激光選區熔化TC4鈦合金疲勞與斷裂

回 麗， 王 寧， 周 松*， 安金嵐， 許 良

(1.航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室(沈陽航空航天大學)，沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學機電工程學院，沈陽 110136)

鈦合金具有低質高強、良好的高溫強度和較好的耐腐蝕性等性能，在航空航天、航海、汽車和醫療器械、運動器材等領域得到了廣泛的運用[1-2]。TC4合金是一種中等強度的α-β型兩相鈦合金，含有6%α穩定元素Al和4%β穩定元素V。該合金具有優異的綜合性能，在航空和航天領域中獲得了廣泛的應用[3]。而TC4合金具有高熔點、高熔融態活性以及較大的變形抗力，采用傳統等材及減材加工技術來制備TC4合金零件，具有加工困難、材料利用率低、成本高等缺點。而增材制造技術具有柔性化加工特點，能夠實現難加工材料和復雜零件快速成型制造[4]。

選區激光熔化(selective laser melting，SLM)技術作為增材制造的技術的一種主要方法，已被成功運用于TC4合金精密零件的成形及修復[5-7]。SLM主要過程是通過軟件對零件三維數模進行切片分層，獲得各截面的輪廓數據后，利用高能量激光束根據輪廓數據逐層選擇性地熔化金屬粉末，通過逐層鋪粉，逐層熔化凝固堆積的方式，制造三維實體零件。目前，對SLM制造的TC4鈦合金已經有很多研究：SLM工藝制造的TC4鈦合金組織為粗大的β柱狀晶內充滿α’馬氏體相[4,8-9]；Xu等[8]通過改變SLM制造成形工藝參數(包括改變層厚、離焦距離和能量密度)，使得SLM制造的TC4合金過程中產生的馬氏體發生分解，從而獲得高強高塑的性能；Rafi等[10]得到了較好SLM制造的TC4鈦合金的拉伸性能數據；Vrancken等[11]得到的數據與前者相近；Walker等[12]從等效裂紋尺寸的方面研究了SLM制造的TC4鈦合金的疲勞性能；Liu等[13]研究了SLM制造缺陷對TC4鈦合金疲勞性能的影響。中的研究主要集中在制造工藝參數[14]、熱處理手段[15-16]、微觀組織[16-19]等，少數機構研究了力學性能[16-17,19]，而其中只涉及到拉伸性能。但鮮見對SLM制造的TC4合金的疲勞性能的影響進行研究。

在工業領域中，顯然結構或零件受到交變動載荷的作用而發生疲勞破壞更符合實際工況。因此，旨在對SLM制造的TC4鈦合金的疲勞行為進行研究分析，從疲勞斷口表現出來的特征分析影響疲勞性能的因素，為后續生產優化、結構設計和安全壽命計算提供依據。

1 試驗材料與方法

試驗用的TC4合金疲勞試樣在S-310激光選區熔化設備上制造。該系統由激光器、數控工作臺、惰性氣體保護箱、高精度送粉器和噴嘴組成。激光選區熔化的主要工藝參數為：激光功率400 W；光斑直徑75 μm；搭接70～90 μm；層厚30～60 μm；掃描速度800～1 250 mm/s。所用的材料為TC4鈦合金球形粉末，其中的Al、V、Fe等元素的質量分數在表1中列出，除去表中列出的成分的質量分數后的剩余量(Bal.)為鈦的質量分數。整個制造過程在惰性氣體保護箱內進行，以防止鈦合金被污染。

表1 Ti-6Al-4V合金粉末的化學成分

試驗采用的試樣均為一次運行制造，試樣在基板上的位置是隨機的。疲勞試樣制造方向有兩種：水平方向和垂直方向。試樣形式和尺寸如圖1所示，試樣的制造方向如圖2所示。工作段的表面粗糙度Ra=0.32 μm。

圖1 軸向疲勞棒材光滑試樣Fig.1 Axial fatigue bar smooth sample

圖2 激光選區熔化方向和疲勞試樣Fig.2 Selective laser melting direction and fatigue specimen

使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察疲勞試樣和斷口表面，觀察疲勞斷口中疲勞裂紋起始位置，分析疲勞試樣橫截面的制造缺陷。疲勞試驗在實驗室內室溫空氣環境中進行，載荷為100 kN的QBG-100高頻疲勞試驗機為試樣提供應力比R為0.06的正弦波載荷，頻率為110 Hz。對不同制造方向的試樣分別施加最大為750 MPa和600 MPa的應力，在每種條件下測試5個有效試樣。

2 結果與討論

2.1 試樣疲勞壽命

疲勞試驗數據的統計分析結果如表2和表3所示。在表中可以看出，疲勞壽命數據具有分散性。最大應力為600 MPa的水平方向制造試樣的數據具有最小的分散性，變異系數(標準差/平均值)為0.68。在其他3種情況下，變異系數在0.83～0.92。這表明數據具有非常明顯的波動。這種疲勞壽命數據所具有的分散性，在用傳統方法生產的材料中也有明顯體現，圖3顯示了應力比為0.1的來自美國金屬材料的性能發展和標準化(metallic materials properties development and standardization，MMPDS)[20]給出的退火處理的鈦合金疲勞壽命和墨爾本皇家理工大學的激光選區熔化TC4鈦合金疲勞壽命的測試結果[14]。

激光選區熔化生產的TC4合金的疲勞性能與傳統的退火處理的鈦合金相當[3]，且疲勞壽命數據同樣具有分散性。產生這種分散性有很多原因，除了材料本身的特征外，還與SLM制造過程中產生的熔合不良、初始缺陷的隨機性和沉積制造方向有關。

