電子束3D打印極小曲面多孔TC4鈦合金及其性能研究

賈 亮，樊永霞，劉 楠,楊廣宇，楊 坤

(西北有色金屬研究院 金屬多孔材料國家重點實驗室, 陜西 西安 710016)

電子束3D打印技術(selective electron beam melting，SEBM)是一種增材制造技術。該技術以計算機軟硬件控制電子束，可直接驅動三維CAD模型成形實體零件，利用高能電子束熔化金屬粉末，實現逐層堆積制造，可制備具有任意形狀的零件[1-3]。多孔材料具有相對密度低、比強度高、比表面積大、質量輕、隔音、隔熱、滲透性好等優點;極小曲面具有平均曲率處處為零的獨特特性，其表面光順、結構穩定。采用極小曲面與多孔結構復合，使得材料具有更大的比表面積及更高的比強度，特別適用于人體組織工程,并能夠表現出更加優良的滲透性和吸附性，因此研究極小曲面多孔結構材料對于其在人體組織工程方面的應用具有積極的指導意義[4-6]。

極小曲面多孔結構具有高度的空間扭曲性,很難采用傳統三維特征驅動繪制方法繪制模型，因而制備困難。本研究利用極小曲面的空間幾何數學模型,通過多個軟件參數化方式生成幾何三維模型，并采用電子束增材制造方式制備具有復雜外形的極小曲面多孔鈦合金樣品。期望實驗結果能夠對多孔鈦合金的制備工藝和應用推廣提供數據支持。

1 實 驗

1.1 極小曲面多孔結構設計

常見的極小曲面有Gyroid曲面、Primitive曲面、Diamond曲面，每種曲面均有各自的數學隱函數表達式。實驗選用Gyroid曲面結構作為打印模型進行設計，其數學表達式為：

f(x,y,z)=sin(x)cos(y)+sin(y)cos(z)

+sin(z)cos(x)=0

由于隱函數難以用SolidWorks和CATIA等工業實體三維繪圖軟件繪制，而Rhino軟件可在Windows系統環境中建立、編輯和分析，可轉換成NURBS曲線、曲面和實體，而且不受模型復雜度、階數以及尺寸的限制，同時支持多邊形網格和點云輸出。因此，實驗采用Rhino軟件為設計主體工具，并配合Grasshopper插件進行極小曲面的數學算法參數化生成。Grasshopper插件是一款在Rhino環境下運行的插件，采用程序算法生成參數化模型。與傳統建模工具相比，該插件的最大特點是可以向計算機下達更加高級復雜的邏輯建模指令，使計算機根據擬定的算法自動生成模型結果。通過該模型的建模算法指令生成Gyroid極小曲面模型的步驟為：①在Rhino軟件里打開提前安裝好的Grasshopper極小曲面繪制插件，設置極小曲面整體結構尺寸為20 mm×20 mm×20 mm；②選擇菜單欄math下的函數運算器，將之前提到的數學公式輸入到函數編輯端，建立邏輯建模指令；③通過調整極小曲面函數圖像控制參數來調節模型形狀；④將生成的模型導出為3D打印通用的STL格式模型并保存。圖1為Rhino建模軟件界面及Grasshopper插件生成的Gyroid曲面模型。

圖1 Rhino建模軟件界面及Grasshopper插件生成的Gyroid曲面模型

采用Materialise 公司基于數字化CAD的工程軟件3-matic進行極小曲面的多孔化處理。該軟件可以方便的處理STL格式三角面片描述的空間幾何模型,并可以進行零件模型的輕量化和多孔化處理，是3D打印設計常用的拓撲優化軟件。在3-matic軟件中對Gyroid曲面進行多孔化拓撲處理，生成不同表觀密度的極小曲面多孔模型，如圖2所示。模型外廓尺寸均為20 mm×20 mm×20 mm，通過三維軟件直接讀取每個模型的質量，從而計算出極小曲面多孔結構材料的理論表觀密度，從小到大依次為0.14、0.36、0.53、0.74 g/cm3。

