增材制造SLM 工藝對(duì)Ti6Al4V 表面織構(gòu)成型質(zhì)量的影響

崔雲(yún)崴 田 斌 王子妍 馮青源 冉志勇

（北京工商大學(xué)人工智能學(xué)院，北京 100048）

鈦合金具有低密度、高比強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕和高生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，是醫(yī)療器械、石油化工、船舶與海洋工程等重點(diǎn)領(lǐng)域機(jī)械制造零部件的常用材料之一[1]。采用3D 打印技術(shù)制造鈦合金零部件，具有成型效率高、成型質(zhì)量好、工藝簡(jiǎn)化、生產(chǎn)周期短、材料利用率高以及制造柔性化程度高等優(yōu)勢(shì)[2]。

由于3D 打印鈦合金產(chǎn)品具有的高尺寸精度，使得通過后處理工藝進(jìn)行表面性能改善受到高溫和變形等限制[3]。對(duì)于傳統(tǒng)工藝制備的鈦合金，利用激光拋光、表面滲氮[4]、表面鍍制固體潤(rùn)滑膜[5]以及表面合金化[6]等技術(shù)可不同程度提高鈦合金零件表面的減摩抗磨性能[7]。但滲氮、熱噴涂等表面處理的高溫會(huì)造成熱變形，而表面織構(gòu)化的影響相對(duì)較小[8-9]。已有研究表明，對(duì)傳統(tǒng)工藝制備的鈦合金進(jìn)行織構(gòu)化處理，可有效改善零件表面摩擦學(xué)性能，其中織構(gòu)的直徑、深度、密度和形狀等參數(shù)都有重要影響[10-15]。Biswas S 等[11]對(duì)Ti-6Al-4V 試樣進(jìn)行表面織構(gòu)化處理后，相比基體，織構(gòu)化鈦合金試樣的磨損率從4.4 μg/N/m 降低到2.4 μg/N/m，摩擦系數(shù)從1.73 降為0.359。毛璐璐等[12]研究表明，較小的凹坑深度、合適的凹坑面積率和凹坑直徑，可有效降低TC4 鈦合金的摩擦因數(shù)，其中織構(gòu)最優(yōu)參數(shù)為直徑230 μm、深度10 μm、面密度14%；連峰等[13]研究得出間距100 μm 的不同形狀織構(gòu)均能提高TC4 鈦合金的耐磨性，但間距為200、300 μm時(shí)，相比網(wǎng)格織構(gòu)和直線織構(gòu)，只有凹坑織構(gòu)可減小摩擦因數(shù)；徐鵬飛等[14]研究表明，Ti-6Al-4V 表面網(wǎng)紋型織構(gòu)在寬度0.2 mm、深度0.125 mm、間寬比10、角度45°時(shí)，摩擦副的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)最小。王明政等人[15]研究發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格型織構(gòu)對(duì)鈦合金耐磨性的提升更顯著，其中寬度和間距均為200 μm 的網(wǎng)格型織構(gòu)磨損率最低。

以上研究表明，織構(gòu)的直徑、深度和邊緣質(zhì)量等都會(huì)影響試樣表面性能的改善效果，因此研究表面織構(gòu)制備過程中的織構(gòu)成型質(zhì)量尤為重要。鄭凱瑞等[16]在YG8 硬質(zhì)合金刀具表面制備了溝槽型微織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)深度和直徑與激光掃描速度成反比，與激光功率成正比。其原因在于掃描速度升高，則激光作用在試樣表面的時(shí)間縮短，材料去除率降低；激光功率增大，則激光能量密度增加，材料去除能力增加。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，織構(gòu)內(nèi)部的球狀熔融物堆積隨激光功率的增加逐漸增多，但隨掃描速度的增加逐漸減少。當(dāng)激光功率為20 W、掃描速度為300 mm/s時(shí)，織構(gòu)底部的熔融物較少，織構(gòu)成型質(zhì)量較好。王斌等[17]采用光纖激光技術(shù)在Invar 36 合金塊上制備凹槽微織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)凹槽微織構(gòu)寬度與激光掃描次數(shù)成反比，而微織構(gòu)深度與激光功率和掃描次數(shù)均成正比，微織構(gòu)邊緣凸起高度與激光掃描速度成反比。劉奇等[18]采用激光打標(biāo)機(jī)在CoCrMo 合金塊表面制備了織構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)激光路徑為單側(cè)推進(jìn)時(shí)制備的織構(gòu)質(zhì)量較差，織構(gòu)邊緣毛刺高度差異較大且分布不均勻，而圓形走線方式則較為理想。激光路徑為水平和垂直相互疊加時(shí)，金屬熔融物堆積增多，導(dǎo)致織構(gòu)邊緣毛刺較高。然而，以上研究中并沒有對(duì)試樣表面織構(gòu)的理論尺寸和實(shí)際成型尺寸之間的差異進(jìn)行比較研究，而這對(duì)表面織構(gòu)化處理本身來說非常重要，也會(huì)對(duì)機(jī)械部件的表面性能產(chǎn)生直接影響。

