电脉冲处理对选区激光熔化成形TiC/Ti6Al4V组织及性能影响机理研究
摘要
Ti6Al4V合金由于具有较高的比强度和优良的耐腐蚀性等性能，是目前应用最广泛
的钛合金。然而其耐磨性较差、硬度较低，因此常采用TiC陶瓷颗粒作为增强相，提高
其强度、耐磨性等性能。选区激光熔化（SelectiveLaserMelting,SLM）可以实现复杂零
件的近净成形，有利于钛基复合材料的制备。然而，利用SLM制备的钛基复合材料因
为缺陷、脆性第二相以及冷却较快产生的马氏体而存在塑性差的问题。电脉冲处理是一
种高效的金属材料后处理手段，对愈合缺陷以及减少马氏体都有一定的作用。因此，本
文采用选区激光熔化技术制备TiC/Ti6Al4V复合材料，研究工艺参数对Ti6Al4V合金基
体材料以及TiC/Ti6Al4V复合材料的组织及性能的影响规律，并对TiC/Ti6Al4V复合材
料进行电脉冲处理，研究电脉冲处理对复合材料组织及性能的影响规律及作用机制。研
究结果表明：
激光能量密度对Ti6Al4V合金的组织及性能影响较大，增加激光功率或减小扫描速
度会提高成形过程中的能量密度，使得粉末更易熔化，减少了合金中的未熔合缺陷，同
时钛合金内部柱状晶尺寸增大。其硬度因未熔合缺陷减少而随能量密度增大而增大。
Ti6Al4V合金的抗拉强度随能量密度增加先上升后下降。能量密度较低时，未熔合缺陷
使得钛合金强度较低，而能量密度过高时，因柱状晶尺寸增大使得强度开始下降。激光
功率200W、扫描速度0.8m/s的工艺参数制备的Ti6Al4V合金的延伸率达到6.0%，同
时抗拉强度达到1286.8MPa，具有优异的综合性能。
采用相同的工艺参数制备TiC/Ti6Al4V复合材料，能量密度不足以很好地熔化混合
粉末，因此随着TiC含量增加，未熔合缺陷增加。由于TiC提供了形核质点，βTi柱状
晶及内部的αTi尺寸随着TiC含量的增加而减小，并形成了大量等轴βTi晶粒。除细晶
强化外，TiC还通过固溶强化以及第二相强化机制提高了复合材料的硬度和强度。激光
功率200W、扫描速度0.8m/s的工艺参数制备的TiC体积分数为0.5%的TiC/Ti6Al4V
复合材料的抗拉强度达到1383.5MPa，延伸率只有1.1%。因为缺陷增加，加入TiC后
复合材料塑性大幅度下降。TiC体积分数为1.0%的TiC/Ti6Al4V复合材料也因此未屈服
就断裂，抗拉强度较低仅为1233.9MPa，甚至小于钛合金。随着能量密度增加，复合材
料中缺陷逐渐减少，βTi尺寸逐渐增大。由于晶粒尺寸变大材料硬度有所下降。随着能
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量密度由50J/mm增加到111.11J/mm，缺陷减少，TiC体积分数为1.0%的TiC/Ti6Al4V
复合材料强度有所提高，抗拉强度可超过1450MPa，明显高于0.5%TiC/Ti6Al4V复合
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
材料。
针对选区激光熔化制备的TiC/Ti6Al4V复合材料存在较多缺陷的问题，采用数值模
拟的方法模拟了带有缺陷的复合材料试样在电脉冲处理过程中的温度场及应力场。模拟
结果表明，因电流绕过缺陷而在缺陷附近产生了电流密度差，使得热量在缺陷处分布不
均匀，从而产生了热应力，使得缺陷附近发生了塑性变形，缺陷逐渐愈合。提高电压后
温度进一步提高、应力进一步增大，缺陷愈合程度更高。首先对1.0%TiC/Ti6Al4V复合
材料进行了电脉冲处理试验，90V电脉冲处理后缺陷有所减少，孔隙率由2.23%降低到
1.41%。因处理时间较长，在热效应的影响下，初生βTi以及内部的αTi尺寸都有所增
加。复合材料显微硬度和延伸率因未熔合缺陷的减少而有所升高，强度则因为晶粒尺寸
增大而有所下降。采用更短的处理时间以及降低电压对选区激光熔化0.5%TiC/Ti6Al4V
复合材料进行电脉冲处理试验，发现60V电脉冲处理后的复合材料中未熔合缺陷尺寸
大幅度减少，气孔数量及尺寸略有下降。90V处理后未熔合缺陷基本消失，气孔数量及
尺寸继续下降。此外，经过电脉冲处理后，复合材料中出现了细小的等轴组织，这是因