熱處理對(duì)3D打印TC4鈦合金鍛件耐蝕性的影響

TC4鈦合金（Ti-6Al-4V）是國(guó)內(nèi)外廣泛使用的鈦合金，含有6％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）α相穩(wěn)定元素Al和4％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，消停）β相穩(wěn)定元素Ｖ，是典型的α＋β鈦合金，以雙態(tài)、等軸、魏氏體和網(wǎng)籃組織為主。

TC4合金在20～400 ℃具有良好的綜合性能（輕質(zhì)、耐熱、高強(qiáng)、抗氧化、耐腐蝕等），廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片、風(fēng)扇盤和轉(zhuǎn)子葉片。相比于傳統(tǒng)鑄造TC4合金，3D打印TC4合金無需任何加工磨具，工藝快速簡(jiǎn)單，同時(shí)避免了TC4合金成型加工困難的缺點(diǎn)，特別適合制造大型復(fù)雜鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件[1－2]。

在海洋性大氣環(huán)境中，鈦合金可以在表面形成穩(wěn)定的氧化膜，同時(shí)具備良好的耐蝕性。然而，航空發(fā)動(dòng)機(jī)用關(guān)鍵鈦合金零部件長(zhǎng)期服役于高溫、高壓、高濕、高鹽及高速微動(dòng)磨損等多重極端惡劣條件下，其耐蝕性可能會(huì)因惡劣服役環(huán)境的影響而大幅降低。研究表明：腐蝕環(huán)境、微觀組織、化學(xué)元素含量和相的形態(tài)均會(huì)對(duì)鈦合金的耐蝕性產(chǎn)生影響。張瑋航等[3]研究了3D打印參數(shù)對(duì)TC4合金耐蝕性的影響，結(jié)果表明，3D打印功率越低、掃描速率越慢，鈦合金的耐蝕性越好；ＡＬＡＧＩＣ等[4]的研究表明，與具有α＋β兩相組織的Ti-6Al-4V合金相比，具有單相馬氏體組織的Ti-13Nb-13Zr合金的耐蝕性更好； 何博文等[5]采用電化學(xué)腐蝕方法比較了3D打印鈦合金與鑄造鈦合金的耐蝕性，結(jié)果表明，3D 打印ＴＣ11鈦合金的α＋β網(wǎng)籃組織較鍛件組織細(xì)小，具有更好的耐蝕性，雙重退火熱處理后，α相含量增多并粗化，耐蝕性略有下降。然而，已有文獻(xiàn)大多針對(duì)打印參數(shù)或者單一熱處理工藝對(duì)鈦合金耐蝕性的影響，而本工作研究了多種熱處理工藝對(duì)鈦合金耐蝕性的影響，以期為3D 打印鈦合金的熱處理提供借鑒。

1、試驗(yàn)

采用激光立體成型設(shè)備對(duì)TC4鈦合金球形粉末進(jìn)行3D打印，TC4粉末采用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備，試樣的成形參數(shù)如下：激光功率2　800Ｗ；掃描速率800～1000mm／min；送粉器示數(shù)10～20；光斑直徑5mm；載粉氣流量７～10Ｌ／min；鏡頭保護(hù)氣流量20～25Ｌ／min；Ｚ軸單層行程1mm；搭接率50％。單層掃描采用往復(fù)掃描方式，通過在已有沉積層上反復(fù)進(jìn)行新層的搭接最終形成尺寸為120mm×60mm×30mm的厚板。

打印完成后，取三塊相同的試板進(jìn)行如下處理：第一組不進(jìn)行處理，記作1號(hào)試樣；第二組進(jìn)行時(shí)效處理（550℃保溫4ｈ，空冷），記作2號(hào)試樣；第三組進(jìn)行固溶時(shí)效處理（950℃保溫4ｈ后，550℃保溫4ｈ，水冷），記作3號(hào)試樣。將三種試樣分別取樣進(jìn)行顯微組織觀察，隨后在1mol／Ｌ鹽酸溶液中進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)。微觀組織觀察試樣尺寸為15mm×15mm×10mm。試樣經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后用體積比為1:3:50的氫氟酸和硝酸混合水溶液進(jìn)行腐蝕。采用Ａｘｉｏ　Ｉｍａｇｅｒ　Ｍ2ｍ 顯微鏡觀察試樣的顯微組織，采用Ａｘｉｏ　Ｖｉｓｉｏｎ軟件統(tǒng)計(jì)組織中不同相的含量。

