選區激光熔化成形TC4鈦合金技術研究現狀

李艷春，張玉婷，宋美慧，張曉臣

(黑龍江省科學院高技術研究院，哈爾濱 150020)

TC4合金是典型的α+β型雙相鈦合金，其化學式為Ti-6Al-4V。該合金具有比強度高、耐腐蝕性能好、生物相容性優異等特點，在航空航天、汽車船舶、化工、醫療等領域得到廣泛的應用[1]。選區激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技術是金屬增材制造技術的一種，近年來得到廣泛的關注。這種技術在加工過程中，高能激光束直接作用在金屬和合金粉末使其完全熔化。金屬之間是冶金結合，加工的零件致密度相對較好，抗拉強度和延伸率也超過鑄件。本研究總結了近年來國內選區激光熔化成形TC4合金制件所需的粉末和成形工藝的研究成果。

國內對SLM技術研究較早和取得較大成就的單位主要有西北工業大學、北京航空航天大學、華中科技大學、華南理工大學和南京航空航天大學等。近年來，一些企業也積極參與這項研究，如北京隆源成形、華曙高科、中航邁特粉冶科技、西安塞隆、西安鉑立特和湖南頂立科技等。其研究的方向主要集中在SLM成形設備的開發、成形工藝的優化和開發出符合該工藝要求的高品質金屬和合金粉末。

1 選區激光熔化鈦合金粉末

SLM技術的原料是金屬和合金粉末。要成形出高質量的制件，就需要高品質的粉末。目前廣泛認可的影響SLM成形件質量的粉末參數包括粉末的純凈度、形貌、粒度、粒徑分布寬度、松裝密度、振實密度、流動性和氧含量等[2]。

粉末的純凈度差，容易產生缺陷，影響成形件的質量。導致粉末的純凈度差的因素是生產過程中產生了雜質。可能產生的雜質有兩種[3]：一種是原料在生產過程中與設備或者氣體等發生了化學反應，產生了金屬化合物或非金屬成分，如C、P、O、Si等。另一種是機械夾雜，如生產設備產生的雜質和粉末表面吸附的氧、水汽和其他氣體等[4]。

SLM工藝使用的粉末對形貌的要求是球形度高、表面光滑、空心粉較少、少裂紋、孔隙和衛星球等缺陷。這樣的粉末流動性會比較好，送粉鋪粉均勻，能夠提高成形件的致密度。圖1是我單位自主生產的球形TC4鈦合金粉末。

圖1 球形TC4合金粉末Fig.1 TC4 spherical alloy powder

SLM成形所需粉末粒度通常在15～53 μm。正常情況下，粉末的顆粒越小，分布越均勻，粉末之間的間隙就小，松裝密度就越高，越有利于成形過程的順利進行，同時成形質量也較好，制件的致密度高。但是顆粒過小，粉末也會出現團聚，影響粉末的流動性，使得鋪粉不均。如果粉末有一定的粒度梯度，粗粉和細粉混配，就會使得小顆粒能夠分散在大顆粒之間，從而也會提高粉末的松裝密度，進而提高制件的致密度[5]。

粉末的流動性差，容易在鋪粉過程中粘連團聚，使鋪粉的厚度不均，使得在激光作用過程中，粉末的熔化不均勻，影響成形件的質量。

目前，SLM成形鈦合金制件采用的粉末主要有純鈦粉、TC4、Ti6Al7Nb等。制備合金粉末的方法主要有電極感應氣霧化法和等離子旋轉電極法。目前，國內生產增材制造專用鈦及其合金粉末的企業不多，并且粉末質量相對于國外還有一些差距。國外粉末的價格在4 000元/kg以上，原料價格昂貴也是制約SLM成形鈦合金制件技術發展和應用的一個因素。

2 選區激光熔化成形工藝

選區激光熔化工藝涉及機械、材料、計算機軟件等多種學科，所以參數眾多，這些參數之間相互影響。目前的研究普遍認為，這些參數中起主要作用的有激光功率、掃描速度、掃描層厚和掃描策略。有研究表明，激光功率和掃描速度是影響成形后制件性能的主要因素[6-7]。王凱[8]等人的研究指出，在一定范圍內，激光功率越高，熱輸入量越大，成形件的致密度越好，強度越好。當激光功率過高時，成形過程中，單位時間內熱輸入量過大，就會使晶粒粗大降低零件的結合強度。