圖2 不同表觀密度的極小曲面多孔模型

1.2 原料

實驗原料為氣霧化法制備的球形TC4鈦合金粉末，其密度為4.43 g/cm3。表1是該粉末的化學成分，其性能滿足增材制造粉末標準ASTM F1108。圖3為TC4鈦合金粉末形貌及其粒度分布圖。該粉末呈球形，表面光滑，并伴有少量的衛星粉，粉末粒徑≤106 μm。

表1 TC4鈦合金粉末的化學成分(w/%)

圖3 TC4鈦合金粉末形貌及其粒度分布圖

1.3 設備及工藝

采用西安賽隆金屬材料有限責任公司研制的 Sailong-S2型電子束3D打印設備進行極小曲面多孔TC4鈦合金成形。該設備電子束束斑直徑≤0.2 mm，最大掃描速度為8 000 m/s，最大成形尺寸為200 mm×200 mm×240 mm，成形尺寸精度為±0.3 mm。采用的成形工藝參數為：模型切層厚度50 μm，底板預熱溫度750 ℃，預熱電流22 mA，預熱電子束掃描速度(15～20)×103mm/s，熔化電流為12 mA，熔化電子束掃描速度7.2×103mm/s。

成形過程分為軟件處理和硬件處理兩部分，工藝流程如圖4所示。軟件處理部分包括用三維CAD建模軟件進行樣品模型繪制，Mgaics軟件來擺放模型并添加支撐，以及用Build Assembler軟件對模型進行分層處理。硬件處理部分主要包括成形底板的調平、抽真空、設置控制參數、調節電子束定位精度、底板預熱，以及鋪粉熔化凝固成形。

圖4 電子束3D打印成形工藝流程圖

3D打印試樣采用VPS-50真空燒結爐進行退火處理，退火工藝為:以10 ℃/min的升溫速率升溫至1 000 ℃，保溫2 h，隨爐冷卻至室溫。

1.4 樣品表征

采用干質量測量法測量電子束3D打印得到的極小曲面多孔TC4鈦合金樣品的密度。將沉積態試樣與熱處理試樣進行打磨、拋光、腐蝕，并在金相顯微鏡下觀察其顯微組織。采用Instron5967電子萬能試驗機對電子束3D打印試樣進行壓縮試驗，加載方式為恒位移加載，加載速度為0.5 mm/min。

2 結果與分析

2.1 宏觀形貌與表觀密度

圖5為電子束3D打印制備的不同表觀密度的極小曲面多孔鈦合金試樣的宏觀形貌。由圖5可以看出，隨著表觀密度的增加，3D打印試樣的孔隙逐漸變小。表2為極小曲面多孔試樣的表觀密度測量結果。從表2可以看出，試樣的表觀密度與理論表觀密度存在一定偏差，相對于理論表觀密度，偏差范圍在+0.00～+0.14 g/cm3之間，且隨著表觀密度的增加，偏差逐漸減少，表觀密度達到0.74 g/cm3時，與理論表觀密度達到一致，偏差為0。試樣表觀密度與理論值出現偏差的主要原因有：在試樣制備過程中,由于設備的打印精度為±0.3 mm,樣品尺寸在0.6 mm以上可保證一定的打印精度，而設計的1#試樣到4#試樣的桿徑尺寸從0.3 mm到0.8 mm逐漸增加，桿徑越小，與最小可打印尺寸的差越大，從而導致表觀密度的偏差增大；試樣在加工過程中出現的粘粉、過熔等情況,使打印試樣與設計試樣存在質量偏差，也會導致表觀密度出現偏差。

圖5 電子束3D打印極小曲面多孔TC4鈦合金試樣宏觀形貌

表2 極小曲面多孔TC4鈦合金試樣的理論表觀密度與表觀密度測量值(g/cm3)

