近α鈦合金粉末選擇性激光熔化成形研究

周 旭，魏青松，朱 偉，宋小輝，史玉升

（1華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074；2桂林航天工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，廣西 桂林541004）

鈦及鈦合金因比重小、比強(qiáng)度高、耐蝕耐高溫、無(wú)磁、可焊接等優(yōu)異綜合性能而在航天航空領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、機(jī)匣、機(jī)身框梁等［1］。隨著我國(guó)航空航天工業(yè)的快速發(fā)展，鈦合金材料的使用比例越來(lái)越大，性能要求也越來(lái)越高，尤其是對(duì)高溫鈦合金材料的耐熱溫度有更高的要求。目前我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的工作溫度已經(jīng)超過(guò)500℃，傳統(tǒng)的鈦合金材料無(wú)法滿足使用要求［2］。Ti－5.5Al－3.4Sn－2.9Zr－0.7Mo－0.4Nb－0.35Ta－0.3Si是一種新型近α高溫鈦合金，由于鈦合金存在加工難、成本高等問(wèn)題，近年來(lái)利用選擇性激光熔化技術(shù)成形鈦合金的研究已經(jīng)引起重視并在持續(xù)發(fā)展［3－4］。選擇性激光熔化技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展的一種增材制造技術(shù)［5］。他是將三維模型切片，通過(guò)控制高能激光束，選擇性熔化成形金屬粉末，逐層堆積，成形金屬零件；具有生產(chǎn)周期短、可成形復(fù)雜零件、材料加工種類多等優(yōu)勢(shì)［6］。目前SLM成形的材料主要有不銹鋼、鈦合金及鋁合金等［7－9］。國(guó)內(nèi)外對(duì)SLM 成形鈦合金的研究已取得一些成果，但對(duì)高溫鈦合金的SLM成形規(guī)律鮮有研究。鑒于此，本文利用SLM技術(shù)成形一種新型近α鈦合金粉末，研究了工藝參數(shù)對(duì)成形的影響，并對(duì)成形工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用的新型近α鈦合金粉末的元素含量如表1所示。其表面微觀形貌見圖1，由圖可知粉末為近球形。圖2為粉末材料的粒徑分布，由圖可知粉末粒徑分布均勻，粉末大小分布在5～75μm之間，平均粒徑為35μm。

表1 新型近α鈦合金粉末化學(xué)成分 %

圖1 鈦合金粉末表面形貌（X400）

圖2 鈦合金粉末粒徑分布

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為華中科技大學(xué)快速成形中心自主研發(fā)的 HRPM－Ⅱ型。使用掃描電子顯微鏡（JSM－7600F，日本電子）觀察粉末形貌，利用上海蔡康光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的4XCE型光學(xué)顯微鏡觀察單道熔池及單層，利用該光學(xué)顯微鏡自帶的照相系統(tǒng)和二維測(cè)量系統(tǒng)觀察熔池寬度及形貌。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

為了防止在成形過(guò)程中氧氣的影響，在試驗(yàn)前先將成形腔抽成真空，再通入高純氬氣（99.9%）至標(biāo)準(zhǔn)大氣壓形成保護(hù)氣氛。為保證鈦合金粉末與基板有良好的潤(rùn)濕性及導(dǎo)熱性，試驗(yàn)基板為同材質(zhì)的鈦合金基板，基板尺寸為55mm×55mm×10mm。試驗(yàn)前基板表面用砂紙打磨，再用無(wú)水乙醇清洗。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單道掃描試驗(yàn)

在SLM成形過(guò)程中，三維模型被切成若干個(gè)橫截面，而橫截面又由若干掃描線組成，因此對(duì)激光單道熔池質(zhì)量的研究有助于指導(dǎo)塊體零件的成形。通過(guò)不同工藝參數(shù)組合，研究不同工藝參數(shù)對(duì)單道熔池寬度及形貌的影響規(guī)律。最后通過(guò)工藝優(yōu)化，得到單道熔池的最優(yōu)工藝窗口。工藝參數(shù)：激光功率90～180W，掃描速度200～800mm／s，基板厚度10mm，基板材質(zhì)為鈦合金。

利用光學(xué)顯微鏡觀察不同參數(shù)單道熔池的形貌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率小于140W或掃描速度高于500mm／s時(shí)，由于能量輸入不足，粉末未完全熔化，在基板上殘留的凝固金屬液較少，且分布松散。當(dāng)激光功率增大或掃描速度降低時(shí)，熔池形貌逐漸變好。圖3為在可成形熔池工藝參數(shù)下熔池寬度與激光功率及掃描速度的示意圖。