電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)在室溫1mol／Ｌ鹽酸溶液中進(jìn)行。試驗(yàn)采用三電極體系，鉑片為輔助電極，飽和甘汞電極（ＳＣＥ）為參比電極，試樣為工作電極。測(cè)試前，將試樣釬焊在細(xì)銅導(dǎo)線上后用環(huán)氧樹脂封裝，工作表面（10mm×10mm）采用砂紙逐級(jí)打磨并拋光后，使用無水乙醇超聲清洗。將試樣浸泡在試驗(yàn)溶液中測(cè)量其開路電位；電化學(xué)阻抗測(cè)試的掃描頻率為10－2～105Hz。動(dòng)電位極化曲線的掃描速率為0.16７mV/s，測(cè)試范圍為－0.5～＋0.5Ｖ（相對(duì)開路電位），測(cè)試結(jié)果采用Ｚｖｉｅｗ軟件進(jìn)行擬合[6－8]。

2、結(jié)果與討論

2.1　顯微組織

由圖1可見：3D打印TC4鈦合金的顯微組織為α＋β網(wǎng)籃組織，其中，沉積態(tài)（1號(hào)試樣）的組織為細(xì)針狀α＋β網(wǎng)籃組織，針狀α相平均寬度約為0.4μｍ；經(jīng)時(shí)效處理后（2號(hào)試樣），試樣組織仍為α＋β網(wǎng)籃組織，α相粗化，平均寬度約為0.8μｍ，且α相含量增加；經(jīng)固溶時(shí)效水冷處理后（3號(hào)試樣），試樣組織明顯粗化，轉(zhuǎn)變?yōu)樘厥獾摩粒戮W(wǎng)籃組織，由粗大的片層α相（平均寬度約為2μｍ）和細(xì)小針狀α相（平均寬度約為0.6μｍ）組成[9]。

采用Ａｘｉｏ　Ｖｉｓｉｏｎ軟件對(duì)三種試樣組織中的α相含量進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：1號(hào)試樣組織中的α相質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為51％；經(jīng)時(shí)效處理后的2號(hào)試樣，其α相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為58％；經(jīng)固溶時(shí)效水冷處理的3號(hào)試樣，α相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為65％。

2.2　電化學(xué)試驗(yàn)

2.2.1極化曲線

由圖2和表1可見，三種試樣在1mol／Ｌ鹽酸溶液中的極化曲線相似；3D打印TC4鈦合金經(jīng)熱處理后，開路電位有所升高；三種試樣的腐蝕電流密度由小到大依次為1號(hào)試樣、2號(hào)試樣、3號(hào)試樣。

一般來說，開路電位并不能完全反映材料的耐蝕性，開路電位的高低與TC4鈦合金在鹽酸溶液中開始腐蝕的孕育期也有一定的關(guān)系[10－12]，綜合開路電位與腐蝕電流密度，三種試樣在1mol／Ｌ鹽酸溶液中的耐蝕性由強(qiáng)到弱依次為沉積態(tài)（1號(hào)）試樣、時(shí)效態(tài)（2號(hào)）試樣和時(shí)效水冷態(tài)（3號(hào)）試樣。

2.2.2電化學(xué)阻抗譜

由圖3可見：三種試樣的電化學(xué)阻抗均為單一的容抗弧（一個(gè)時(shí)間常數(shù)）。根據(jù)容抗弧特征，選取圖4所示等效電路對(duì)阻抗譜進(jìn)行擬合，其中Ｒｓ為溶液電阻，ＣＰＥ為雙電層常相位角元件，Ｒｐ為極化電阻。電化學(xué)阻抗譜的擬合結(jié)果見表2，通常極化電阻Ｒｐ越大，試樣的耐蝕性越高。由圖3和表2可見：三種試樣的耐蝕性由強(qiáng)到弱依次為沉積態(tài)（1號(hào)）試樣、時(shí)效態(tài)（2號(hào)）試樣和時(shí)效水冷態(tài)（3號(hào)）試樣，這與動(dòng)電位極化曲線的結(jié)果一致。

2.3　討論

綜合顯微組織觀察與電化學(xué)測(cè)試結(jié)果，3D打印鈦合金在1mol／Ｌ鹽酸溶液中的耐蝕性受后續(xù)熱處理的影響會(huì)發(fā)生變化，沉積態(tài)試樣的耐蝕性最好，時(shí)效態(tài)試樣的次之，時(shí)效水冷態(tài)試樣的最差。顯微組織差異是造成沉積態(tài)試樣和后續(xù)熱處理試樣耐蝕性差異的根本原因。

