傾斜角度對激光選區(qū)熔化成形Ti6Al4V合金的影響

王小龍，肖志瑜，張國慶，關航健，楊永強

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傾斜角度對激光選區(qū)熔化成形Ti6Al4V合金的影響

王小龍1，肖志瑜1，張國慶2，關航健1，楊永強2

(1. 華南理工大學國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心，廣州 510640；2. 華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510640)

利用自主研發(fā)的DiMetal-100型激光選區(qū)熔化設備制備與基板平面成不同傾斜角的Ti6Al4V非標準拉伸試樣，研究熔化成形后合金的顯微組織、物理和力學性能。結果表明，Ti6Al4V合金粉末熔化成形后的組織為針狀α′馬氏體和(α+β)相，隨傾斜角度變化，試樣中α/α′相與β相的相對含量也發(fā)生變化，傾斜角為45°試樣中β相含量最高；α′馬氏體呈柱狀分布于(α+β)相中，并且方向始終平行于成形方向(軸方向)。隨SLM成形試樣的傾斜角從0°增加到90°，其相對密度先減小后增大，并在90°時達到最大值96.1%；試樣的硬度和抗拉強度均先升高后降低，在45°時達到最大值，硬度為393 HV，抗拉強度為1288 MPa；試樣表面粗糙度a也呈先增大后減小的趨勢，在0°時達到最小值8.77 μm，在30°時達到最大值19.55 μm。

Ti6Al4V；激光選區(qū)熔化；傾斜角；性能

Ti6Al4V合金是(α+β)鈦合金中最常見的一種，具有密度低、比強度高、耐熱及耐腐蝕性好、生物相容性優(yōu)異等優(yōu)點，在航空、化工、兵器、核工業(yè)、運動器材及醫(yī)療等領域得到了廣泛的應用[1?2]。20世紀90年代發(fā)展起來的激光選區(qū)熔化技術(SLM)[3]為成形復雜形狀的Ti6-Al4V零件開辟了新天地。它是將三維STL文件切片和規(guī)劃路徑后導入SLM設備，并在高能激光束的作用下逐層熔化球形金屬粉末，最終堆積成所設計的實體零件。相比傳統(tǒng)的鑄造、粉末冶金工藝，它不僅可以幾乎零浪費材料，縮短制造周期，減少工藝步驟積累而產生的誤差，而且可以生產出無需后續(xù)加工的高精度、高性能零件[4]。影響SLM成形質量的因素超過130個，主要可分為6大類，包括掃描因素(掃描速度、掃描間距、掃描策略和加工層厚)、材料(粉末成分、松裝密度、形狀、粒度)、激光與光路系統(tǒng)(激光模式、功率、波長、光斑直徑和光路穩(wěn)定性)、機械特性(鋪粉層厚及平整性、鋪粉裝置的穩(wěn)定性和成形缸運動精度)、幾何數據處理(空間擺放、支撐添加方式和零件幾何特征)、外界環(huán)境(含氧量、預熱溫度和濕度)[5]。現在的研究主要集中在掃描因素與激光等工藝參數與組織性能的關系方面，在國外，墨爾本皇家理工大學的XU等[6]研究了SLM成形過程中工藝參數(鋪粉層厚、激光功率、掃描速度)對Ti6Al4V鈦合金性能的影響，結果表明激光功率為375 W以及鋪粉層厚為60 μm(粉末直徑為25~45mm)時，成形性能最好，伸長率為11.4%，屈服強度為1100 MPa，組織主要為馬氏體[6]；在國內，華南理工大學研究了SLM成形過程中掃描間距、掃描速度對成形零件性能的影響，總結了致密度、表面粗糙度、顯微硬度、拉伸性能等隨工藝參數的變化規(guī)律[5]。目前，國內外對SLM成形Ti6Al4V合金過程中，空間擺放與零件組織和性能的關系鮮有研究。因此，揭示SLM成形Ti6Al4V合金的晶體生長情況，及不同傾斜角零件物理力學性能的差異，為成形承受各向異性應力及具有不同表面性能要求的零件提供理論及實踐意義，并對該項技術的工程化應用具有非常重要的指導意義。本文作者采用華南理工大學自主研發(fā)的DiMetal-100型激光選區(qū)熔化設備著重研究不同傾斜角對零件組織與性能的影響。在激光功率=150 W，掃描速度=400 mm/s，掃描間距=0.08 mm，加工層厚=0.035 mm的工藝條件下加工0°，30°，45°，60°，75°和90°的6組不同傾斜角的Ti6Al4V矩形拉伸試樣。通過分析比較6組試樣的物理力學性能及微觀結構，探討不同傾斜角的激光熔化試樣在組織和性能方面的變化規(guī)律及其成因，以期對SLM制備鈦合金的推廣應用提供技術依據。