圖3 單道掃描熔池寬度與激光功率及掃描速度的關(guān)系

由圖3可知，在相同激光功率下，單道熔池寬度隨掃描速度增大而呈減小趨勢(shì)；在相同掃描速度下，單道熔池寬度隨激光功率增大而增大。這是因?yàn)樵谔岣呒す夤β驶驕p小掃描速度時(shí)，激光能量密度增加，粉末吸收的熱量增多，熔化效果更好，熔融金屬液的流動(dòng)性更好，熔池寬度就更大。在設(shè)備的極限工藝參數(shù)組合范圍內(nèi)未出現(xiàn)過(guò)熔現(xiàn)象。為了進(jìn)一步探究熔池寬度與能量密度之間的關(guān)系，引入下式

其中：E為線能量密度，J／mm；P為激光功率，W；V 為掃描速度，mm／s。

圖4所示為單道熔池熔寬與線能量密度的關(guān)系。由圖可知，隨著激光線能量密度增大，熔寬增大。根據(jù)熔池形貌，工藝參數(shù)分為三個(gè)區(qū)域：球化較嚴(yán)重，未形成連續(xù)熔池區(qū)；線能量密度合理，熔池形貌較好區(qū)及線能量密度合理，熔池形貌較好但掃描速度較慢區(qū)。分別在三個(gè)區(qū)域內(nèi)挑選三個(gè)典型的工藝參數(shù)成形的熔池a、b及c。其中a（P＝150W，V ＝500mm／s）、b（P＝160W，V ＝300mm／s）、c（P＝160W，V＝200mm／s）。圖中a所在區(qū)域掃描速度均為500mm／s，其線能量密度低于0.28J／mm，成形的熔池如圖4a所示，可以成形熔池，但均不連續(xù)。掃描速度較大，線能量密度不足，熔化的金屬粉末很快凝固，沒(méi)有充分流動(dòng)，故熔池不連續(xù)。圖4b所在區(qū)域掃描速度為400mm／s與300mm／s，線能量密度在0.28～0.7J／mm之間。成形的熔池如圖4b所示，熔池形貌較好，熔寬較寬。這是因?yàn)楫?dāng)線能量較大時(shí)，粉末完全熔化，流動(dòng)性較好，可成形較好的熔池。圖4c所在區(qū)域掃描速度為200 mm／s，線能量密度高于0.7J／mm。成形的熔池如圖4c所示，在三個(gè)工藝區(qū)域內(nèi)熔池質(zhì)量最好，線能量密度的提高使熔池質(zhì)量提高，但掃描速度過(guò)慢，造成成形效率低下。由于鈦合金熔點(diǎn)較高，而設(shè)備的功率范圍有限，故設(shè)計(jì)的成形工藝范圍未出現(xiàn)線能量密度過(guò)大的現(xiàn)象。根據(jù)上述分析，b區(qū)與c區(qū)的工藝參數(shù)均可成形鈦合金，但由于c區(qū)掃描速度太慢，嚴(yán)重制約了成形效率，因此優(yōu)先考慮b區(qū)的工藝參數(shù)。

圖4 熔池寬度與線能量密度的關(guān)系

對(duì)圖4中散點(diǎn)進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)圖中箭頭所指工藝參數(shù)下的熔寬變化較為異常。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這四個(gè)點(diǎn)均出現(xiàn)在掃描速度從400mm／s過(guò)渡到300mm／s及從300mm／s過(guò)渡到200mm／s的區(qū)域。可見在線能量密度相近的情況下，掃描速度較高，熔池更寬。因此在合適的成形工藝窗口內(nèi)選擇掃描速度較高的工藝參數(shù)，不僅熔池質(zhì)量較優(yōu)，也可增大成形速率。

2.2 單層掃描試驗(yàn)

在單道掃描試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行單層掃描試驗(yàn)，采用較優(yōu)的激光功率和掃描速度，通過(guò)控制掃描間距研究單層表面質(zhì)量，探討掃描間距對(duì)單層質(zhì)量的影響規(guī)律。在單道試驗(yàn)優(yōu)化的工藝參數(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)置三種不同掃描間距s（mm）0.04、0.06、0.08的單層試驗(yàn)。

根據(jù)單道實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的數(shù)據(jù)，激光功率選為160W，掃描速度為400mm／s。圖5a中可以明顯看到金屬液凝固堆積現(xiàn)象，且看不出熔池形態(tài)。這主要是因?yàn)檫^(guò)小的掃描間距使熔池之間堆疊較多，搭接率過(guò)高，在熔池重疊部分產(chǎn)生過(guò)高的凸起，凸起慢慢累積導(dǎo)致表面不平整。在連續(xù)制造時(shí)，不平整的表面將導(dǎo)致鋪粉不均，從而導(dǎo)致零件加工失敗。圖5b中可以看出凸起的現(xiàn)象已有明顯改善，熔池搭接較好，表面也較為平整。與圖5b相比，c中已經(jīng)沒(méi)有凸起的現(xiàn)象，熔池輪廓清晰，搭接質(zhì)量較好，表面非常平整。因此掃描間距在0.08mm時(shí)較為合適。