綜上所述，現(xiàn)有研究中對(duì)鈦合金表面織構(gòu)的制備都是采用激光織構(gòu)后處理的“兩步法”，對(duì)于3D 打印鈦合金部件，如果能夠?qū)⒈砻婵棙?gòu)制備和部件成型同步完成，將具有很好的理論和實(shí)際價(jià)值，但目前將零部件3D 打印和表面織構(gòu)制備同步完成的“一步法”研究的報(bào)道較少。Kovac? H 等[19]利用選擇性激光熔覆（SLM）工藝在316L 不銹鋼表面進(jìn)行了一步法制備微織構(gòu)研究，重點(diǎn)探討了不同織構(gòu)形狀和密度對(duì)316L 不銹鋼表面摩擦性能的影響，結(jié)果表明3D 打印一體成型的表面織構(gòu)可以改善316L 不銹鋼表面摩擦學(xué)性能，且與面密度6.6%相比，面密度26%、直徑418 μm 的圓形織構(gòu)試樣的改性效果更好。然而，合金材料成分的不同會(huì)對(duì)其表面織構(gòu)成型情況產(chǎn)生顯著影響，目前對(duì)于鈦合金3D 打印一體成型制備表面織構(gòu)的一步法研究還未見報(bào)道，更沒有對(duì)鈦合金一體成型后不同織構(gòu)理論直徑和深度對(duì)其實(shí)際成型質(zhì)量影響的研究。因此，本文將以TC4 鈦合金為研究對(duì)象，基于“一步法”思路，在選擇性激光熔覆（SLM）工藝下制備表面具有凹坑織構(gòu)的TC4 鈦合金試樣，探究其成型可行性及不同尺寸參數(shù)對(duì)織構(gòu)成型質(zhì)量的影響，為3D 打印鈦合金零部件表面織構(gòu)化處理提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文中3D 打印所采用的TC4 鈦合金粉末，由飛而康快速制造科技有限責(zé)任公司提供（生產(chǎn)批號(hào)：NBBKY-2020-044），粒徑分布為D10=19.46 μm、D50=38.95 μm、D90=61.52 μm，振實(shí)密度為2.77 g/cm3，松裝密度為2.34 g/cm3，流動(dòng)性為 39.74 s/50 g，化學(xué)成分見表1。

表1 Ti-6Al-4V 粉末的化學(xué)成分（%）

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

采用雷尼紹公司生產(chǎn)的3D 打印設(shè)備Renishaw AM 400，在選擇性激光熔覆（SLM）工藝下制備Ti-6Al-4V 鈦合金塊狀試樣。試樣尺寸為20 mm×10 mm×2 mm。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)：激光掃描功率為200 W、曝光時(shí)間為80 μs、點(diǎn)距為50 μm、線距為75 μm、層厚為50 μm。為了比較凹坑織構(gòu)參數(shù)對(duì)其成型的影響，試樣表面的凹坑織構(gòu)采用不同的理論直徑和深度，理論織構(gòu)直徑包括50 μm、100 μm、200 μm、400 μm 和800 μm；理論織構(gòu)深度包括50 μm、100 μm、150 μm、200 μm 和300 μm。為了便于標(biāo)示試樣，文中將直徑和深度參數(shù)用于試樣區(qū)分，其中，D400H100 代表試樣的織構(gòu)直徑為400 μm、深度為100 μm。

采用光學(xué)相機(jī)對(duì)鈦合金試樣的整體形貌進(jìn)行觀察；采用Phenom 掃描電鏡（SEM）對(duì)鈦合金試樣表面織構(gòu)的微觀形貌進(jìn)行觀察；采用位移精度0.005 mm 的VHX-600E 三維超景深顯微鏡對(duì)鈦合金試樣表面織構(gòu)的形貌進(jìn)行觀察，并對(duì)其成型的實(shí)際直徑和深度進(jìn)行測(cè)試分析，以同一參數(shù)下試樣的平均直徑和平均深度作為其實(shí)際直徑和實(shí)際深度數(shù)值進(jìn)行比較。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 TC4 鈦合金織構(gòu)試樣的設(shè)計(jì)與制備

