激光選區熔化TA15材料缺陷分布研究

顧曉春，程爽爽，宋國華，2，王帥，李婷

1.北京星航機電裝備有限公司 北京 100074 2.航天增材科技（北京）有限公司 北京 100074

1 序言

增材制造技術相對于傳統制造技術，具有材料利用率高、制造周期短、易成形復雜結構等優勢，尤其適合于航空航天復雜金屬構件的快速制造[1-3]。激光選區熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術是目前在航空航天領域廣泛應用的一種增材制造技術，歐洲空客公司和北京衛星制造廠等已在其相關產品上應用了采用SLM技術成形的構件[4，5]。

由于SLM成形過程涉及復雜的物理化學過程，成形件內部難以避免地會存在缺陷，如裂紋、氣孔、未熔合等。國內研究人員對SLM成形件的缺陷成因、影響因素及如何避免缺陷開展了大量研究[6-11]，有力地推動了SLM技術的成熟和廣泛應用。對于SLM成形件的缺陷情況，已有涉及TA15材料的研究較少，且主要集中在缺陷類型及成因分析上，對于缺陷分布的研究較少。

本文基于實際SLM成形TA15構件的質量控制與改進需求，開展了激光選區熔化成形TA15材料缺陷分布研究，為SLM成形工藝的改進和產品質量驗收條件的確定提供了支撐。

2 試樣制備與分析方法

2.1 試樣設計與制備

基于實際產品的幾何尺寸，同時考慮實際產品主要為薄壁構件，以及SLM工藝已較為成熟，存在的缺陷主要是微小缺陷，因此需要采用金相顯微鏡對缺陷進行分析。本文設計了0.6mm、1.0mm和1.5mm3種厚度，尺寸均為15mm×15mm的試樣，每種規格的試樣制備5件。

采用的TA15粉末粒度為15～53mm，粉末為球形粉末，球形度93%，粉末化學成分見表1。采用實際產品的工藝參數進行SLM成形，具體見表2。為盡可能保證分析試樣與實際產品的一致性，分析試樣與實際產品一同隨爐制備。

表1 TA15粉末化學成分（質量分數） （%）

表2 SLM成形工藝參數

2.2 分析方法

基于實際產品的情況，本文重點關注缺陷在增長方向和厚度上的分布情況，為此選取了3個具有代表性的截面進行缺陷分布分析，如圖1所示。3個截面分別標記為截面A（試樣表層，距表面0.2～0.3mm）、截面B（距表面約Y向尺寸的1/4處）、截面C（距表面約Y向尺寸的1/2處）。

圖1 缺陷分析截面示意

采用掃描電鏡進行缺陷分析，相比光學顯微鏡，掃描電鏡具有以下優勢。

1）掃描電鏡景深長，放大倍數更高且調節方便，載物臺可以旋轉及傾斜，能夠更好地對缺陷清晰成像，從而便于全面、準確地觀察和判斷缺陷的情況，特別是對于本研究所用試樣而言，缺陷尺度為幾微米到幾十微米量級，對缺陷清晰成像的要求很高，圖2和圖3分別為同一個缺陷的掃描電鏡和光學顯微鏡照片，可見掃描電鏡的成像效果遠好于光學顯微鏡，掃描電鏡可以對缺陷表面和內部同時清晰成像，而金相顯微鏡則只能對缺陷表面（見圖3a）和內部（見圖3b）分別成像，且對于缺陷內部的成像效果較差。

圖2 某缺陷的掃描電鏡照片

圖3 某缺陷的光學顯微鏡照片

2）對于缺陷的分布研究而言，缺陷位置信息非常重要，掃描電鏡在觀察缺陷的同時可以方便地對其位置參數進行測量，而光學顯微鏡在這方面遠不及掃描電鏡方便。

3 試樣缺陷類型

為明確不同類型缺陷的分布情況，先對缺陷的類型進行了分析，發現試樣內部主要存在氣孔和未熔合兩種缺陷，未發現裂紋、夾雜等其他缺陷。

根據氣孔缺陷的形成原理[7，8]，因其體積為球形或類球形，故其在金相照片上主要表現為圓形（見圖4a）或橢圓形（見圖4b）。

圖4 氣孔缺陷

觀察到的未熔合缺陷可以分為兩種：一種是未熔合孔洞，如圖5所示，可以看到缺陷內部表面光滑，表面呈現典型的金屬流動形態；另一種是層間未熔合，其是相鄰掃描線間的熔池未能有效搭接而形成的較大連續缺陷，典型的層間未熔合缺陷在二維尺度上一般具有較大的長寬比，如圖6所示。

圖5 未熔合孔洞

圖6 層間未熔合

4 激光選區熔化成形TA15材料缺陷分布

采用掃描電鏡對試樣3個不同截面上的缺陷進行了觀察。記錄缺陷的類型和位置數據，由此繪制了缺陷的分布圖。

4.1 0.6mm厚試樣缺陷分布

5件0.6mm厚試樣在3個截面上的缺陷分布情況分別如圖7～圖9所示，分析表明，其缺陷分布表現出以下規律。

圖7 0.6mm厚試樣在截面A上的缺陷分布

圖8 0.6mm厚試樣在截面B上的缺陷分布

圖9 0.6mm厚試樣在截面C上的缺陷分布

1）試樣表面區域的缺陷數量明顯多于試樣內部的缺陷數量。

2）未熔合缺陷主要分布于試樣表面區域，試樣內部少有未熔合缺陷，即靠近表面區域的未熔合缺陷數量明顯多于試樣內部的未熔合缺陷數量。

3）氣孔缺陷主要呈無規則的彌散分布，雖然未表現出明顯的規律性，但分布于試樣表面區域的氣孔缺陷的數量略微占優。

4）缺陷的分布呈現一定的聚集性趨勢，即缺陷的分布相對較為集中，大部分缺陷較為密集地分布于某些區域。

4.2 1.0mm厚試樣缺陷分布

5件1.0mm厚試樣在3個截面上的缺陷分布情況分別如圖10～圖12所示，分析表明，其缺陷分布規律與0.6mm厚試樣的缺陷分布規律相同。

圖10 1.0mm厚試樣在截面A上的缺陷分布

圖11 1.0mm厚試樣在截面B上的缺陷分布

圖12 1.0mm厚試樣在截面C上的缺陷分布

4.3 1.5mm厚試樣缺陷分布

5件1.5mm厚試樣在3個截面上的缺陷分布情況分別如圖13～圖15所示。分析表明，其缺陷分布規律與0.6mm厚試樣的缺陷分布規律相同。

圖13 1.5mm厚試樣在截面A上的缺陷分布

圖14 1.5mm厚試樣在截面B上的缺陷分布

圖15 1.5mm厚試樣在截面C上的缺陷分布

5 結束語

0.6mm、1.0mm、1.5mm共3種厚度的激光選區熔化成形TA15材料試樣內部主要存在氣孔和未熔合缺陷，不同厚度試樣的缺陷均呈現相同的分布規律。

1）試樣表面區域的缺陷數量明顯多于試樣內部的缺陷數量。

2）未熔合缺陷主要分布于試樣表面區域，試樣內部少有未熔合缺陷。

3）氣孔缺陷主要呈無規則的彌散分布，但分布于試樣表面區域的氣孔缺陷數量略微占優。

4）缺陷的分布呈現一定的聚集性趨勢。