摘要
本文以钛合金强韧化为目标，基于阵列结构强韧化机理，探究了电子束熔丝增材工艺下的 TC4-TA1 阵列结构强韧化机理。基于电子束熔丝增材制造工艺，研究了不同工艺下的TC4组织与性能的关系；基于优化工艺参数，研究了TC4-TA1的阵列结构界面的组织特征，以及阵列结构对强度和塑韧性协调的影响规律；通过增材后续热处理研究，控制β→α固态相变过程，调控TC4组织特征，改善TC4-TA1阵列结构性能，进一步实现钛合金强韧化。 通过对比不同电子束熔丝增材工艺下的TC4的微观组织，建立了TC4的分区特征模型。其中单层TC4组织为底部等轴晶区和上部柱状晶区，多层TC4组织为底部基板等轴晶区、中部层带柱状晶区和顶部均匀等轴晶区，且具有明显的各向异性，高度方向上的硬度差异最大。通过改变层间冷却速率使多层多道 TC4 块体在高度方向上构建了独特的晶粒分层结构。进一步发现，增材过程中热累积使温度梯度改变，并导致晶粒粗化，硬度略微下降。 从TC4成形出发，结合阵列结构制备了TC4-TA1构件，TC4的组织特征依然存在，柱状晶区面积最大。而TA1为等轴晶组织，不存在类似TC4的分区特征。增材工艺参数对TC4与TA1的界面组织影响显著，元素成分在界面相互影响。TC4与TA1的阵列结构的力学性能也存在各向异性，虽然水平方向上的静态压缩强度和塑性比纯 TC4 略有降低，但在高度方向上却大幅提升。 通过对纯TC4与TC4-TA1阵列结构件进行热处理调控钛合金固态相变的微观组织，对比不同热处理工艺对组织影响规律，发现热处理温度对组织影响更明显。在 Tβ温度以上进行固溶和时效处理均获得了粗大的β晶粒，TC4块体顶部硬度高于增材态，但中部硬度变低；在靠近Tβ温度以下热处理TC4转变为双态组织，高度方向的抗拉与抗压强度都低于增材态，但延伸率变高；在远低于Tβ温度下热处理获得了网篮组织，高度方向的抗压强度和塑性变形略有提高。TC4-TA1阵列结构件热处理后过渡区增大，TC4组织发生转变，TA1组织无明显变化。在Tβ温度以下进行固溶和时效热处理后，水平和高度方向上界面处的静态与动态抗压强度都要高于在Tβ温度以上进行固溶和时效热处理。
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