洞察
“ UIT能够在不引入额外合金元素的前提下，通过“细化晶粒 + 压应力 + 缺陷愈合”三重机制，显著提升钛合金熔覆层的抗烧蚀、高温抗氧化及疲劳性能，可归纳为“组织-应力-性能”三位一体的提升机制。”
钛合金因其比重小、比强度高、耐高温等特性，被广泛应用于涡轮发动机热端部件。然而普通钛合金在特定气压和高温条件下易被点燃并持续燃烧，产生”钛火”现象，限制了钛合金在先进航空发动机中的应用。阻燃钛合金正是为应对钛火隐患而研发的特殊材料，其开发是解决钛火问题最直接的途径。Ti-V-Cr系阻燃钛合金一直是研究热点。美国普惠公司开发的Alloy C（Ti1270）作为最具代表性的钛合金，后通过添加少量Si、C元素制备出Alloy C+。北京航空材料研究院在此基础上，根据Si、C等元素的调整，研制出TF550（Ti-35V-15Cr-0.3Si-0.1C）阻燃钛合金。TF550合金在550℃下表现出良好的高温性能、优异的蠕变和持久性能。但该合金变形抗力大，大量实验表明，高抗变形性、高密度以及钒元素的高成本使得该合金热变形更加困难，机械加工的高成本制约了TF550的应用。
近日，南昌航空大学刘丰刚副教授团队针对TF550合金难加工问题，采用超声冲击（UIT）与激光熔覆技术复合制备耐高温TF550熔覆层。在此基础上研究UIT对激光熔覆TF550合金微观组织、抗烧蚀性能及高温氧化特性的影响，为激光熔覆TF550钛合金在航空航天等领域的成功应用奠定基础。
相关研究成果以“Microstructure and oxidation properties of TF550 alloy by laser cladding and ultrasonic impact hybrid manufacture”为题发表在《Journal of Alloys And Compounds》上。论文作者为刘旭硕士研究生，通讯作者为刘丰刚副教授和黄春平教授。
▲论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.177924
“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析
成果速览
▲图1 UIT示意图：（a）超声系统；（b）UIT工作图；（c）冲击头结构图
图2是激光熔覆TF550钛合金在UIT和未UIT下的显微组织形态。可以发现，UIT辅助激光熔覆TF550钛合金顶部区域等轴晶的晶粒尺寸明显小于未UIT处理的样品，顶层平均晶粒尺寸达到18 μm左右。施加UIT的样品，等轴晶区宽度约为526 μm，试样底部等轴晶的变化趋势与顶部相似，试样底部的显微组织由从柱状晶转变为等轴晶，平均尺寸减小，约为49 μm，说明UIT促进了等轴晶的形成，并增加了试样顶部和底部等轴晶区的宽度。
▲图2 激光熔覆TF550钛合金的顶部和底部的等轴晶显微组织：（a）无UIT处理的顶部区域;（B）施加UIT的顶部区域;（c）A区的扩大;（d）无UIT处理的底部区域;（e）施加UIT的底部区域;（f）B区的扩大
图3为采用UIT处理的激光熔覆TF550钛合金的SEM形貌。可以观察到，样品表面出现了严重塑性变形层的层状形貌，其宽度约为70.45 μm。图3（c）仍为柱状晶，平均尺寸约为88 μm。与未采用UIT处理试样的柱状晶宽度相比（262 μm），平均尺寸减小了约66%。可以看出，UIT的作用不仅是将顶部和底部的柱状晶转变为等轴晶，而且重熔后试样中部粗大的柱状晶转变为较小的柱状晶，表明UIT对激光熔覆TF550钛合金试样的晶粒起到了细化作用。
▲图3 采用UIT处理的激光熔覆TF550钛合金的SEM形貌：（a）塑性变形层;（B）A区放大图;（c）中间区域柱状晶形貌;（d）B区放大图;（e）C区放大图
结合图4 TEM结果可以确定，析出相主要为点状、棒状和鸡爪状，根据析出相的原子比和形貌推测点状析出相为Ti5Si3，棒状析出相为α相，鸡爪状析出相为TiC。
▲图4 施加UIT样品表面的TEM分析：（a）距离表面400 μm;（B）A区放大;（c）SAED 1;（d）SAED 2;（e）位错线;（f）位错缠结;（g）距离表面50 μm;（h）纳米晶体
