激光選區熔化成形TC4鈦合金顯微組織與性能的研究進展

朱 冬,2，張 亮，吳文恒,盧 林，倪曉晴，宋 佳，朱文華2，王佳祺

(1.上海材料研究所，上海3D打印材料工程技術研究中心，上海 200437；2.上海第二工業大學工學部，上海 201209)

0 引 言

鈦合金具有密度低、強度高、耐腐蝕性能好等優點，在航空航天、醫療、海洋工程等現代工業及國防重大裝備中應用廣泛[1-2]。采用傳統方法制造整體鈦合金構件時，需要大型鍛造裝備和模具，其制造難度大、周期長、成本高、材料利用率低[3-4]。激光選區熔化技術是近年來在航空航天、模具制造等領域廣泛應用的增材制造技術之一，可實現復雜金屬構件的快速、近凈成形[5]。常用激光選區熔化成形制備的鈦合金為α+β型TC4鈦合金[6]，其激光選區熔化組織主要為針狀α′馬氏體相，由初生柱狀β相通過非擴散切變形式分解形成。TC4鈦合金組織穩定性好、綜合性能優良，具有良好的塑性、韌性和高溫變形性能，可以進行熱處理強化[7]。

激光選區熔化技術涉及熔池凝固、相變等復雜的熱物理過程，各成形工藝參數都會對材料顯微組織及力學性能產生影響。工藝參數選用不恰當，則容易出現金屬粉末球化、表面翹曲變形以及孔洞等缺陷，同時在較大的溫度梯度作用下，沿成形方向會形成柱狀晶，影響材料的力學性能。通過熱處理可以消除內應力，有效細化晶粒，改善組織形貌，進一步提高鈦合金的力學性能。研究激光選區熔化成形工藝參數對TC4合金顯微組織與力學性能的影響規律，確定合理的熱處理方案，對于進一步推廣激光選區熔化成形TC4合金的工業應用具有非常重要的意義。為此，作者從成形工藝參數和固溶時效處理兩方面，對現階段激光選區熔化成形TC4合金顯微組織及力學性能的控制研究進行了綜述，并對其后續發展方向進行了討論和展望。

1 激光選區熔化成形工藝參數的影響

激光選區熔化技術是一種利用激光熱源將合金粉末完全熔化，然后迅速凝固成形的近凈成形方法，主要涉及基板溫度、激光光斑直徑、激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉厚度和掃描方式等工藝參數[8]。目前，相關研究主要集中在對材料性能影響較大的后5個參數上。

1.1 激光功率與掃描速度的影響

激光功率和掃描速度通常作為激光選區熔化技術中熱輸入的主要控制參數，兩者關聯較強。為了提高材料表面相對密度，通常采用低激光功率和高掃描速度相配合的工藝；而增加激光功率、降低掃描速度可以降低材料實體部分的孔隙率，改善成形效果。SUN等[9]研究發現，在較高激光功率(高于175 W)下，隨著激光功率的增加和掃描速度的降低，成形試樣的相對密度可以達到99%。WANG等[10]通過正交試驗研究發現，在激光功率較低(50～100 W)時，TC4合金成形質量較差，隨著掃描速度的增加，組織中孔洞增多，相對密度下降；激光功率為150200 W時，隨著掃描速度的增加，成形質量提高，但掃描速度過快(1 4501 750 mm·s-1)時，孔洞缺陷再次出現，成形質量下降。李學偉等[11]發現在250 W額定激光功率下，當掃描速度從800 mm·s-1增至1 600 mm·s-1時，TC4合金的顯微硬度和相對密度先增大后減小。

