激光選區熔化成形受電弓滑板連接座工藝與性能研究

馬明明，陳貞韜

1.中車株洲電力機車有限公司 湖南株洲 412001

2.國家先進軌道交通裝備創新中心（株洲國創軌道科技有限公司） 湖南株洲 412001

1 序言

受電弓作為軌道交通車輛受流裝置，承擔著接觸網與車載電氣設備之間的接口作用。在列車運行時，受電弓還必須具備一定的動態追隨性能、良好的空氣動力學性能以及優異的耐腐蝕性能，以保證列車獲取穩定、持續的電能。然而，隨著軌道交通車輛運行速度的不斷增加以及大量城市軌道剛性接觸網的使用，受電弓所受到的各種拉力、壓力、阻力等動載荷也隨之增加。尤其是不斷惡化的大氣環境對受電弓的腐蝕程度也逐漸增加。上述諸多因素導致受電弓關鍵承力部件極易出現焊縫裂紋或螺栓松動等失效現象，這將嚴重影響受電弓的使用壽命和列車運行的安全性與穩定性。

某型號型受電弓是我國軌道交通的主力型受電弓，通過對該型受電弓的返修檢測發現，支撐受電弓碳滑板的滑板連接座經常出現焊縫開裂或螺栓松動等失效現象[1]。目前，該連接件采用弧焊和螺栓聯接工藝將三個形狀不同的Ti6Al4V鈦合金板連接而成，如圖1所示。對焊縫裂紋進一步分析，其產生原因可歸納為以下三個方面。

（1）焊接殘余應力 焊接殘余應力是焊接結構所固有的特征之一，尤其是在熱熔焊過程中，大量的熱輸入導致的殘余應力與動荷載產生的應力疊加后，系統的應力幅值產生變化，后者對結構抗疲勞強度將產生嚴重影響，并導致裂紋的產生。

（2）焊接缺陷 在弧焊過程中，弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊縫中氫氣的重要來源，這些氫氣殘留在熔池中因不易及時排出而形成氣孔，它們是裂紋萌生的重要因素。

（3）組織不均勻 由于熱輸入與熱循環的作用，焊接接頭在成分、組織與性能等方面是一個不均勻體，這種不均勻性在疲勞載荷和腐蝕環境下通常是導致材料失效的重要原因。

基于上述三個方面因素的累加，導致受電弓滑板連接座焊縫容易出現裂紋，并導致材料失效。而對于滑板連接座螺栓聯接部分，由于在受電弓各種復雜工況下，滑板連接座所受到的各種扭矩將超過螺栓固有扭矩，從而導致螺栓聯接失效。因此，尋求新的制造工藝，提升滑板連接座的整體性能是解決上述產品失效的根本方法。

圖1 采用傳統工藝制造的滑板連接座實物

激光選區熔化（Selective Laser Melting，以下簡稱SLM）技術是近年發展起來的一項金屬零部件成形技術，是目前應用面最廣、成形結構最復雜、適應材料較廣泛的一種增材制造技術。一般而言，SLM技術成形零部件尺寸精度可達±（0.1～0.2）mm[2，3]。對于成形性能而言，由于合金在微熔池形態下的快速凝固過程，故成形零部件一般具有均勻的組織結構以及較少的偏析或其他冶金缺陷，其力學性能可超過鑄件水平，部分材料成形后可超過鍛件水平[2-5]。因此，如果采用SLM技術一體化成形Ti6Al4V鈦合金滑板連接座，不僅可避免出現焊縫開裂失效現象，還能提升傳動件整體力學性能。這是因為：①SLM技術一體化成形原理，從根本上避免了焊縫和螺栓聯接部位的出現。②SLM一體化成形Ti6Al4V鈦合金滑板連接座，保證了零部件組織結構與性能的均勻性，主要力學性能有望超過鍛件水平，提升了連接件的整體力學性能。③SLM成形過程屬于合金在微熔池形態下的快速凝固過程，成形組織晶粒細小，晶界偏析較小。另外，由于晶界對裂紋尖端塑性區域大小的限制和對位錯運動的阻礙作用，因此晶粒細化還可從根本上起到抑制裂紋產生的作用，提升了零件的疲勞強度。綜上所述，采用SLM技術成形滑板連接座，是解決容易出現裂紋與松動難題的最佳方法。

2 試驗方法

（1）試驗設備與材料 本試驗采用EOS M290增材制造系統成形滑板連接座與性能測試樣件，成形材料為Ti6Al4V鈦合金粉末，粉末粒徑為20～45μm，粉末成分見表1。

