送絲方式加層制造塊狀Ti-6Al-4V合金

以逐層疊加的方式制造零件的方法稱之為快速制造、直接制造或加層制造。與傳統(tǒng)方法相比，通過這種方法制備近凈成形構(gòu)件為節(jié)省加工時間和降低成本提供了可能，尤其適用于制造原料較昂貴的航空構(gòu)件。加層制造技術(shù)是將一個三維CAD模型切分成很多的薄層，然后逐層制備并疊加構(gòu)成物理原件。

一般來說，金屬的加層制造包括鋪粉、送粉、送絲以及其他過程等四種加工路線。在過去幾十年里，對送絲方式的關(guān)注相對較少，但隨著市場對鈦合金系列產(chǎn)品需求的不斷增加，制備的可重復(fù)性、材料的性能和用法、部件尺寸以及制造速度都成為需要考慮的問題，這相應(yīng)地提升了送絲方式的地位。相關(guān)研究表明，通過送絲方式制備的Ti-6Al-4V合金具有更好的質(zhì)量，尤其是在提高密度和減少污染物方面。

實驗所用加層制造設(shè)備包括最大功率為3.5 kW的Trumpf HLD 3504 Nd:YAG激光棒、型號為Weldaix的送絲機以及型號為Kuka KR 100 HA的高精度六軸機器人。將超低間隙型Ti-6Al-4V合金焊絲在氬氣氛圍中逐層沉積到Ti-6Al-4V合金基體板上，共沉積7層高7滴寬。通過選用不同的沉積參數(shù)P38(激光功率3.5 kW，沉積速率10 mm/s，送絲速率40 mm/s)和P58(激光功率2.625 kW，沉積速率7.5 mm/s，送絲速率30 mm/s)以及不同的熱處理工藝(600℃ ×4 h/FC和1200℃ ×2 h/FC)，從而研究加工參數(shù)和熱處理工藝對加層制造得到的Ti-6Al-4V合金主要性能的影響。

研究表明，以送絲方式加層制造的Ti-6Al-4V合金組織為粗大的初始β晶粒，這些β晶粒向外延生并穿過焊層，生長方向與熱量傳導(dǎo)方向相反。同時，初始β晶粒內(nèi)的微觀組織不盡相同，對于經(jīng)不同沉積參數(shù)得到的合金，其未經(jīng)熱處理以及經(jīng)600℃×4 h/FC處理后的組織中，均存在α'馬氏體以及網(wǎng)籃狀α相，且初始β晶界上有部分次生α相析出。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，熱處理工藝對Ti-6Al-4V合金硬度的影響要大于沉積參數(shù)對其的影響。經(jīng)600℃ ×4 h/FC熱處理后，微觀組織和形態(tài)沒有發(fā)生明顯改變，但是平均硬度值從3204 MPa顯著提升到3352/3361 MPa(P38/P58)，這是由于存在固溶強化或者α2相的析出。經(jīng)1200℃ ×2 h/FC熱處理后，Ti-6Al-4V合金原始組織形態(tài)發(fā)生徹底改變，同時平均硬度值從3204 MPa降低到3018/3048 MPa(P38/P58)。其內(nèi)柱狀β晶粒和層帶結(jié)構(gòu)消失，取而代之的是等軸狀的初始β晶粒，并伴有晶界α以及粗大的α叢簇。柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變可以歸納為再結(jié)晶的過程，但是這還有待于進(jìn)一步的實驗加以證實。