張慧[12]研究了激光功率對TC4合金單層單道成形的影響，發現隨激光功率增大，熔池中心溫度升高，熔池深度、寬度增大，金屬粉末的熔合更加充分，但熔池深度過大或過小都會出現粉末球化現象，影響成形質量。In718高溫合金激光選區熔化成形過程中亦存在該現象[13]。激光功率過高或過低時，由于粉末球化或未熔，合金中會出現孔洞等缺陷，進而導致成形件變形或開裂[14]。因此，通過將激光功率控制在一定范圍內來調控成形過程中熔池的大小，可以減少粉末球化現象和孔洞缺陷，提高成形件的性能。激光掃描速度過快或過慢同樣會對合金微觀形貌產生不良影響：激光掃描速度過慢時，金屬粉末與激光接觸時間較長，吸收的能量相對較高，易發生粉末重熔進而導致過燒；掃描速度過快時，粉末不能完全融化，合金中則會形成大量孔洞缺陷，導致成形質量下降[8]。

不同激光功率和掃描速度下，成形TC4合金的強度和塑性相差較大。朱加雷等[15]研究發現，掃描速度在1 5002 000 mm·s-1時，隨著激光功率的增大(150300 W)，TC4合金的抗拉強度逐漸升高，伸長率先升高后下降；掃描速度在2 0002 500 mm·s-1時，抗拉強度和伸長率均隨激光功率的增大而增加；掃描速度在2 500～3 000 mm·s-1時，抗拉強度和伸長率則隨激光功率的增大顯著降低。在合適的掃描速度下，適當增大激光功率有利于粉末的充分熔合，提高合金致密性，進而改善成形件的強度和塑性；但激光功率過大會引起元素過燒和晶粒粗化，對合金強度和塑性產生不良影響。采用同軸送粉激光增材制造技術，通過調控掃描速度，可以有效促進等軸晶的形成，細化晶粒，提高鈦合金3D打印成形試樣的抗拉強度和屈服強度[16]。同軸送粉激光增材制造TC4合金的抗拉強度可以達到1 360 MPa，較熱軋棒材的(840 MPa)[17]提高了62%。

1.2 掃描間距的影響

掃描間距是激光選區熔化成形的重要參數之一，直接決定激光光斑的大小。當掃描間距過小時，高度集中的能量會導致合金出現重熔區域，相對密度下降；增大掃描間距，重熔現象得到減輕，此時粉末與基體潤濕較好，合金相對密度得到提高；掃描間距過大時，掃描線相鄰區域粉末熔合較差，易出現表面球化現象。根據吉布斯自由能最低原則，在激光選區熔化成形過程中，熔池表面冷卻較快，表面能量迅速降低，而熔池內部能量較高，這會造成部分液相飛濺，冷卻后在表面形成球狀顆粒[18]。球化現象會使合金中形成孔隙缺陷，導致其相對密度下降、表面粗糙度增大，從而影響力學性能[19-20]。

1.3 鋪粉厚度的影響

一般而言，鋪粉厚度較小時，單位體積內能量密度相對較大，可保證粉末完全熔化，合金表面成形質量較好；鋪粉較厚時，單位體積內能量密度相對較小，未熔粉末顆粒較多，合金致密性較差。QIU等[21-22]研究發現：鋪粉厚度低于0.02 mm時，TC4合金成形試樣孔隙率較低；鋪粉厚度高于0.04 mm時，其對成形質量的影響高于激光功率和掃描速度，合金表面粗糙度和孔隙率均增大；隨著鋪粉厚度的增加，熔池中出現未熔粉末顆粒，粉末積聚使得試樣表面起伏增大，成形質量變差。SUN等[23]亦有類似發現。在其他工藝參數一定的情況下，較小的掃描間距和鋪粉厚度有利于提高成形件的相對密度，進而改善其顯微硬度、抗拉強度等力學性能[24]。

黃建國[8]研究發現，在一定掃描速度和激光功率條件下，鋪粉厚度為0.05 mm時激光選區熔化成形TC4合金的相對密度略高于鋪粉厚度為0.03 mm和0.07 mm的；激光掃描速度低于2 000 mm·s-1時，隨著掃描速度的增加，3種鋪粉厚度試樣的相對密度均呈上升趨勢；掃描速度高于2 000 mm·s-1時，0.03 mm鋪粉厚度下，粉末發生重熔，試樣相對密度降低；0.07 mm鋪粉厚度下，激光難以熔化全部合金粉末，導致形成孔洞等缺陷，試樣相對密度亦降低。

