送絲方式加層制造塊狀Ti-6Al-4V合金

以逐層疊加的方式制造零件的方法稱之為快速制造、直接制造或加層制造。與傳統方法相比，通過這種方法制備近凈成形構件為節省加工時間和降低成本提供了可能，尤其適用于制造原料較昂貴的航空構件。加層制造技術是將一個三維CAD模型切分成很多的薄層，然后逐層制備并疊加構成物理原件。

一般來說，金屬的加層制造包括鋪粉、送粉、送絲以及其他過程等四種加工路線。在過去幾十年里，對送絲方式的關注相對較少，但隨著市場對鈦合金系列產品需求的不斷增加，制備的可重復性、材料的性能和用法、部件尺寸以及制造速度都成為需要考慮的問題，這相應地提升了送絲方式的地位。相關研究表明，通過送絲方式制備的Ti-6Al-4V合金具有更好的質量，尤其是在提高密度和減少污染物方面。

實驗所用加層制造設備包括最大功率為3.5 kW的Trumpf HLD 3504 Nd:YAG激光棒、型號為Weldaix的送絲機以及型號為Kuka KR 100 HA的高精度六軸機器人。將超低間隙型Ti-6Al-4V合金焊絲在氬氣氛圍中逐層沉積到Ti-6Al-4V合金基體板上，共沉積7層高7滴寬。通過選用不同的沉積參數P38(激光功率3.5 kW，沉積速率10 mm/s，送絲速率40 mm/s)和P58(激光功率2.625 kW，沉積速率7.5 mm/s，送絲速率30 mm/s)以及不同的熱處理工藝(600℃ ×4 h/FC和1200℃ ×2 h/FC)，從而研究加工參數和熱處理工藝對加層制造得到的Ti-6Al-4V合金主要性能的影響。

研究表明，以送絲方式加層制造的Ti-6Al-4V合金組織為粗大的初始β晶粒，這些β晶粒向外延生并穿過焊層，生長方向與熱量傳導方向相反。同時，初始β晶粒內的微觀組織不盡相同，對于經不同沉積參數得到的合金，其未經熱處理以及經600℃×4 h/FC處理后的組織中，均存在α'馬氏體以及網籃狀α相，且初始β晶界上有部分次生α相析出。進一步分析發現，熱處理工藝對Ti-6Al-4V合金硬度的影響要大于沉積參數對其的影響。經600℃ ×4 h/FC熱處理后，微觀組織和形態沒有發生明顯改變，但是平均硬度值從3204 MPa顯著提升到3352/3361 MPa(P38/P58)，這是由于存在固溶強化或者α2相的析出。經1200℃ ×2 h/FC熱處理后，Ti-6Al-4V合金原始組織形態發生徹底改變，同時平均硬度值從3204 MPa降低到3018/3048 MPa(P38/P58)。其內柱狀β晶粒和層帶結構消失，取而代之的是等軸狀的初始β晶粒，并伴有晶界α以及粗大的α叢簇。柱狀晶向等軸晶的轉變可以歸納為再結晶的過程，但是這還有待于進一步的實驗加以證實。