钛合金以其良好的力学机能和耐侵蚀机能宽泛利用于航空航天
、刀兵
、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，
，，拥有优良的热强性和优异焊接性［6］，
，，在飞机机身结构和发起机叶片等均被大量使用。目前，
，，随着设备钛合金构件向大型化
、轻量化
、复杂化发展［7］，
，，其对加工制作技术提出更高的要求，
，，选取铸造
、铸造
、机械加工和焊接等传统工艺步骤难以满足制作需要。电弧增材制作技术是用电弧作为热源，
，，以金属丝材为沉积资料，
，，逐层堆积，
，，直接制作大型金属部件的技术，
，，拥有成形效能高
、资料利用率高
、设备成本相对较低等利益，
，，切合高机能大型复杂构件高效低成本制作的要求［8］。

针对TA15钛合金增材制作技术国内外学者进行大量钻研，
，，刘祥宇等［9］钻研了激光增材制作TA15钛合金显微组织及力学机能各向异性在固溶温度下的变动法规，
，，了局批注，
，，降低固溶温度，
，，柱状晶和等轴晶尺寸减小，
，，提高固溶温度，
，，TA15钛合金拉伸机能各向异性降低。牟建伟等［10］钻研了激光增材衔接TA15钛合金结合区的显微组织与力学机能，
，，了局批注，
，，结合区显微组织与母材均为网篮组织，
，，结合区的力学机能可达母材力学机能水平。激光增材制作技术可用于钛合金设备的整体制作与修复。王贺等［11］选取 GTAW 电弧增材制作技术制备了TA15/TC11梯度结构资料，
，，并对其显微组织和力学机能进行了钻研。钻研发现 ，
，，GTAW 电弧增材制作TA15和TC11均为网篮组织，
，，从TA15到TC11过渡，
，，晶粒尺寸逐步减小，
，，α 板条逐步变细。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部门和TC11部门的横向伸长率。吴冬冬等［12］选取激规复合增材制作技术制备了TA15钛合金试样，
，，并对其显微组织和力学机能进行了钻研。了局批注，
，，试样的激光选区溶解区
、溶解沉积区及界面过渡区均为沿沉积方向成长的 β柱状晶，
，，分歧区域内 α相均出现魏氏组织特点，
，，拉伸试样均断裂于溶解沉积区，
，，拥有优异的综合力学机能。谷美邦［13］钻研了分歧热处置制度对激光增材制作TA15钛合金显微组织和力学机能的影响。钻研发现，
，，通常退火态为 α+β超细网篮组织，
，，双重退火态为初生 α相+超细 β转变组织组成的特种双态组织。通常退火态激光增材制作TA15钛合金强度和委顿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］选取激光选区溶解技术，
，，钻研了激光能量密度对TA15钛合金堆积体显微组织和力学机能的影响。钻研发现，
，，SLM 堆积体组织为针状 α′马氏体，
，，随激光能量密度增长，
，，热循环峰值温度变动，
，，造成针状马氏体分级景象；；；别的，
，，随着能量密度增长，
，，堆积体试样抗拉强度逐步降低，
，，屈服强度逐步升高，
，，伸长率逐步降低。王逸尘［15］通过电子束增材制作技术钻研了分歧工艺参数对TA15堆积体的组织和力学机能的影响。钻研了局批注，
，，随远离基板，
，，β 晶粒逐步由等轴晶向柱状晶转变。增大增材速度，
，，柱状晶逐步变藐小，
，，甚至部门趋向等轴状；；；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尺度。对于TA15钛合金，
，，钻研重要集中于激光增材制作工艺
、热处置对堆积体的组织和拉伸机能的影响，
，，对CMT 电弧增材制作TA15钛合金的显微组织特点及显微组织与拉伸机能间的关系钻研较少，
，，本文作者以CMT 电弧增材制作TA15钛合金堆积体为钻研对象，
，，钻研其显微组织和力学机能，
，，为电弧增材制作TA15钛合金的进一步发展和利用提供理论与数据支持。

1
、试验与步骤

试验用基板是尺寸为 200 mm×100 mm×6 mm 的TA15钛合金板材，
，，以直径 1.2 mm 的TA15钛合金丝材为沉积资料，
，，其化学成分如表1所示。

试验用 CMT电弧增材制作系统如图 1所示。其中机械人系统为 KUKA 六轴机械人，
，，电源及送丝系统为福尼斯 CMT 4000 advanced，
，，图 2 为 CMT 电弧增材制作蹊径示意图。以水平打印方向为 X 方向，
，，以沿增材高度方向为 Z方向。增材制作工艺电流为 110 A，
，，电弧电压为 11.6 V，
，，焊接速度为 0.96 m/min，
，，送丝速度为 4 m/min，
，，焊缝宽度为20 mm，
，，层高为2 mm。