圖5 不同的掃描間距下SLM成形鈦合金的表面形貌

2.3 塊體成形

在研究了新型近α鈦合金單道及單層SLM成形后，獲得了一組較優(yōu)的工藝參數(shù)，可進(jìn)行塊體研究。塊體的成形工藝參數(shù)選取如下：激光功率140～180W，掃描速度300～400mm／s及兩組200 mm／s、500mm／s，掃描間距0.08mm，鋪粉層厚0.03mm。成形塊體如圖6所示，為8mm×8mm×5mm的塊體。成形后通過(guò)線切割將樣品從基板上取下。對(duì)樣品進(jìn)行清洗、噴砂等后處理后根據(jù)阿基米德原理，使用排水法測(cè)量試樣的相對(duì)致密度，相對(duì)致密度為測(cè)試密度與真實(shí)密度的比值。

圖6 SLM成形鈦合金塊體（8mm×8mm×5mm）

圖7 線能量密度與相對(duì)致密度的關(guān)系

圖8 不同相對(duì)致密度試樣截面圖

圖7 為相對(duì)致密度與線能量密度的關(guān)系圖。由圖知，當(dāng)線能量密度從0.28J／mm增加時(shí)，相對(duì)致密度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，這是因?yàn)榫€能量密度的增大使粉末熔化更均勻，熔池的表面張力及粘度隨著溫度的升高而急劇下降，優(yōu)異的流動(dòng)性使熔池充分流動(dòng)，從而更加平整均勻，組織更加致密，出現(xiàn)空隙的幾率較小，因而相對(duì)致密度增加。但隨著線能量密度的進(jìn)一步增大，相對(duì)致密度達(dá)到最大值（99.34%）后呈緩慢下降趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)達(dá)到粉末完全熔化所需的能量密度時(shí)，進(jìn)一步增大線能量密度會(huì)造成熔池溫度升高，凝固時(shí)間延長(zhǎng)，產(chǎn)生缺陷幾率增大，造成致密度下降；當(dāng)線能量密度過(guò)大時(shí)，過(guò)高的熔池溫度將導(dǎo)致部分金屬液汽化，嚴(yán)重降低致密度，如圖中當(dāng)線能量密度達(dá)到0.6J／mm時(shí)，相對(duì)致密度已降至95.44%。圖8為不同致密度試樣的截面圖，圖8a所示，為線能量密度為0.6J／mm時(shí)的試樣截面圖，圖中可見有較大氣孔，同時(shí)也出現(xiàn)了裂紋。在這些缺陷的影響下，試樣的致密度較低。圖8b為線能量密度為0.533J／mm時(shí)的試樣截面圖，由圖可知出現(xiàn)了氣孔，但氣孔較小，裂紋消失，圖8c為線能量密度為0.35J／mm時(shí)試樣截面圖，由圖可知?dú)饪紫В虼似渲旅芏冗_(dá)到了最大的99.34%，其工藝參數(shù)為激光功率140W，掃描速度400mm／s。

3 結(jié)論

1）SLM成形新型近α鈦合金時(shí)，線能量密度直接影響熔池寬度及形貌。線能量密度越高，單位長(zhǎng)度粉末吸收的熱量越多，熔池寬度越大，熔池形貌越好。根據(jù)單道熔池形貌得出初步的工藝優(yōu)化參數(shù)，線能量密度在0.28～0.7J／mm之間。

2）通過(guò)對(duì)單層成形實(shí)驗(yàn)的研究，得出掃描間距對(duì)單層成形質(zhì)量的影響規(guī)律。當(dāng)線能量在較優(yōu)范圍內(nèi)時(shí)，掃描間距越小，熔池堆積凸起效應(yīng)越明顯，隨著掃描間距的增大，熔池質(zhì)量逐漸變好，最優(yōu)掃描間距在0.08mm。

3）通過(guò)對(duì)塊體成形相對(duì)致密度的研究，發(fā)現(xiàn)試樣的相對(duì)致密度隨線能量密度的增大而增大，達(dá)到最大值99.34%后，進(jìn)一步增大線能量密度，相對(duì)致密度緩慢降低，超過(guò)0.55J／mm時(shí)，相對(duì)致密度急劇降低。

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