熱處理會(huì)對(duì)3D打印TC4鈦合金的耐蝕性產(chǎn)生影響，這是因?yàn)椋菏紫龋鶕?jù)張敏等的研究結(jié)果，α相中Ｍｏ元素的含量比β相中的低，而Ｍｏ元素能夠極大地提高鈦合金表面鈍化膜在含Ｃｌ－ 溶液中的穩(wěn)定性并增加合金的耐蝕性，所以α相的耐蝕性比β相的差。沉積態(tài)試樣的α相含量最低，后續(xù)熱處理使得α相析出，含量升高，故3D打印TC4鈦合金經(jīng)熱處理后耐蝕性減弱。其次，3D打印TC4鈦合金經(jīng)熱處理后合金組織出現(xiàn)一定程度的粗化，耐蝕性減弱。最后，3D打印TC4鈦合金經(jīng)水冷處理后出現(xiàn)粗大片層α相和細(xì)小針狀α相，組織變得更不均勻，耐蝕性變得更差。

3、結(jié)論

（1）在鹽酸溶液中，3D打印TC4鈦合金經(jīng)熱處理后耐蝕性有所差異，沉積態(tài)的最好，時(shí)效態(tài)的次之，時(shí)效水冷態(tài)的最差；

（2）3D打印TC4合金經(jīng)熱處理后耐蝕性差異的主要原因是組織差異；

（3）結(jié)合本文結(jié)論，可對(duì)3D打印鈦合金熱處理提供一定的借鑒意義，在保證其他性能滿足要求的情況下，可盡量降低α相析出，并提高組織均勻性，從而提高材料的耐蝕性。

參考文獻(xiàn)：

[1]　徐增華.金屬耐蝕材料第十二講鈦合金[Ｊ].腐蝕與防護(hù)，2002，23（1）：42－45.

[2]　楊專釗，劉道新，張曉化.鈦及鈦合金的縫隙腐蝕行為[Ｊ].腐蝕與防護(hù)，2013，34（4）：295－29７.

[3]　張瑋航，周文博，潘紅娟.不同打印參數(shù)對(duì)3D打印鈦合金電化學(xué)腐蝕的影響[Ｊ].廣東化工，201７，44（1）：35－36.

[4]　ＡＬＡＧＩＣ　Ｉ，ＣＶＩＪＯＶＩＣ　Ｚ，ＭＩＴＲＯＶＩＣ　Ｓ，ｅｔ　ａｌ.Ｗｅａｒ ａｎｄ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｂｅｈａｖｉｏｕｒ　ｏｆ　Ti－13Nb－13Ｚｒ　ａｎｄ　Ti－6Ａｌ－ 4Ｖａｌｌｏｙｓ　ｉｎ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｏｌｕTiｏｎ[Ｊ].Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ，2011，53（2）：７96－808.

[5]　何博文，冉先喆，田象軍，等.激光增材制造ＴＣ11鈦合金的耐蝕性研究[Ｊ].中國(guó)激光，2016，43（4）：81－8７.

[6]　姜應(yīng)律，吳蔭順.用極化曲線研究鈦合金在水、醇中腐蝕機(jī)理的差異[Ｊ].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2005，1７ （3）：154－158.

[７]　朱玉琴，蘇艷，舒暢，等.ＴＣ18鈦合金在海洋大氣環(huán)境中的腐蝕行為研究[Ｊ].裝備環(huán)境工程，2018，15（3）：35－38.

[8]　李小宇，鄭美華，王潔琪，等.3D打印和鑄造鈷鉻合金耐蝕性及力學(xué)穩(wěn)定性比較[Ｊ].中華口腔醫(yī)學(xué)研究雜 志（電子版），2016，10（5）：32７－332.

[9]　卓君.熱處理對(duì)3D打印TC4鈦合金組織與力學(xué)性能的影響[Ｊ].鈦工業(yè)進(jìn)展，2019，36（4）：19－23.

[10]　曹楚南.腐蝕電化學(xué)[Ｊ].自然雜志，1983，5（4）：266－2７0.

[11]　王海杰，王佳，彭欣，等.鈦合金在3.5％ ＮａＣｌ溶液中的腐蝕行為[Ｊ].中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2015，35（1）：７5－80.

[12]　張新平，于思榮，何鎮(zhèn)明，等.新型牙科用Ti合金人工體液中電化學(xué)腐蝕研究[Ｊ].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2003，15（5）：249－253.

相關(guān)鏈接