真空環境下TC4激光熔絲增材制造工藝實驗研究

劉海濤，王星

真空環境下TC4激光熔絲增材制造工藝實驗研究

劉海濤1*，王星2

（1.西安工業大學 機電工程學院，西安 710021；2.西安科技大學 機械工程學院，西安 710600）

針對TC4金屬增材制造制備的零件質量差的問題，研究真空環境下不同工藝參數對TC4激光熔絲增材制造的影響規律。通過單因素單道工藝實驗，研究激光功率、掃描速度、送絲比等工藝參數對單道沉積層形貌、寬度和高度的影響。當激光功率小于230 W時，得到的單道表面形貌較為良好，熔覆層與基板區域結合較好，而當激光功率大于230 W時，則會在初始段產生魚鱗狀缺陷。隨著激光功率從150 W增大到230 W，單道截面寬度從0.582 mm增大到1.123 mm，增大了93.0%。單道截面高度從0.443 mm降低到0.351 mm，降低了20.8%。當掃描速度小于1.5 mm/s時，單道表面也出現了“魚鱗”狀結構，導致質量下降；當掃描速度從1 mm/s增大到5 mm/s時，單道橫截面寬度從1.003 mm降低至0.887 mm，降低了11.6%，而單道橫截面高度則從0.332 mm增大至0.353 mm，只增大了6.32%。在不同送絲比情況下，單道表面形貌都較為良好，且隨著送絲比從1增大至3，單道沉積層的高度從0.308 mm增大至0.465 mm，增大了51.0%。激光功率是影響單道沉積層表面形貌和橫截面寬度的重要因素，而掃描速度對橫截面寬度和高度的影響幅度都很小，其影響程度遠不如激光功率顯著，送絲比只對單道沉積層的高度影響顯著。

激光熔絲；增材制造；工藝實驗；沉積層形貌

金屬熔絲增材制造因設備簡單、成本低、材料利用率高、無污染等特點而備受關注[1-3]，而TC4鈦合金具有高剛度、高強度和耐腐蝕等優良特性，在航空、航天等領域廣泛應用[4-6]。因此，基于熔絲的TC4增材制造成為了研究熱點[7-9]。

與基于粉末的工藝相比，金屬熔絲增材制造工藝更為復雜，往往存在尺寸精度難以控制、制備零件表面粗糙度差的問題。相關研究發現，金屬激光熔絲沉積幾何特征，如沉積層單道寬度、高度、潤濕角等，與激光功率、掃描速度以及送絲比等工藝參數有著復雜的關系[10-16]。因此，必須對其工藝過程進行研究，以提高制備零件的質量。

1 TC4熔絲增材制造工藝實驗裝置

TC4金屬熔絲工藝實驗的原理和裝置圖如圖1所示，該裝置主要包括真空艙、激光器、送絲機構、運動平臺以及檢測系統等模塊。絲材通過送絲機構按照一定的速度進入高功率激光束的作用區域，絲材受熱熔化，熔化的金屬過渡到基板的熔池區域，最終通過層層堆疊快速形成高致密性、高性能的大型復雜金屬零件。

實驗使用的金屬絲和基板材料為TC4鈦合金，絲材的直徑為0.5 mm，基板尺寸為120 mm×120 mm× 10 mm。TC4化學成分如表1所示。

2 單因素單道增材制造工藝實驗

單層單道是實現增材制造的基礎，其成形質量直接影響下一道或下一層的成形，因此，研究單層單道的成形和控制機理至關重要。本文在高真空環境下，采用激光熔絲增材制造技術進行單層單道成形實驗，主要研究激光功率、掃描速度以及送絲比（送絲速度與掃描速度的比值）對單層單道成形形貌、成形截面尺寸的影響。

2.1 激光功率

激光功率的大小會影響激光輸入到熔覆道能量的大小，激光輸入能量將影響熔池和鈦合金絲材的熔化。因此，激光功率最終會影響熔覆道表面和截面形貌。為了探究激光功率對單道成形的影響，在其他參數（掃描速度為2 mm/s，送絲比為1.25）不變的情況下，只改變激光功率的大小進行單道掃描。