圖1 所示為一步法制備獲得的試樣實(shí)物的光學(xué)形貌，可以發(fā)現(xiàn)試樣表面理論織構(gòu)直徑為800 μm和400 μm 的區(qū)域存在明顯圓形凹坑織構(gòu)，織構(gòu)邊緣清晰，成型完整；而試樣表面理論織構(gòu)直徑為200 μm、100 μm、50 μm 的區(qū)域則明顯不能觀察到清晰完整的凹坑織構(gòu)，因此由光學(xué)相機(jī)獲得的形貌結(jié)果可知，利用一步法在3D 打印鈦合金試樣表面制備凹坑織構(gòu)會(huì)受到理論尺寸的顯著影響。

圖1 試樣實(shí)物圖

2.2 不同織構(gòu)直徑TC4 鈦合金試樣的SEM 形貌

圖2 所示為理論織構(gòu)深度為50 μm 的不同理論織構(gòu)直徑的3D 打印TC4 鈦合金試樣的表面SEM 形貌。

圖2 不同理論織構(gòu)直徑TC4 鈦合金試樣的表面SEM 形貌

由圖2 可見，在50 μm 的單層鋪粉厚度條件下，試樣表面D100H50 和D200H50 織構(gòu)區(qū)域無明顯的凹坑織構(gòu)形成，只留下了激光熔覆處理的圓形邊緣印跡；而在試樣表面D400H50、D800H50 區(qū)域則存在完整的凹坑織構(gòu)。由于鈦合金粉末顆粒大小、激光直徑、激光熱影響區(qū)域等因素在3D 打印一體成型過程中對(duì)基體表面存在影響，結(jié)合圖1 和圖2 的結(jié)果可以確認(rèn)，在本文的實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下，可以采用一步法在TC4 鈦合金表面制備直徑400 μm 以上的凹坑織構(gòu)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)凹坑深度一定時(shí)，隨著織構(gòu)直徑的增加，織構(gòu)凹坑內(nèi)未熔化的鈦合金粉末增多，凹坑內(nèi)壁和底部附著的粉末和瘤狀物也增多。D800 試樣織構(gòu)內(nèi)部顆粒狀粉末明顯多于D400 試樣，主要是凹坑織構(gòu)直徑較大時(shí)，凹坑織構(gòu)邊緣的熱影響不均勻以及激光熔覆時(shí)凹坑周圍粉末顆粒飛濺掉入所致。

2.3 不同織構(gòu)深度TC4 鈦合金試樣的SEM 形貌

為了研究織構(gòu)深度對(duì)織構(gòu)成型的影響，分別選取成型效果較好的400 μm 和800 μm 作為理論織構(gòu)直徑，對(duì)具有不同理論深度的織構(gòu)試樣形貌進(jìn)行分析。圖3 所示為D400 和D800 區(qū)域不同理論深度凹坑織構(gòu)的SEM 圖。

由圖3 可見，不同深度的D400 和D800 試樣表面凹坑織構(gòu)中部都呈現(xiàn)明顯的圓形凹陷，且隨著深度的增加，凹坑形貌更為明顯。凹坑邊緣存在較寬的一圈凸起，這是3D 打印一體成型過程中激光對(duì)輪廓進(jìn)行掃描熔覆時(shí)留下的，凸起表面均存在搭接痕跡。

進(jìn)一步對(duì)比凹坑織構(gòu)的內(nèi)部形貌可以發(fā)現(xiàn)，凹坑織構(gòu)內(nèi)部的邊緣和底部均存在顆粒狀粉末和瘤狀物黏結(jié)，這些顆粒狀粉末大小不一，尺寸從數(shù)微米到一百微米不等，且這些粉末顆粒之間存在不同程度的連接。比較D400 和D800 試樣的形貌可見，顆粒狀粉末和瘤狀物隨著理論織構(gòu)直徑的增大而增多，隨著理論織構(gòu)深度的增大而增多。結(jié)合3D 打印一體成型的工序與粉末在凹坑內(nèi)呈逐層分布的特點(diǎn)，可知這是由于激光掃描熔覆過程中TC4 鈦合金熔化不完全以及多次熔覆過程中凹坑周圍粉末顆粒飛濺所致，凹坑織構(gòu)深度越深則掃描次數(shù)越多，相應(yīng)形成的未熔粉末越多，飛濺現(xiàn)象越明顯，經(jīng)過逐次累積，最終形成較多較大的“瘤狀物”，加工過程中液態(tài)金屬飛濺到凹坑底部未熔化金屬粉末上也會(huì)形成更多更大的“球化”顆粒。