掃描間距影響著制件的成形質量和致密度[9]。合理的掃描間距讓焊道之間有部分搭接，能夠減少孔隙的產生，使相鄰道次之間冶金性能良好，制件表面質量好。如果掃描間距過大，也會形成非常大的空隙。

掃描速度影響著制件成形過程中的加熱時間，掃描速度低，粉末的加熱時間長，熔覆層厚度隨著掃描速度的提高而減小。掃描速度過快，一方面激光與合金粉末作用的時間太短，合金粉末不能完全熔化，熔池中存在未完全熔化的粉末，從而使制件的致密度降低；另一方面可能導致一部分粉末被送粉氣體吹跑，從而降低了熔覆層的厚度；掃描速度過慢，激光在粉末作用的時間過長則容易發生燒損[10]。美國路易斯維爾大學的Ravi K.Enneti[11]等人研究了SLM成形金屬鎢的工藝，結果表明掃描速度對致密度的影響最大。

掃描策略影響成形件的精度。目前采用的掃描策略有分區掃描、單向掃描、Z型掃描和螺旋掃描等。萬樂[12]等研究了采用分區掃描的策略成形TC4鈦合金，有效地提高了成形件的成形質量。葛亞楠[13]等研究了掃描策略對TC4鈦合金制件精度的影響，指出螺旋線形掃描成形過程的能量比單向掃描和Z型掃描能量傳遞更均勻，溫度梯度小，成形件的殘余應力小，平面度值小，外形結構精度高。

朱加雷[14]等人的研究指出，在激光功率300 W、掃描速度1.5 m/s時，TC4合金的抗拉強度為1 150.49 MPa，延伸率為8.0%，力學性能超過鑄造件。

李懷學[15]等人在功率為400 W、掃描速度為7 000 mm/s成形TC4鈦合金制件，其拉伸強度達到了1 100 MPa，延伸率為11%，拉伸強度已經高于鍛造TC4鈦合金。

3 制件的熱處理工藝

SLM成形制件都需要熱處理，這種熱處理工藝主要是指制件經過升溫、恒溫和降溫的過程。在這一過程中，合金組織改變，相的形狀和大小變化，從而改善了制件的性能[16]。SLM成形工藝是快速熔融工藝，這就會由于冷熱變化、膨脹收縮使工件產生應力，也可能存在著孔洞、成分不均勻使制件開裂，熱處理能夠減小甚者消除工件內部的應力，還可以去除制件的氣孔，提高致密度。

華南理工大學李敬[17]等采用SLM技術成形TC4鈦合金，在950℃保溫30 min之后爐冷，觀察合金的顯微組織，發現原始針狀α’粗化為板條狀馬氏體α。950℃保溫30 min之后水冷，α相轉化成了β 相。

西安航空大學的魯媛媛[18]等研究了熱處理對TC4鈦合金組織和性能的影響，指出，TC4合金棒材在先加熱到970℃保溫1 h，隨后水冷，然后進行時效，隨著時效溫度由450℃升高到550℃，強度逐漸增加，當溫度升高到600℃時，強度降低，發生了過時效。在溫度為550℃時，金相照片中觀察到析出相多切分布均勻，彌散強化效果顯著。

梁曉康[19]等研究指出，SLM成形TC4鈦合金制件的組織形態呈粗大的初生柱狀晶，晶內呈現出典型的α+β板條組織。退火處理后，針狀α相的體積分數有所增加，α板條發生了粗化。

南昌航空大學的黃建國[20]研究了熱處理工藝對SLM成形TC4合金試樣物相分布的影響，指出了熱處理前，合金中沒有β相衍射峰；不同的熱處理后，出現了β相衍射峰，并且隨著溫度的升高，β峰值強度變強變大。確定了最佳SLM成形工藝參數為激光功率400 W、掃描速度1 800～2 200 mm/s、掃描間距0.07 mm、層厚0.05 mm、熱處理制度為960℃保溫1 h，隨后，水冷，560℃保溫4 h。在這個成形工藝和熱處理制度下，合金試樣的拉伸強度為1 314 MPa，屈服強度為1 221 MPa，延伸率為2.3%。，試樣的致密度可達99.5%。

4 結語

目前，隨著與增材制造各項相關技術的不斷發展及人力和財力投入的不斷加大，制約其技術發展的問題也必將被攻破，這一新型的制造技術必將飛速發展，增材制造的零件也會在工業生產、航空航天、醫療教育等領域得到更加廣泛的應用。