2.2 微觀組織

圖6為沉積態和退火態極小曲面多孔鈦合金試樣沿沉積方向(Z軸)的金相照片。從圖6a可以看出，沉積態組織主要為β柱狀晶，沿沉積方向分布有明顯可見的晶界。在柱狀β晶內，充滿了非常細小的垂直正交或斜交取向的針狀馬氏體α′相與α+β片層，如圖6b所示。沿沉積方向形成粗大β柱狀晶的主要原因是由于電子束熔化后的合金粉末，在沿著極小曲面的面沉積方向上產生了遠大于周圍其他方向的溫度梯度，使晶粒呈柱狀晶生長。在SEBM成形過程中，粉末從熔化到凝固是一個微熔池的瞬時液固相變過程,瞬時溫度從約1 900 ℃下降到700 ℃左右，冷卻速率在103～105℃/s之間，遠大于Ti6Al4V合金中馬氏體形成的臨界冷卻速率410 ℃/s，因此β相轉變成了馬氏體α′相[7-9]。在循環預熱作用下，粉床溫度始終保持在750 ℃左右，靠近熔化層的粉層溫度更高，在800～900 ℃之間，在此高溫下亞穩態的細針狀馬氏體發生分解，形成細長片狀α相和粗短片狀α相，因此柱狀晶內部形成了α+β相[10]。

圖6 沉積態與退火態極小曲面多孔TC4鈦合金試樣的金相照片

從圖6c、d可以看出，經過1 000 ℃×2 h/FC退火熱處理后，極小曲面多孔鈦合金粗大的原始β柱狀晶內部析出細長片α相，形成不同位相的集束，并在原始β柱狀晶內部連續析出，組織轉變為魏氏組織。

2.3 壓縮性能

圖7為分別在沉積態和熱處理態下不同表觀密度的極小曲面多孔鈦合金試樣的壓縮應力-應變曲線。由圖7可見，所有壓縮試樣在結構受壓破壞之前主要經歷3個階段：彈性階段、屈服階段和平臺階段。試樣在初始壓縮階段，隨著應變量的增大，應力急劇增長，應力與應變為線性關系；當應變增至大約3%以后，應力繼續增長，增長趨勢為非線性，當應變增至7%～9%時，壓縮應力值達到最大值；之后隨著應變值的繼續增大，試樣被壓潰，應力呈明顯的下降趨勢，在應變值超過25%以后，隨著應變的繼續增大，應力基本保持不變，進入了平臺階段。隨著表觀密度的增大，壓縮曲線逐漸上移，初始屈服強度和彈性模量均逐漸增大，沉積態試樣抗壓強度分別為6.07、21.23、34.58、49.33 MPa。試樣熱處理后的彈性模量與沉積態相比變化不大，抗壓強度除密度在0.48 g/cm3時略有降低外，其他均有所提高；在達到最大抗壓強度之前，所有熱處理試樣的延展性都有一定提高，尤其是低表觀密度試樣的延展性提高比較明顯。這是因為熱處理后，α′相分解為α+β相，且α+β條狀組織變粗，增加了延展性。

圖7 極小曲面多孔TC4鈦合金試樣的應力-應變曲線

3 結 論

(1)采用Rhino建模軟件為設計主體，并配合Grasshopper插件的程序算法可參數化生成極小曲面模型；再采用3-matic軟件進行多孔化處理，可建立極小曲面多孔材料模型。

(2)采用電子束3D打印可制備出極小曲面多孔TC4鈦合金，其表觀密度從0.28 g/cm3提高到0.74 g/cm3。實際打印試樣的表觀密度與設計試樣的理論表觀密度偏差≤0.14 g/cm3，且隨著試樣表觀密度的增加，偏差逐漸趨于0。

(3)電子束3D打印制備的極小曲面多孔TC4鈦合金沉積態組織主要由β柱狀晶組成，經1 000 ℃×2 h/FC退火處理后，其組織轉變為魏氏組織。

(4)隨著表觀密度的增大，電子束3D打印極小曲面多孔結構鈦合金的抗壓縮強度增加，壓縮曲線逐漸上移，初始屈服強度和彈性模量均逐漸增大。