激光复合增材制造技术制备了TA15钛合金试样，并对其显微组织和力学性能进行了研究。结果表明，试样的激光选区熔化区、熔化沉积区及界面过渡区均为沿沉积方向生长的β柱状晶，不同区域内α相均呈现魏氏组织特征，拉伸试样均断裂于熔化沉积区，具有优异的综合力学性能。谷美邦[13]研究了不同热处理制度对激光增材制造TA15钛合金显微组织和力学性能的影响。研究发现，普通退火态为α+β超细网篮组织，双重退火态为初生α相+超细β转变组织构成的特种双态组织。普通退火态激光增材制造TA15钛合金强度和疲劳极限优于双重退火态，但塑性和断裂韧性不及双重退火态。郭彦梧[14]采用激光选区熔化技术，研究了激光能量密度对TA15钛合金堆积体显微组织和力学性能的影响。研究发现，SLM堆积体组织为针状α′马氏体，随激光能量密度增加，热循环峰值温度变化，造成针状马氏体分级现象；另外，随着能量密度增加，堆积体试样抗拉强度逐渐降低，屈服强度逐渐升高，伸长率逐渐降低。王逸尘[15]通过电子束增材制造技术研究了不同工艺参数对TA15堆积体的组织和力学性能的影响。研究结果表明，随远离基板，β晶粒逐渐由等轴晶向柱状晶转变。增大增材速度，柱状晶逐渐变细小，甚至部分趋向等轴状；随束流密度增大，试样的抗拉强度增大，强度和伸长率均达到锻件标准。
对于TA15钛合金，研究主要集中于激光增材制造工艺、热处理对堆积体的组织和拉伸性能的影响，对CMT电弧增材制造TA15钛合金的显微组织特征及显微组织与拉伸性能间的关系研究较少，本文作者以CMT电弧增材制造TA15钛合金堆积体为研究对象，研究其显微组织和力学性能，为电弧增材制造TA15钛合金的进一步发展和应用提供理论与数据支持。
1、试验与方法
试验用基板是尺寸为200mm×100mm×6mm的TA15钛合金板材，以直径1.2mm的TA15钛合金丝材为沉积材料，其化学成分如表1所示。
试验用CMT电弧增材制造系统如图1所示。其中机器人系统为KUKA六轴机器人，电源及送丝系统为福尼斯CMT4000advanced，图2为CMT电弧增材制造路径示意图。以水平打印方向为X方向，以沿增材高度方向为Z方向。增材制造工艺电流为110A，电弧电压为11.6V，焊接速度为0.96m/min，送丝速度为4m/min，焊缝宽度为20mm，层高为2mm。增材试验前，对钛合金基板表面进行打磨清理并用丙酮擦拭，除去表层油污和氧化层。将钛合金基板置于变位机上并用夹具固定，防止增材过程基板变形。
而后安装惰性气体保护罩，并在增材前以20L/min的速率向保护罩内通入3min氩气以排尽保护罩内的空气，随后将速率调至15L/min进行增材试验，避免较快的气流对电弧稳定性造成影响。
增材完成后，用XYD-225型X射线实时成像检测系统对电弧增材制造TA15堆积体进行无损检测，用线切割从堆积体中制备水平打印方向与增材高度方向的拉伸试样及金相试样。金相试样经粗磨、精磨后抛光，使用腐蚀剂（3mLHF、30mLHNO3、67mLH2O2）腐蚀，然后用酒精清洗并吹干。用光学显微镜（OM）和FEIQuanta250F场发射扫描电镜进行显微组织分析；用射线衍射仪（XRD）进行试样物相分析；用万能拉伸试验机进行力学性能测试，用扫描电子显微镜进行断口分析。
2、结果与讨论
2.1宏观形貌
图3为CMT技术制造的TA15钛合金堆积体。尺寸为130mm×120mm×26mm。图4为TA15钛合金堆积体无损检测结果。图4堆积体顶部和中部黑色阴影为像质计留下的影像，可以发现，堆积体表面无明显气孔，内部无气孔、未熔合等缺陷，成形良好。
图5为金相试样取样示意图。可以看出，CMT电弧增材制造TA15钛合金为粗大的柱状晶组织。在增材凝固过程中，金属丝材在电弧作用下熔化形成熔池，在电弧运动离开后，熔池金属冷却凝固形成新的材料沉积，在电弧增材制造过程中，熔池中绝大部分热量以热传导的方式通过基板沿垂直向下的方式散失。温度梯度与沉积方向相反，晶体将逆温度梯度生长，形成贯穿多个沉积层的β柱状晶。
2.2物相分析
TA15堆积体的XRD图如图6所示。可以发现，电弧增材制造TA15钛合金堆积体中只检测到了密排六方（HCP）相的衍射峰，未发现明显β相衍射峰，表明电弧增材制造TA15钛合金堆积体主要为α相。
2.3显微组织
图7、8分别为电弧增材制造TA15钛合金的光学显微镜（OM）和扫描电镜图。
可以看出，电弧增材制造TA15钛合金组织主要由针状α-Ti相互交错形成的网篮组织及少量沿β晶界的边界析出的取向一致、大长宽比的α-Ti聚集而成的片层组织构成。用ImageJ图像分析软件对合金各相进行体积分数测定，测得α相体积分数约为72.47%。
在增材过程中，熔池末端随焊枪向前运动而开始凝固，当熔池金属的温度降到β相变点以下时，初生α相率先在晶界处形核且向晶界内长大，沿晶界α相长大为相互平行的α片层，该组织具有较大的长宽比，而较快的冷却速度使得晶内不同位向的α形核率较高，α束集尺寸较小，α片层变短且相互交错，形成网篮组织。
2.4力学性能分析
图9为CMT电弧增材制造TA15钛合金试样的室温拉伸应力-应变曲线。沿水平打印方向（X方向）的室温抗拉强度为976MPa，屈服强度为881MPa，断后伸长率为7%。沿增材高度方向（Z方向）的室温抗拉强度为964MPa，屈服强度为868MPa，断后伸长率为12.5%。堆积体在X与Z方向的抗拉强度相差小，而Z方向的断后伸长率则优于X方向。两个方向的断后伸长率的差异可能与外延生长的粗大柱状晶和晶界处连续的α相有关，水平打印方向（X方向）的拉伸试样在变形过程中，晶界α相几乎与拉伸方向垂直，裂纹更易在晶界处形成，并沿晶界扩展，导致其断后伸长率低于增材高度方向（Z方向）[16]。
图10为电弧增材制造TA15钛合金水平打印方向和增材高度方向的拉伸断口形貌。可以看到，沿增材高度方向（Z方向）拉伸试样的韧窝数量多且深度大，而水平打印方向（X方向）拉伸试样的断口形貌中韧窝较浅，表明在拉伸载荷下电弧增材制造TA15钛合金沿增材高度方向（Z方向）具有更好的塑性变形能力。
3、结论
1）采用CMT电弧增材制造技术制备的TA15钛合金堆积体表面无明显气孔，内部无气孔、未熔合等缺陷，成形良好。堆积体试样宏观组织为外延生长的粗大原始β柱状晶。
2）电弧增材制造TA15钛合金堆积体主要为α相，其体积分数约为72.47%，组织主要由针状α-Ti相互交错形成的网篮组织及少量沿β晶界的边界析出的取向一致、大长宽比的α-Ti聚集而成的片层组织构成。
3）CMT电弧增材制造TA15钛合金堆积体X方向与Z方向的抗拉强度、屈服强度相差小，而Z方向的断后伸长率则优于X方向。
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