表2 試樣的疲勞壽命

表3 疲勞壽命統計

圖3 試驗中疲勞試樣的壽命Fig.3 Life of fatigue specimens in the test

2.2 疲勞源分析

選擇每組數據中具有中值壽命的疲勞斷裂試樣，在掃描電子顯微鏡下觀察疲勞斷口。編號為H4(a)的試樣(壽命為159 900次)的裂紋起源于表面下約7 μm處的孔隙，孔隙最大跨度為93 μm；編號為H9(b)的試樣(壽命為784 500次)的裂紋起源于表面下約11 μm處的缺陷，缺陷最大跨度為86 μm；編號為V3(c)的試樣(壽命為59 600次)的裂紋起源于表面下約3 μm處的缺陷，缺陷最大跨度為41 μm；編號V9(d)的試樣(壽命為193 900次)的裂紋起源于表面下約14 μm處的缺陷，缺陷最大跨度為45 μm，從斷口中能看出這個試樣中缺陷與表面之間有熔合不良的情況。綜上，觀察不同制造方向，不同應力水平的疲勞試樣斷口，能夠發現明顯的特征：所有的裂紋均起源于靠近表面的制造缺陷，且這種缺陷的形狀不規則，如圖4所示。

圖4 具有最短壽命的疲勞試樣的疲勞源處的缺陷形貌Fig.4 Defects at the fatigue source of the fatigue samples with the shortest life

2.3 疲勞源處斷裂機理分析

將具有中值壽命的疲勞試樣的疲勞裂紋萌生區放大進行觀察。由于激光選區熔化是一個逐層累加的過程，在疲勞源的制造缺陷中能夠明顯地看出其分層的痕跡。在圖5(a)中熔化層與斷裂方向垂直，因此能夠清晰地看出層間的界線；在圖5(c)和圖5(d)中，因為熔化層與斷裂方向相同，圖中顯示的層間界線是因為在垂直方向上具有高度差而產生的；層線的密集程度顯示了該位置上的梯度大小，層線越密集，該位置梯度越大，層線越松散，該位置的梯度越小；圖5(b)試樣中的制造缺陷與其他3個試樣不同，考慮為冶金結合在此處沒有形成致密的組織，所以在承受循環載荷后，此處因形成較大的應力集中而成為試樣的薄弱環節，疏松的接近結合分界面成為疲勞源。這些試樣內部的形狀不規則的缺陷，其邊緣的凸起和凹陷都促使了應力集中，受力面積大大減少，促使裂紋萌生。

圖5 疲勞源斷裂分析Fig.5 Fatigue source fracture analysis

2.4 疲勞裂紋源分析

觀察垂直方向制造的具有最小疲勞壽命試樣的疲勞裂紋源，如圖6所示。本次試驗中垂直制造方向最大應力為750 MPa和600 MPa的試樣最短壽命結果分別是35 900次循環(試樣SLM-V1)和175 100次循環(試樣SLM-V6)，裂紋的起源同樣是試樣表面下方的形狀不規則的缺陷。試樣V1的裂紋源位于試樣表面下1 μm的位置，最大跨度為69 μm。試樣V6的裂紋源位于試樣表面下3 μm的位置，最大跨度為68 μm。

圖6 具有最小壽命和中值壽命的疲勞試樣的 疲勞源處的缺陷形貌Fig.6 Defects at the fatigue source of fatigue samples with shortest life or median life

分別分析承受最大應力為750 MPa和600 MPa垂直方向制造的最小壽命和中值壽命試樣的裂紋起源。最大應力為750 MPa的最小疲勞壽命試樣SLM-V1的疲勞源位于試樣表面以下1 μm的位置，而中值壽命的試樣SLM-V3的疲勞源位于表面以下3 μm的位置上；最大應力為600 MPa的最小疲勞壽命試樣SLM-V6的疲勞源位于試樣表面以下3 μm的位置，而中值壽命的試樣SLM-V9的疲勞源位于表面以下14 μm的位置上。能夠發現激光選區熔化制造的試樣的疲勞裂紋起源于靠近表面的制造缺陷，而缺陷越接近試樣表面，則該試樣具有更小的疲勞壽命。觀測疲勞源的缺陷形狀和大小，最大應力為750 MPa的最小疲勞壽命試樣的疲勞源最大跨度為69 μm，而具有中值壽命的試樣疲勞源的最大跨度只有41 μm。最大應力為600 MPa的最小疲勞壽命試樣的疲勞源最大跨度為68 μm，而具有中值壽命的試樣疲勞源的最大跨度為45 μm。所以，疲勞源的最大跨度也影響著試樣的疲勞壽命，一般為缺陷的最大跨度越大，試樣的疲勞壽命越小。但是疲勞壽命也會受到缺陷尺寸、方向和銳度(缺陷邊緣的形狀)的影響。

3 結論

(1)在應力比R=0.06，最大應力分別為750 MPa和600 MPa的載荷下得到光滑疲勞試樣的疲勞壽命：激光選區熔化制造的TC4鈦合金試樣的疲勞性能能夠達到傳統經過退火處理的鈦合金水平。

(2)激光選區熔化制造的TC4試樣的裂紋均萌生于距離試樣表面最近的制造缺陷。在疲勞源的缺陷中，能看見明顯的層間界線或者疏松的冶金結合，這都成為了疲勞試樣的薄弱位置。經過優化后的生產方法中，制造缺陷仍然是影響疲勞壽命的主要原因。

(3)通過對比垂直制造方向的具有最小壽命和中值壽命的試樣，分析其疲勞源，疲勞源在試樣表面以下的位置和最大跨度影響著試樣的疲勞壽命，一般為距離試樣表面越遠、跨度越小，疲勞壽命越高。這說明在制造過程中應該通過減少或者最小化缺陷來提高材料的疲勞壽命。