（2）試驗方法 SLM成形過程中，每層熔覆層的激光掃描路徑按照光柵掃描方式進行，而相鄰兩層熔覆層的掃描方向變換90°，如圖2所示。這種掃描方式已普遍應用于SLM成形過程中。

圖2 SLM成形掃描相位變化示意

對SLM成形后的樣品進行組織結構分析與主要力學性能測試。首先按照ASTM E3—2011標準制取金相試樣，制備后的金相采用硝基鹽酸進行腐蝕，腐蝕后的試樣采用金相顯微鏡觀察成形件橫截面與縱截面微觀組織結構。

根據GB/T 4340.1—2009，使用顯微硬度計對拋光腐蝕后的試樣進行硬度測試。測試過程中載荷大小為1.96N，加載時間為20s。對于每個參數所成形樣品，在同一截面沿同一方向測試10個點，每個點的間距為0.5mm，求取平均值作為該樣品的最終顯微硬度值。根據標準ISO 6892-1：2009設計拉伸試樣尺寸，并采用與滑板連接座相同工藝參數成形拉伸性能試樣，如圖3所示。成形后用砂紙對試樣標距部分進行適當打磨，以減少測試誤差。使用萬能材料試驗機進行拉伸性能測試，測量相同工藝參數下三件拉伸試樣并取平均值作為最終拉伸性能值。

表1 Ti6Al4V鈦合金粉末化學成分（質量分數）(%)

圖3 拉伸性能試樣

3 結果與討論

（1）SLM成形滑板連接座及性能測試件 針對滑板連接座原結構進行了重新優化設計，優化后為整體式結構，即將原有的焊接結構與螺栓聯接結構合并為整體結構，并設計兩種不同整體形式。采用SLM成形Ti6Al4V鈦合金滑板連接座如圖4所示。

圖4 SLM成形Ti6Al4V鈦合金滑板連接座

成形工藝參數分別為：激光功率P=400W，光斑直徑d=90μm，激光掃描速度v=800mm/s，單層厚度h=40μm。

（2）成形精度檢測 圖5所示為滑板連接座關鍵特征尺寸，用于檢測SLM成形該樣件的尺寸精度。

圖5 滑板連接座關鍵特征尺寸定義

表2給出了圖5相應特征尺寸的設計值與檢測值。從表2可以看出，成形零件各方向的尺寸精度誤差＜0.1mm，且均為正誤差。另外，成形零件在熱處理前后的尺寸差異也不大，均滿足產品使用要求。

（3）組織結構分析 SLM成形Ti6Al4V鈦合金零件之所以性能優異，成形態與熱處理態下的主要力學性能達到鍛件水平，主要是因為其組織結構均勻、細小，無明顯冶金缺陷[5，6]。為此，將對SLM成形Ti6Al4V鈦合金的微觀組織進行分析，圖6所示為SLM成形Ti6Al4V鈦合金樣品橫截面（XY截面）與縱截面（XZ截面）放大200倍的微觀組織形貌。

表2 SLM成形滑板連接座尺寸檢測結果

圖6 SLM成形Ti6Al4V鈦合金成形態微觀組織

從圖6可以看出，無論是XY截面，還是XZ截面，均可看出組織結構呈現出明顯的針形馬氏體。綜合橫截面與縱截面微觀組織圖，可判定SLM成形Ti6Al4V鈦合金的組織結構屬于典型的片狀馬氏體結構，并可看出明顯的晶粒邊界，如圖6中藍色虛線所示。馬氏體力學性能的顯著特點是高強度與高硬度，主要原因包括固溶強化與相變強化[6]。

在馬氏體晶體結構中，間隙原子碳處于晶格的扁八面體間隙中，造成晶格的畸變并形成一個應力場。該應力場與位錯發生強烈的交互作用，從而提高了馬氏體的強度，即形成固溶強化。馬氏體轉變時在晶體內能造成密度很高的晶格缺陷，這種高密度的位錯能阻礙位錯運動，從而使馬氏體強化，即相變強化機制[6]。

除了上述兩種馬氏體固有的強化機制外，在SLM成形過程中，由于激光加工的先天性優勢，熔池在熔化凝固過程中，冷卻速率高達105K/s數量級，較高的冷卻速率形成了細小的馬氏體結構，細小的馬氏體相界面有阻礙位錯運動的作用，從而提高了馬氏體的強度，即晶粒細化強化機制[5，6]。