2.4 TC4 鈦合金織構(gòu)試樣的成型尺寸

為進(jìn)一步觀察不同理論織構(gòu)直徑在不同理論織構(gòu)深度下的實(shí)際成型尺寸情況，采用立體成型效果更好的VHX-600E 超景深顯微鏡以D400 和D800 織構(gòu)試樣為例進(jìn)行對(duì)比分析。圖4 所示為超景深顯微鏡觀察的D400 和D800 凹坑織構(gòu)的表面形貌。可以觀察到D400 和D800 凹坑織構(gòu)整體接近圓形，個(gè)別凹坑呈橢圓形，且D800 凹坑織構(gòu)形貌更規(guī)則；凹坑邊緣輪廓具有一定寬度，凹坑邊緣表面有明顯的激光掃描線條狀形貌。凹坑織構(gòu)的邊緣清晰，有助于其織構(gòu)直徑進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

圖4 超景深顯微鏡觀察的D400 和D800 凹坑織構(gòu)的表面形貌

下文中的凹坑織構(gòu)的實(shí)際直徑和實(shí)際深度，均為測(cè)量得到的凹坑織構(gòu)的平均直徑和平均深度，為了獲得更好的代表性，針對(duì)同等條件下的3 個(gè)凹坑織構(gòu)進(jìn)行尺寸測(cè)試。由于不同理論深度下凹坑織構(gòu)的實(shí)際成型質(zhì)量不同，為了更好地反映同一條件下不同凹坑試樣成型后實(shí)際尺寸相對(duì)其平均尺寸的離散程度，通過誤差棒的方式來反映其標(biāo)準(zhǔn)差，如圖5 所示；進(jìn)一步地，實(shí)際測(cè)試得到的平均直徑和平均深度與理論尺寸之間存在差異，以不同理論深度下獲得的凹坑織構(gòu)的平均直徑和平均深度為對(duì)象，將其與理論直徑和理論深度對(duì)比，得到平均直徑誤差和平均深度誤差，反映實(shí)際成型凹坑尺寸平均值與理論尺寸之間的接近程度，見表2。

圖5 不同理論深度下D400 和D800 區(qū)域織構(gòu)的實(shí)際直徑和深度

表2 D400 和D800 區(qū)域織構(gòu)的理論尺寸和實(shí)際尺寸對(duì)比

圖5 a 所示為不同理論深度下D400 凹坑織構(gòu)的實(shí)際直徑和實(shí)際深度，隨著理論織構(gòu)深度的增加，成型凹坑織構(gòu)的實(shí)際直徑圍繞400 μm 上下浮動(dòng)，且先增加后減小，實(shí)際直徑最小為392 μm，最大為433 μm。每個(gè)參數(shù)條件下凹坑織構(gòu)的實(shí)際直徑和實(shí)際深度數(shù)據(jù)的離散性相對(duì)較好，誤差棒的高度變化都不大。結(jié)合表2 的理論尺寸和實(shí)際尺寸的對(duì)比分析可見，隨著理論織構(gòu)深度的增加，D400 凹坑織構(gòu)的平均直徑誤差同樣呈先增加后減小的趨勢(shì)。理論織構(gòu)深度為50 μm 時(shí)，其平均直徑誤差最小為2.08%，實(shí)際直徑與理論直徑最相近，織構(gòu)在直徑方向成型質(zhì)量最好；理論織構(gòu)深度為150 μm 時(shí)，其平均直徑誤差最大為8.37%。D400 凹坑織構(gòu)的平均深度誤差隨理論織構(gòu)深度的增加逐漸減小。理論織構(gòu)深度為50 μm 時(shí)，D400 凹坑織構(gòu)的實(shí)際深度與理論深度相差較多，平均深度誤差最大，達(dá)到27%，此時(shí)織構(gòu)的實(shí)際深度為64 μm，織構(gòu)在深度方向成型質(zhì)量較差。深度從150 μm 開始，D400 凹坑織構(gòu)的平均深度誤差明顯降低，織構(gòu)理論深度為300 μm 時(shí)，平均深度誤差最小為2.23%，實(shí)際深度為307 μm，實(shí)際深度與理論深度最相近，織構(gòu)在深度方向成型質(zhì)量最好。綜合來看，在較小的織構(gòu)直徑下，理論織構(gòu)深度的增加更有利于實(shí)際深度尺寸的成型。