1.4 掃描方式的影響

激光選區熔化成形過程中的掃描方式包括同層掃描和異層掃描兩種。常見的同層掃描方式為島式[25]和S形掃描[26]。陳德寧等[26]利用數值模擬方法分析了S形與島式掃描方式對溫度場的影響，并進行了試驗驗證。結果表明:S形掃描是一種長邊掃描方式，已掃描部分與未掃描部分溫度差異大，較大的溫度梯度導致較大的應力集中，最終影響成形質量；而島式掃描是一種短邊掃描方式，能量積聚較低使得熔池溫度較低，熱傳導不穩定，且島嶼邊緣會出現二次升溫，造成粉末層浸潤與黏附加劇，表面質量降低。異層掃描時，每掃完一層，激光會旋轉一個角度，該方式可有效降低殘余應力，在實際增材制造成形過程中使用廣泛。SONG等[27]通過有限元模擬發現，激光旋轉角度為15°時，合金產生的殘余應力最小，這與試驗結果一致。ALI等[28]在Renishaw平臺上采用90°交替掃描方式進行激光選區熔化成形，即每掃描完一層，掃描方向旋轉90°再對下一層進行掃描，該掃描方式有效降低了成型過程中的殘余應力。

2 固溶時效處理的影響

熱處理是改善金屬材料力學性能最常用的方法之一，其可以減小快速凝固成形過程中形成的殘余應力，改變析出相的大小和形狀，從而調控顯微組織，提高力學性能[18]。目前，激光選區熔化成形鈦合金的熱處理工藝主要為固溶和時效處理，合理的熱處理方式能夠顯著提高其強度和塑性。

CHICOS等[29]研究發現，在850 ℃(β相轉變溫度以下)空冷2 h后，TC4合金中形成了柱狀晶；而在850 ℃隨爐冷卻2 h可形成明顯的等軸晶組織，合金硬度由374 HV增至407 HV。李文賢等[30]在920，950，980 ℃下對激光選區熔化成形TC4合金進行固溶處理，并在650 ℃進行時效處理，發現與未經熱處理的相比，920 ℃固溶和時效后，合金中雜亂的短棒狀α相變得排列有序，伸長率提高了1.63倍；隨固溶溫度升高，條狀α相變長，980 ℃時形成魏氏組織，伸長率明顯下降。周俊等[31]研究發現，經固溶時效處理后，TC4合金原始晶面不再連續，晶內α相由細針狀轉變為板條狀，呈典型的網籃組織特征，由于晶界發生不同程度的破碎，晶界對滑移的阻礙作用減弱，合金強度降低；但網籃組織中板條狀α相尺寸變得均勻，合金塑性有所提高。王文博等[32]研究發現，當時效溫度從500 ℃升高到600 ℃，網籃狀初生α相中析出尺寸更大的次生β相，鈦合金強度得到提高。SYED等[33]對TC4合金進行應力消除熱處理，使其殘余應力從450 MPa降低為30 MPa。

3 結束語

合理的激光選區熔化成形工藝參數可以使TC4合金粉末充分熔化,減少球化現象，有效降低合金孔隙率,提高相對密度,減小殘余應力，避免變形開裂。固溶和時效熱處理可以有效細化晶粒，使組織中的α相由細針狀變為板條狀，進而提高合金塑性，但強度會有所下降。

當前選區激光熔化TC4合金顯微組織和性能的控制還主要局限于工藝參數或熱處理手段調控，兩者未能有效結合，且缺乏系統的工藝參數調控方法體系，未建立顯微組織演變與宏觀力學性能的影響作用機制。顆粒增強鈦基復合材料中增強體可與基體發生原位反應，生成更加細小的彌散增強相分布在鈦基體中，增強復合材料的硬度、強度和耐磨性；但通過在鈦基體中添加增強相配合工藝參數調控來進一步改善TC4鈦合金顯微組織和性能的方法尚未見報道。開發適用于不同牌號鈦合金的形核添加劑，以制備性能更好的激光選區熔化鈦基合金，對于完善材料基因組工程，推動我國3D打印行業、航空航天事業、海洋工程等的發展具有深遠意義。