然而，較高的強度容易造成較低的伸長率，零件在使用過程中容易造成內部微裂紋，從而影響零件使用壽命。因此，為了獲得較高的伸長率，對上述SLM成形Ti6Al4V鈦合金零件及性能樣件進行退火處理，退火溫度為730℃，退火時間為2h。圖7所示為SLM成形Ti6Al4V鈦合金樣品退火處理后放大200倍微觀組織形貌。從圖7可以明顯看出，退火后的微觀組織結構仍然為片狀馬氏體，而且馬氏體片的尺寸相比于圖6中的尺寸有所增大。尤其是晶粒尺寸相比于成形態下的晶粒尺寸也明顯增大（見圖7中藍色虛線），這將有助于提升樣品的伸長率。

圖7 SLM成形Ti6Al4V鈦合金退火態微觀組織

（4）主要性能分析 根據上述分析，在SLM成形Ti6Al4V鈦合金過程中，合金的強化機制包括固溶強化、相變強化與晶粒細化強化，由此可大幅提升Ti6Al4V鈦合金的主要力學性能。SLM成形Ti6Al4V鈦合金成形態、退火態以及鍛件標準顯微硬度比較見表3。從表3中可以看出，無論是成形態還是熱處理態，無論是橫截面還是縱截面，顯微硬度值均高于鍛件標準值，這進一步說明SLM成形Ti6Al4V鈦合金的性能優勢。

表3 SLM成形Ti6Al4V鈦合金顯微硬度比較（HV）

進一步分析可知，在成形態下，樣品橫截面顯微硬度略高于縱截面顯微硬度，這可能是由于不同截面顯微組織的各向異性導致的。但是，在退火態下，樣品橫截面與縱截面的顯微硬度基本一致，因此，SLM成形Ti6Al4V鈦合金微觀組織不同截面的各向異性可通過熱處理進行調節。

SLM成形Ti6Al4V鈦合金成形態、退火態以及鍛件標準拉伸性能比較見表4。從表4中可以看出，對于抗拉強度與屈服強度值，無論是成形態還是退火態，均高于鍛件標準值。尤其是成形態下的抗拉強度，最高值要比鍛件標準值高150MPa。而對于屈強比而言，成形態下的值要低于退火態下的屈強比值。這說明SLM成形Ti6Al4V鈦合金可通過退火處理進一步提升其屈強比值。

表4 SLM成形Ti6Al4V鈦合金成拉伸性能對比

對于伸長率而言，從表4可以看出，成形態下樣品的伸長率略低于鍛件標準，而采取退火處理后樣品的伸長率則達到了鍛件標準，同時，樣品的抗拉強度、屈服強度以及屈強比均超過了鍛件標準。這說明，SLM成形Ti6Al4V鈦合金經后續退火處理后，其性能完全超過了鍛件標準，達到了材料的使用要求。

這里要作出說明的是，在鈦合金焊接工藝中，無論是弧焊，還是激光焊，其焊縫區域的力學性能接近母材標準。但是，根據上述分析可知，焊縫本身所固有的缺陷導致其在復雜工況下容易出現裂紋，這些缺陷包括組織不均勻、焊接冶金等。而對于本文所采用的SLM成形技術而言，成形零件力學性能不僅達到了鍛件標準，而且從組織到性能是一個均勻體，零件的整體力學性能大大提升。

4 結束語

針對某型受電弓滑板連接座容易出現焊縫開裂與螺栓松動等難題，本文采用SLM技術一體化成形Ti6Al4V鈦合金滑板連接座及性能測試樣件。結果顯示，采用SLM成形Ti6Al4V鈦合金滑板連接座尺寸精度誤差＜0.1mm。成形件微觀組織形貌表現為片狀馬氏體，通過固溶強化、相變強化及晶粒細化強化，提升了SLM成形Ti6Al4V鈦合金的力學性能。檢測結果顯示，SLM成形Ti6Al4V鈦合金在成形態與退火態下的顯微硬度均高于鍛件標準與弧焊標準，而且退火處理還能對顯微硬度各向異性進行調節。同時，SLM成形Ti6Al4V鈦合金抗拉強度與屈服強度均高于鍛件標準與弧焊標準，通過退火處理，屈強比與伸長率均達到了鍛件標準，滿足了零件使用技術要求。

上述結論表明，SLM技術在受電弓Ti6Al4V鈦合金滑板連接座成形方面表現出巨大優勢。