采用电子束选区熔化成形技术制备不同尺寸(ϕ8mm×25mm，ϕ25mm×8mm)TC4合金试样，研究了2种试样在粉末堆积方向的显微组织及硬度变化。结果表明：尺寸ϕ8mm×25mm试样的显微组织主要由原始β柱状晶界处的针状α集束组织和晶内针状α相互相交错形成的网篮状魏氏组织组成，原始β柱状晶主轴平行于堆积方向并且贯穿各熔合层，残余β相弥散分布在α相基体中；尺寸ϕ25mm×8mm试样顶部组织由针状α'相组成，中部组织中α'相受热分解为α相和β相，α相宽度较大，底部组织中条状α相贯穿原始β晶粒形成集束，残余β相在α相基体中呈连续网状分布。具有较大长宽比针状α相或α'相部位的显微硬度比具有较小长宽比条状和片状α相或α'相的硬度高。

1 试样制备与试验方法

      试验材料为球形TC4合金粉末，粉末的粒径范围为25~100μm。基板为316L不锈钢板，成形前将基板预热至700℃，以提高粉末层黏性，防止粉末溃散。预热完成后采用真空电子束增材制造设备在真空环境中制备，尺寸分别为ϕ8mm×25mm、ϕ25mm×8mm的2种圆柱体试样(分别记作试样1和试样2)，电子束以弓字方式扫描熔化粉末层，扫描完一层粉末后，工作台旋转90°，使相邻两层扫描线相互垂直。

图1 电子束选区熔化成形TC4合金的取样位置示意

     沿粉末堆积方向将试样1均分为顶部、上部、下部、底部4个试样，在试样2中心沿轴向(粉末堆积方向)截取直径为8mm的圆柱体试样，并将该圆柱体试样均分为顶部、中部、底部3个试样，具体取样位置如图1所示。采用X射线衍射仪(XRD)进行物相分析。试样经打磨、抛光，用Kroll试剂腐蚀8s后，采用超景深光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对轴向显微组织进行观察。采用显微硬度计对硬度进行测试。

2 试验结果与讨论

2.1物相组成

     TC4合金为α+β双相钛合金，α-Ti的晶体结构为密排六方结构，β-Ti为体心立方结构，二者具有Burgers关系。由图2可知，电子束选区熔化成形TC4合金试样均出现了α-Ti和β-Ti相衍射峰，试样1底部组织中β-Ti的衍射峰强度较大。电子束选区熔化是一个急热急冷的过程，熔池先凝固形成β相，随后在快冷过程中转变为亚稳态的细针状α'马氏体组织，后续受热循环作用，α'马氏体分解形成α+β 相。试样底部经历了次数较多的热循环过程，同时在基板的预热作用下更多的α'相分解为α相和β相，因此β-Ti相衍射峰强度增加。

图2 不同试样不同位置的XRD谱

2.2显微组织

图3 试样1不同位置的轴向显微组织

      由图3可以看出：试样1轴向显微组织中原始β柱状晶贯穿各熔合层，这是因为电子束轰击合金粉形成熔池，熔池中液相温度随着距固液界面距离增大而升高，温度梯度的方向平行于粉末堆积方向，满足柱状晶的生长条件，在凝固过程中固液界面以近平面状的方式沿粉末堆积方向推进形成定向生长的β柱状晶；试样上部、下部与底部组织中原始β柱状晶界存在集束魏氏组织，由原始β柱状晶界处析出的针状α相以相同位向且相互平行地向晶内生长形成，同时部分针状α相在晶内互相交织，形成网篮状魏氏组织；试样1底部贴近基板，基板的保温作用导致β相的原子具有较大的扩散系数，使得原始β柱状晶粗化，因此在组织中无法显示出原始β柱状晶的晶界，而只能看到柱状晶内部的网篮状魏氏组织；试样1顶部冷却速率较大，合金发生非平衡凝固形成的β相转变为细长针状α'过饱和马氏体，由于未经历后续热循环，α'马氏体得以保留，且α'相的长宽比较大。