圖1 TC4金屬熔絲增材制造工藝實驗原理和裝置圖

表1 TC4化學成分

不同激光功率下單道成形單元的表面形貌如圖2所示。可以看出，當激光功率小于230 W時，打印單道的表面形貌較為良好。當激光功率為230 W時，打印起始段出現了缺陷，表面出現了類似“魚鱗”的結構，液橋過渡不平穩，質量較差。

不同激光功率下單道橫截面圖如圖3所示。可以看出，當激光功率為190～230 W時，熔覆層與基板區域相對結合較好。但較大的激光功率會造成基板熱影響區較大，當激光功率為230 W時，基板熱影響區深度為0.697 mm。而當激光功率為150 W時，基板熱影響深度僅為0.464 mm。在后期打印過程中，過大的熱影響區域會造成熱積累嚴重，前幾層重熔嚴重，影響打印樣件的表面質量。

單道橫截面高度以及寬度尺寸隨激光功率的變化曲線如圖4所示。可以看出，單道橫截面寬度隨激光功率的增大而增大，單道橫截面高度隨激光功率的增大而減小。隨著激光功率從150 W增大到230 W，單道截面寬度從0.582 mm增大到1.123 mm，增大了93.0%；單道截面高度從0.443 mm降低到0.351 mm，降低了20.8%。

2.2 掃描速度

掃描速度是指基板相對激光束的運動速度，掃描速度與激光功率共同決定了成形過程中的線能量密度，最終影響成形質量的好壞，同時也決定了沉積效率。為了探究掃描速度對單道成形的影響，在其他參數（激光功率為200 W，送絲比為1.25）不變的情況下，工藝實驗只改變掃描速度進行打印。

圖2 激光功率對單道表面形貌的影響

圖3 激光功率對單道橫截面影響

圖4 單道橫截面高度以及寬度隨激光功率的變化曲線

不同掃描速度下的打印表面形貌如圖5所示。可以看出，所有情況下打印單道的表面形貌都較為良好，但當掃描速度小于1.5 mm/s時，表面也出現了和大功率情況一樣的類似“魚鱗”的結構。此時線能量密度較大，液橋過渡不平穩。

各掃描速度下單道橫截面圖如圖6所示。可以看出，當掃描速度為1 mm/s時，相對結合較好，但其熱影響區較大。當掃描速度大于1.5 mm/s時，基板熱影響區深度從0.627 mm減小到0.498 mm，降低了20.6%。

圖5 掃描速度對單道表面形貌的影響

單道橫截面寬度以及高度隨掃描速度的變化曲線如圖7所示。可以看出，隨著掃描速度的增大，橫截面寬度逐漸降低，高度逐漸增大，二者變化的幅度都很小。當掃描速度從1 mm/s增大到5 mm/s時，單道橫截面寬度從1.003 mm降低至0.887 mm，降低了11.6%，而單道橫截面高度從0.332 mm增大至0.353 mm，增大了6.32%。因此，與激光功率對橫截面尺寸的影響進行比較可以發現，激光功率對橫截面尺寸的影響更加顯著。

圖6 掃描速度對單道橫截面影響

圖7 單道橫截面寬度以及高度隨掃描速度的變化曲線

2.3 送絲比

送絲比是送絲速度與掃描速度的比值，它決定了單位長度（時間）送入熔池中絲材的質量。當送絲比過大時，熔池無法及時熔化送進的絲材，絲材將頂在基板上并發生變形，造成最終成形失敗。當送絲比過小時，送進的絲材末端無法與熔池形成穩定的液橋過渡，絲材將會在未進入熔池前被激光輻射熱量熔化，形成小球。為了研究送絲比對成形的影響，在其他參數（激光功率為200 W，掃描速度為2 mm/s）不變的情況下，只改變送絲比的大小進行打印。

不同送絲比下的打印單道表面形貌如圖8所示。可以看出，在不同送絲比情況下，單道表面形貌都較為良好，表面光滑，無明顯缺陷，說明激光器輸入熔池的能量足以熔化所有絲材，成形過程較為平穩。

不同送絲比下的單道橫截面圖如圖9所示。可以看出，不同參數下熔池的熱影響區并無明顯區別，說明絲材的添加對熔池溫度分布無影響。隨著送絲比的增大，送入熔池中絲材的質量逐漸增大，橫截面的面積逐漸增大。

