本文采用电子束选区熔化技术制备了厚度10mm的Ti-6A1-4V合金板，研究了沿沉积方向合金的显微组织、拉伸性能和显微硬度的变化。结果表明：合金组织以α集束和α片层交织的网篮组织为主，底部由于经历多次热循环作用，α片层较顶部的略粗大，初生β晶的宽度随沉积高度增加而略有增大；合金底部、中部和顶部的屈服强度和抗拉强度呈逐渐升高趋势，但差异不大；不同沉积高度处的拉伸试样均表现为韧性断裂，断口处存在孔洞和未熔化的球形粉末；合金顶部的平均硬度(约315HV)略高于底部(约295HV)，拉伸后由于应变硬化效应硬度略有提高。

1 试样制备与试验方法

     试验原料为Ti-6Al-4V 合金ELI气雾化粉末，微观形貌见图1，其平均粒径为50μm，粉末的均匀性及球形度都较好。其化学成分符合GB/T 3620.1—1994要求。

     采用电子束选区熔化设备成形Ti-6Al-4V合金板试样，试样尺寸为80mm×30mm×10mm。成形前将机箱抽至真空状态，通入适量氮气，并预热操作平台。通过软件设定扫描路径并在基板上添加高5mm的网格支撑，如图2所示，以减弱基板材料对成形试样的影响，同时方便取下成形试样。成形时沿指定的扫描路径熔化金属粉末。EBSM预热参数及成形过程中的关键参数见表1。

表1 EBSM预热及成形时的工艺参数

      将成形试样的底部xOy面、顶部xOy面及xOz面打磨、抛光，采用由8mL HF、15mL HNO3、77mL H2O组成的试剂腐蚀后，采用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)观察各面的显微组织及微观形貌。采用X射线衍射仪(XRD)对试样底部、中部和顶部进行物相分析。按照GB/T 3075—2008，采用线切割机在成形件的底部、中部、顶部分别截取拉伸试样，尺寸如图3所示，拉伸试样厚度为2mm，参照GB/T 228—2002，采用250kN电液伺服疲劳试验机进行拉伸试验。拉伸试验结束后采用扫描电镜观察拉伸断口形貌。参照GB/T 4340.1—2009，采用数显维氏硬度计测试拉伸前后试样的显微硬度。

2 试验结果与讨论

2.1

显微组织

     由图4可知：EBSM成形Ti-6Al-4V合金板试样顶部及底部xOy面的显微组织均为α集束和α片层交织的网篮组织；顶部在急热和急冷的情况下，α片层来不及长大便已冷却，而底部受多次循环热作用，因此底部α片层较顶部粗大；xOz面上的显微组织为沿初生β晶界多种取向生长的α集束和α片层交织的网篮组织，由于晶界处的形核功较低，α相沿初生β晶界优先形核生长；初生β晶宽度随着沉积高度的增加呈现出增大趋势。另外，由于试样沉积高度仅为10mm，试样在不同沉积高度上的α片层大小差异较小。

     由图5可以看出：EBSM成形Ti-6Al-4V合金试样的物相类型不随沉积高度的变化而发生转变；从底部到顶部，β相的衍射峰逐渐减小，表明随着沉积高度的增加，β相含量逐渐降低。在成形过程中，多次热循环会使合金结构从非平衡状态逐渐过渡到平衡状态，试样底部经受的热循环次数较多，结构趋于平衡，因此试样底部β相含量较多；而试样顶部未受后续热循环，由熔池直接冷却凝固形成，冷却速率较快，形成非平衡组织，因此试样顶部β相含量较少。

2.2  力学性能与拉伸断口形貌

     由表2可以看出，试样底部、中部和顶部的拉伸试样屈服强度和抗拉强度依次升高，但相差不大。根据Hall-Petch关系，晶粒尺寸是影响合金屈服强度的重要因素。试样顶部的α片层较底部的细小，屈服强度较底部的略高；由于试样在不同沉积高度上的显微组织差异较小，试样在不同高度位置的拉伸性能差异也较小。

表2 EBSM成形Ti-6Al-4V合金试样沿沉积方向不同高度上的抗拉强度和屈服强度

     由图6可以看出：EBSM成形Ti-6Al-4V合金试样的拉伸断口均主要由韧窝组成，这表明该合金的断裂类型为韧性断裂；韧窝底部存在孔洞和未熔化的球形粉末。在拉伸过程中，孔洞和未熔化的球形粉末处产生应力集中而萌生裂纹。当裂纹向试样内部扩展时，孔洞和未熔化的粉末会成为裂纹连接的节点，最终导致合金发生断裂。

    EBSM成形Ti-6Al-4V合金板试样顶部xOy面的平均硬度(约315HV)略高于底部xOy面(约295HV)，这是由于顶部xOy面上α片层厚度较小，细化的α相使得合金的硬度略有提高；由于试样高度较小，不同沉积高度上的冷却速率相差不大，α片层厚度差异也不大，使得底部和顶部的硬度差异较小。在经过拉伸试验后，顶部xOy面上的平均硬度升高到约326HV，Ti-6Al-4V合金试样经过拉伸后产生了应变硬化使得试样硬度有所提高，但应变硬化程度并不显著，拉伸前后的硬度差异较小。

3 结 论

     (1) EBSM成形Ti-6Al-4V合金板试样的显微组织表现为沿初生β晶界多种取向生长的α集束和α片层交织的网篮组织，初生β晶粒宽度随沉积高度增加而增大；底部α片层由于多次热循环作用而变得粗大，顶部α片层较底部细小。

     (2) EBSM成形Ti-6Al-4V合金板试样从顶部到中部和底部其屈服强度和抗拉强度呈逐渐降低的趋势，但由于高度差较低，差异并不显著；沿沉积方向不同高度的拉伸断口形貌均表现为韧性断裂。

     (3) EBSM成形Ti-6Al-4V合金板试样顶部xOy面的平均硬度(约315HV)略高于底部xOy面(约295HV)；顶部拉伸试样在经过拉伸试验后由于应变硬化效应，硬度(约326HV)略有提高。