图4 试样1顶部的SEM形貌

      由图4可以看出，试样1顶部针状α'马氏体晶界处析出细小的β相，以不同位向相互交错的细长杆状和点状β相在晶界处密集分布。试样1上部和下部组织中存在于α相界和其针间的残余β相受热以及钒、铁等β稳定元

素的影响而长大，导致α相界破碎，α相的长度缩短。试样1底部经历多次热循环作用，同时在基板的保温作用下，冷却速率较低，部分针状α相在长度方向上相互融合，长宽比较大。

图5 试样2不同位置的轴向显微组织

     由图5可以看出，试样2无法观察到原始β柱状晶，底部组织趋于晶粒状。试样顶部面积较大且直接与真空环境接触，冷却速率较大，合金发生非平衡凝固，因此顶部组织为大量致密细小的针状α'马氏体。由于试样2高度小，基板的保温作用导致试样的纵向温度梯度不足以驱动β相形成定向生长的柱状晶，液相中的固液界面趋于以胞状组织的形态推进。试样中部的冷却速率较小，针状α'马氏体受热分解为α相和β相，相邻α相融合变宽，且互相平行以集束形态分布。在多次热循环以及基板的保温作用下，试样底部的温度梯度较小，α相晶核只能在原始β晶界上形成，随后晶核以相同的位向往晶内生长，并在原始β晶粒内逐渐形成长条状α相，组织呈β/α/β三明治结构，长条状的α相贯穿原始β晶粒形成α相集束，且不同晶粒中集束的取向不同。

图6 试样2底部的SEM形貌

      由图6可以看出，试样2底部组织的α相片层间存在长杆状残余β相，且β相呈连续网状分布。

2.3硬 度

图7 不同试样沿堆积方向的显微硬度分布

     由图7可以看出：试样1顶部和底部的显微硬度较大，最大硬度出现在顶部，为406.7HV，试样1的平均硬度为354.33HV；试样2的显微硬度随着距基板距离的增大而升高，平均硬度为333.92HV，略低于试样1。α'相或α相的形态和尺寸对钛合金的显微硬度有一定的影响；在施加应力条件下，α'相或α相间发生滑移，在滑移过程中，当α'相或α相的长宽比及其长度较大时，与相邻α'相或α相之间滑移的路径更大，需要消耗的能量更多，滑移阻力更大，从而导致显微硬度更高。试样1顶部针状α'相和底部针状α相的长宽比大于上部与下部α相，因此顶部和底部的硬度高于上部与下部。从试样2顶部到底部，α'/α相由针状变为条状和片状，其宽度逐渐增加，导致相尺寸及其间距变大，塑性增大，因此该试样在粉末堆积方向的显微硬度逐渐降低；试样2底部组织趋于晶粒态，形成α相集束，其塑性变形能力较好，因此最低显微硬度出现在底部。

3 结 论

     (1) 电子束选区熔化成形尺寸ϕ8mm×25mmTC4合金试样的显微组织主要由原β柱状晶界处的针状α集束组织和柱状晶内的针状α相互交错形成的网篮状魏氏组织组成，原始β柱状晶主轴平行于堆积方向并且贯穿各熔合层，残余β相弥散分布在α相基体中。

      (2) 尺寸为ϕ25mm×8mm试样的顶部组织由大量致密细小的针状α'相组成，中部组织中针状α'相分解为α相和β相，α相宽度较大，底部组织中条状α相贯穿β晶粒形成集束，且不同晶粒中集束的取向不同；残余β相在α相基体中呈连续网状薄层分布。

     (3) 尺寸为ϕ8mm×25mm试样的平均硬度为354.33HV，具有较大长宽比针状α'相的顶部和α相的底部的显微硬度大于具有较小长宽比针状α相的上部与下部显微硬度；尺寸ϕ25mm×8 mm试样的平均硬度为333.92HV，从顶部到底部α相由针状变为条状和片状，长宽比减小，显微硬度降低。