圖8 送絲比對單道表面形貌的影響

圖9 送絲比對單道橫截面影響

橫截面寬度以及高度隨送絲比的變化曲線如圖10所示。可以看出，在不同送絲比情況下，橫截面寬度無明顯差異，寬度均值為0.938 mm，標準差為0.025 mm。這主要是由于沉積層的寬度會受到熔池寬度的影響，而送絲比對熔池形狀幾乎無影響，因此沉積層寬度也不會有較大差異，絲材質量的增大主要體現在沉積層高度方向上。隨著送絲比從1增大至3，單道沉積層的高度從0.308 mm增大至0.465 mm，增大了51.0%。

圖10 單道橫截面寬度以及高度隨送絲比的變化曲線

3 結論

對真空環境下TC4激光熔絲增材制造工藝進行了實驗研究，研究了激光功率、掃描速度以及送絲比等因素對單道沉積層形貌、橫截面的影響規律，得到的主要結論如下：

1）當激光功率小于230 W時，得到的單道表面形貌較為良好，而當激光功率為230 W時，單道起始段出現了缺陷，且表面出現了“魚鱗”結構；當激光功率為190～230 W時，熔覆層與基板區域相對結合較好，但較大功率會造成基板熱影響區較大。

2）當掃描速度小于1.5 mm/s時，表面也出現了“魚鱗”結構；掃描速度對橫截面寬度和高度的影響幅度都很小。

3）在不同送絲比情況下得到的單道表面形貌都較為良好，表面光滑，無明顯缺陷，成形過程較為平穩，不同參數下熔池熱影響區并無明顯區別；隨著送絲比的增大，送入熔池中絲材的質量逐漸增大，橫截面的面積逐漸增大，主要體現在沉積層高度方向上。

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Experimental Study on TC4 Laser Wire-based Additive Manufacturing Process in Vacuum Environment

LIU Hai-tao1*, WANG Xing2

(1. School of Mechatronic Engineering, Xi'an Technological University, Xi’an 710021, China; 2. College of Mechanical Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710600, China)

In order to solve the problems of poor quality of parts prepared based on TC4 metal additive manufacturing, the work aims to study the effect of different parameters on TC4 laser wire-based additive manufacturing process in vacuum environment. Through single factor and single track process experiment, the effects of process parameters such as laser power, scanning speed, and wire feeding ratio on the morphology, width, and height of the single track deposition layer were studied. When the power was less than 230 W, the surface morphology of the single track obtained was relatively good, and the bonding between the cladding layer and the substrate area was in good condition. If the power was greater than 230 W, fish scale defects occurred in the initial stage. As the laser power increased from 150 W to 230 W, the width of the single track increased from 0.582 mm to 1.123 mm, with an increase of 93.0%. The height of the single track decreased from 0.443 mm to 0.351 mm, with a decrease of 20.8%. When the scanning speed was less than 1.5 mm/s, the surface quality decreased due to the defect of fish scale structure, which resulted in a decrease in surface quality. When the scanning speed increased from 1 mm/s to 5 mm/s, the width of the single track decreased from 1.003 mm to 0.887 mm, only decreasing by 11.6%, while the height of the single track increased from 0.332 mm to 0.353 mm, with an increase of only 6.32%. The surface morphology of the single track under different wire feeding ratios was in good quality without obvious defects, and as the wire feeding ratio increased from 1 to 3, the height of the single track deposition layer increased from 0.308 mm to 0.465 mm, with an obvious increase of 51.0%. Laser power is an important factor affecting the surface morphology and the width of a single track deposition layer, while the scanning speed has a small impact on the width and height, and its impact is far less significant than that of laser power. The wire feeding ratio only has a significant impact on the height of single track deposition layer.

laser wire-based; additive manufacturing; process experiment; morphology of deposition layer

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.011.011

TG44

A

1674-6457(2023)011-0100-07

2023-09-04

2023-09-04

西安市科技計劃（21ZCZZHXJS-QCY6-0002）

Xi’an Science and Technology Plan (21ZCZZHXJS-QCY6-0002)

劉海濤, 王星. 真空環境下TC4激光熔絲增材制造工藝實驗研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 100-106.

LIU Hai-tao, WANG Xing. Experimental Study on TC4 Laser Wire-based Additive Manufacturing Process in Vacuum Environment[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 100-106.

通信作者（Corresponding author）

責任編輯：蔣紅晨