圖5 b 所示為不同理論深度下D800 凹坑織構(gòu)的實(shí)際直徑和實(shí)際深度，隨著理論織構(gòu)深度的增加，成型凹坑織構(gòu)的實(shí)際直徑圍繞800 μm 上下浮動(dòng)，實(shí)際直徑最小為773 μm，最大為834 μm。不同理論織構(gòu)深度下，D800 試樣的實(shí)際直徑離散性變化不大，但實(shí)際深度數(shù)據(jù)離散性方面相比D400 試樣有所加大，體現(xiàn)在誤差棒高度明顯增加。結(jié)合表2分析，D800 凹坑織構(gòu)的平均直徑誤差呈現(xiàn)整體下降趨勢(shì)，但變化程度不顯著，表明凹坑織構(gòu)在較大理論直徑條件下，增加理論織構(gòu)深度對(duì)凹坑織構(gòu)的成型實(shí)際直徑的影響不再顯著。理論織構(gòu)深度為300 μm 時(shí)，實(shí)際直徑為777 μm，此時(shí)平均直徑誤差最小為2.84%，實(shí)際直徑與理論直徑最相近，織構(gòu)在直徑方向成型質(zhì)量最好。理論織構(gòu)深度為100 μm時(shí)，平均直徑誤差最大為4.25%。理論織構(gòu)深度為150 μm 時(shí)，織構(gòu)實(shí)際成型直徑顯著降低。由圖5b的實(shí)際深度和表2 分析可見，D800 試樣隨凹坑織構(gòu)理論深度的增加，其平均深度誤差無明顯變化規(guī)律。理論織構(gòu)深度為150 μm 時(shí)，平均深度誤差最小，僅為3.47%，其實(shí)際深度為145 μm，實(shí)際深度與理論深度最相近，織構(gòu)在深度方向成型質(zhì)量最好；理論織構(gòu)深度為200 μm 時(shí)，平均深度誤差達(dá)到最大，為25.87%，其實(shí)際深度為252 μm，織構(gòu)在深度方向成型質(zhì)量較差。總體來看，D800 凹坑織構(gòu)的平均深度誤差值均較高，與D400 試樣相比，其平均深度誤差呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，表明3D 打印一步法制備大直徑織構(gòu)時(shí)其深度方向受到激光熔覆熱影響和未熔粉末飛濺影響更顯著，導(dǎo)致其成型質(zhì)量可控性較差。綜合比較，D800H150 試樣的平均直徑誤差和平均深度誤差均較小，成型質(zhì)量最好。

綜上所述，以不超過10%的誤差作為較好成型質(zhì)量的判定，可以得到以下優(yōu)化結(jié)果：D400H300試樣和D800H150 試樣的平均直徑誤差和平均深度誤差均較小，織構(gòu)成型質(zhì)量相對(duì)較好。

3 結(jié)語

（1）采用金屬3D 打印機(jī)在SLM 工藝下，利用一步法成功制備表面具有直徑400 μm 以上凹坑織構(gòu)的TC4 鈦合金試樣。

（2）TC4 鈦合金試樣的凹坑織構(gòu)整體接近圓形，凹坑內(nèi)部存在未熔粉末和“瘤狀物”團(tuán)聚，且隨織構(gòu)直徑和深度的增大而增多。

（3）對(duì)于一步法獲得的3D 打印TC4 鈦合金表面凹坑織構(gòu)，理論織構(gòu)直徑和理論織構(gòu)深度對(duì)其實(shí)際成型尺寸有著明顯影響。對(duì)于D400 凹坑織構(gòu)，隨理論織構(gòu)深度的增加，其實(shí)際直徑和平均直徑誤差均呈先增加后減小的趨勢(shì)，平均深度誤差則逐漸減小。理論織構(gòu)深度為50 μm 時(shí)，平均直徑誤差最小為2.08%；理論織構(gòu)深度為300 μm 時(shí)，平均深度誤差最小為2.23%。對(duì)于D800 凹坑織構(gòu)，隨理論織構(gòu)深度增加，其平均直徑誤差呈下降趨勢(shì)，其平均深度誤差無明顯變化規(guī)律。理論織構(gòu)深度為300 μm時(shí)，平均直徑誤差最小為2.84%；理論織構(gòu)深度為150 μm 時(shí)，平均深度誤差最小，僅為3.47%。

（4）比較來看，對(duì)于一步法獲得的3D 打印TC4 鈦合金，表面凹坑織構(gòu)的實(shí)際成型上，直徑方向的成型質(zhì)量?jī)?yōu)于深度方向。以不超過10% 的誤差作為較好成型質(zhì)量的判定，可以得到以下優(yōu)化結(jié)果：D400H300 試樣和D800H150 試樣的平均直徑誤差和平均深度誤差均較小，成型質(zhì)量相對(duì)較好。