增材试验前，
，，对钛合金基板理论进行打磨算帐并用丙酮擦拭，
，，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，
，，预防增材过程基板变形。

而后装置惰性气体；；；ふ郑
，，并在增材前以 20 L/min 的速度向；；；ふ帜谕ㄈ 3 min 氩气以排尽；；；ふ帜诘目掌
，，随后将速度调至 15 L/min进行增材试验，
，，预防较快的气流对电弧不变性造成影响。

增材实现后，
，，用 XYD-225 型 X 射线实时成像检测系统对电弧增材制作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，
，，使用侵蚀剂（3 mLHF
、30 mLHNO3
、67 mLH2O2）侵蚀，
，，而后用酒精洗濯并吹干。用光学显微镜（OM）和FEI Quanta250F 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；；；用全能拉伸试验机进行力学机能测试，
，，用扫描电子显微镜进行断口分析。

2
、了局与会商

2.1 宏观描摹

图 3 为 CMT 技术制作的TA15钛合金堆积体。尺寸为 130 mm×120 mm×26 mm。图 4 为TA15钛合金堆积体无损检测了局。图 4堆积体顶部和中部玄色阴影为像质计留下的影像，
，，能够发现，
，，堆积体理论无显著气孔，
，，内部无气孔
、未熔合等缺点，
，，成形优良。

图 5 为金相试样取样示意图？Ｄ芄豢闯觯
，，CMT 电弧增材制作TA15钛合金为粗壮的柱状晶组织。在增材凝固过程中，
，，金属丝材在电弧作用下溶解形成熔池，
，，在电弧活动脱离后，
，，熔池金属冷却凝固形成新的资料沉积，
，，在电弧增材制作过程中，
，，熔池中绝大部门热量以热传导的方式通过基板沿垂直向下的方式消散。温度梯度与沉积方向相反，
，，晶体将逆温度梯度成长，
，，形成贯通多个沉积层的β柱状晶。

2.2 物相分析

TA15堆积体的 XRD 图如图 6所示？Ｄ芄环⑾郑
，，电弧增材制作TA15钛合金堆积体中只检测到了密排六方（HCP）相的衍射峰，
，，未发现显著 β 相衍射峰，
，，批注电弧增材制作TA15钛合金堆积体重要为α相。

2.3 显微组织

图 7
、8 别离为电弧增材制作TA15钛合金的光学显微镜（OM）和扫描电镜图。

能够看出，
，，电弧增材制作TA15钛合金组织重要由针状 α-Ti 互订交错形成的网篮组织及少量沿 β 晶界的天堑析出的取向一致
、大长宽比的 α-Ti荟萃而成的片层组织组成。用 Image J 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，
，，熔池结尾随焊枪向前活动而起头凝固，
，，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，
，，该组织拥有较大的长宽比，
，，而较快的冷却速度使得晶内分歧位向的 α 形核率较高，
，，α束集尺寸较小，
，，α 片层变短且互订交错，
，，形成网篮组织。

2.4 力学机能分析

图 9 为 CMT 电弧增材制作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 976 MPa，
，，屈服强度为 881 MPa，
，，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 964 MPa，
，，屈服强度为 868 MPa，
，，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距可能与外延成长的粗壮柱状晶和晶界处陆续的 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相险些与拉伸方向垂直，
，，裂纹更易在晶界处形成，
，，并沿晶界扩大，
，，导致其断后伸长率低于增材高度方向（Z方向）［16］。

图 10 为电弧增材制作TA15钛合金水平打印方向和增材高度方向的拉伸断口描摹？Ｄ芄豢吹剑
，，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）拉伸试样的断口描摹中韧窝较浅，
，，批注在拉伸载荷下电弧增材制作TA15钛合金沿增材高度方向（Z方向）拥有更好的塑性变形能力。

3
、结 论

1）选取 CMT电弧增材制作技术制备的TA15钛合金堆积体理论无显著气孔，
，，内部无气孔
、未熔合等缺点，
，，成形优良。堆积体试样宏观组织为外延成长的粗壮原始β柱状晶。

2）电弧增材制作TA15钛合金堆积体重要为 α相，
，，其体积分数约为 72.47%，
，，组织重要由针状 α-Ti 互订交错形成的网篮组织及少量沿 β晶界的天堑析出的取向一致
、大长宽比的 α-Ti 荟萃而成的片层组织组成。

3）CMT 电弧增材制作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。

4
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