▲图5 激光熔覆TF550钛合金的激光脉冲烧蚀宏观图：无UIT：（a）1 s;（B）3 s;（c）5 s; 施加UIT：（d）1 s;（e）3 s;（f）5 s
▲图6 TF550钛合金在不同烧蚀时间下的AP面积
图7所示，有UIT处理的激光熔覆TF550钛合金样品烧蚀坑左侧有明显的白色点状颗粒。EDS结果表明，未施加和施加UIT处理样品的烧蚀坑附近都有Ti、V、Cr的氧化物，无UIT处理的样品中O元素含量大于70%，Ti元素的含量约为18%，V和Cr的氧化物较少。点1、2和3的EDS结果中各元素的含量大致相同，根据O/Ti原子比推测为Ti2O3、V2O5 和Cr2O3 氧化物的混合物。根据点5的O/Ti原子比，推测白色颗粒主要为氧化钛。UIT处理后，O元素含量降至50%左右，表明样品的氧化程度降低，V和Cr元素含量增加，表明和Cr2O3的生成量增加，这是由于UIT处理后TF550钛合金熔覆层组织细化，晶界数量增多，晶界处能量密度高，V、Cr元素的扩散速率增加，使V2O5 和Cr2O3的生成量增加，而V2O5 和Cr2O3具有良好的阻燃效果，其生成量的增加提高了试样的阻燃性能。
▲图7 激光烧蚀5 s后烧蚀坑边缘的SEM形态：（a）无UIT的TF550钛合金;（B）区域A的放大;（c）区域B的放大;（d）有UIT的TF550钛合金;（e）区域C的放大;（f）区域D的放大
▲图8 高温氧化动力学曲线
从图8可以看出，在100小时高温氧化实验中，激光熔覆TF550钛合金的增重最大，施加UIT的激光熔覆TF550钛合金表面氧化产物增重明显低于无UIT处理试样。在高温氧化实验开始时，曲线的斜率较大，表明氧化增重速率较大，40h后曲线斜率变小，曲线趋于平缓，进入稳定氧化阶段，也符合抛物线规律，表明长期高温氧化使材料表面成为致密连续的氧化膜，阻止氧的相互扩散，减慢氧化反应，从而降低氧化速率，氧化增重速率也降低。
结论
本文针对TF550钛合金难加工的问题，将超声冲击处理（UIT）与激光熔覆技术（LC）相结合，制备了TF550钛合金耐高温熔覆层，并在此基础上研究了超声冲击处理对激光熔覆TF550钛合金的组织特征、抗燃烧性能和高温氧化性能的影响。施加UIT后熔覆层组织得到细化，顶部等轴晶平均尺寸约为18 μm。经过UIT处理的试样烧蚀坑面积分别减小了35.99%、31.58%和34.71%，试样表面氧化程度降低，耐燃性提高。与未经UIT处理的试样相比，施加UIT后试样的氧化增益降低，氧化膜厚度减小，抗氧化性能增强。总体而言，激光熔覆TF550钛合金施加超声冲击处理后晶粒得到了细化，阻燃性能和抗高温氧化性能均显著提高。
主要作者简介
刘奋成教授
南昌航空大学教授，博士生导师，南昌航空大学工程训练中心副主任。江西省高层次高技能领军人才，省杰出青年基金获得者。主要从事金属材料增材制造及再制造技术、先进航空材料焊接和表面改性、金属基复合材料制备和表征等方面的研究工作。中国机械工程学会增材制造分会委员、中国有色金属学会增材制造专业委员会委员、中国光学学会激光加工专业委员会委员，《热加工工艺》杂志编委，《稀有金属材料与工程》和《特种铸造和有色合金》杂志青年编委。发表SCI论文60余篇，授权专利10余项，获中国产业化促进会一等奖、江西省自然科学奖一等奖、中国航空学会学技术奖二等奖等6项奖励。
刘丰刚副教授
南昌航空大学副教授，硕士生导师，主要从事金属材料的激光增材制造、修复再制造、激光加工等方面的研究工作。主持国家自然科学基金、江西省自然科学基金、航空科学基金、西北工业大学凝固技术国家重点实验室开放基金等多项课题。在Additive Manufacturing、Materials Science and Engineering A、Journal of Alloys and Compounds、金属学报等国内外知名期刊上发表SCI、EI论文40余篇。获得国家技术发明专利5项。兼任中国机械工学学会增材制造分会委员、江西省机械工程学会增材制造分会副秘书长。
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