1 實驗

1.1 實驗材料

本研究采用的Ti6Al4V鈦合金粉末的化學組分如表1所列，粉末形貌及其粒度分布如圖1所示。

1.2 試樣的制備

實驗所用的Dimetal-100型SLM設備是由華南理工大學自主研發(fā)的設備，其主要參數如表2所列[7]。

優(yōu)化后的成形工藝參數為：激光功率(150 W)、掃描速度(400 mm/s)、掃描間距(0.08 mm)、鋪粉層厚(0.035 mm)，掃描策略為正交層錯掃描方式[8]。

表1 Ti6Al4V鈦合金的化學成分

圖1 Ti6Al4V粉末特性

表2 Dimetal-100激光選區(qū)熔化設備主要參數

在三維建模軟件UG中繪制出拉伸試樣的三維模型，將導出的STL三角形網格文件在Magics13.0中進行空間排布及切片處理，然后在自主編譯的軟件中進行掃描路徑規(guī)劃，最后導入設備中進行加工成形[9]。在Magics13.0中擺放時，6組試樣的拉伸方向與-平面的角度分別為0°，30°，45°，60°，75°，90°，每組包含3個試樣，如圖2所示。為了保證熔融的Ti6Al4V金屬液與基板之間良好的潤濕性，基板也采用Ti6Al4V鈦合金，并在實驗前用砂紙打磨后用無水乙醇清洗，以保證基板表面干凈平整[10]。為了保證粉末不發(fā)生氧化，成形過程中要不斷通入高純氬氣(99.999%)形成保護氣。

圖2 試樣擺放示意圖

1.3 測試與分析

用阿基米德排水法，借助賽多利斯BS2245型電子天平測定試樣的密度；采用DHV-1000Z型顯微維氏硬度計測試試樣的硬度；在CMT5105型100 kN萬能試驗機上對試樣進行抗拉強度的測試；通過掃描電子顯微鏡(NOVA NANOSEM 430)觀察試樣拉伸斷口微觀形貌；用TALYSURF CLI1000型表面輪廓儀測試試樣的表面粗糙度；用DML5000型倒置金相顯微鏡分析微觀組織結構。金相試樣的腐蝕劑選用含有5 mL HF+25 mL HNO3+50 mL H2O 的溶液[11]。

2 結果與討論

2.1 Ti6Al4V粉末熔化成形后的顯微組織

試樣的XRD分析如圖3所示。圖4所示為不同傾斜角試樣-面的顯微組織。由圖3、圖4分析可得，6組試樣的顯微組織均由針狀α′馬氏體與(α+β)相組成，隨傾斜角度變化，試樣中α/α′相與β相的相對含量也變化，45°試樣中β含量高于其它試樣。α′馬氏體呈柱狀分布于(α+β)相中，并且其的方向始終平行于成形方向(Z軸方向)，這是由于激光束照射在粉末上形成熔池，激光束移開后，熔池內金屬液冷卻速率非?？?，無法瞬間形成臨界尺寸的晶胚進行均勻形核長大，只能在已凝固的晶粒上長大，并在熔池底部和表面間的溫度梯度作用下形成柱狀晶。

圖3 試樣的XRD圖譜

圖4 不同傾斜角試樣的顯微組織

2.2 Ti6Al4V合金的物理及力學性能

2.2.1 成形傾斜角對試樣相對密度的影響

激光成形過程中傾斜角對試樣相對密度的影響如圖5所示。從圖中可以看出，傾斜角從0°增加到30°，試樣的相對密度呈下降趨勢，從30°遞增到90°的過程反而呈逐步上升趨勢，在0°和90°時相對密度達到峰值，但在90°時稍高一點，為96.1%，這主要受成形過程中相鄰兩層間的懸垂長度的影響，如圖6所示。

激光熔化成形過程中，與-平面成30°，45°，60°和75°的試樣存在懸垂結構，在已成形的部分上進行鋪粉時，該層粉末都會存在一部分落在熔合區(qū)域，另一部分落在下方粉床上的情況。實體的承接能力比粉體的好，故實體上部粉末熔合完全，但以粉體作為承接體的平鋪粉末在熔合過程中會由于毛細管力和重力作用往下掉落，從而造成試樣整體密度有所降低。層厚一定的情況下，傾斜角越小，懸垂長度越大，落渣越嚴重，則相對密度越低。0°和90°試樣不存在懸垂結構，懸垂長度為0，因而相對密度高；傾斜角從30°遞增到75°過程中，懸垂長度逐漸減小，因而相對密度呈上升趨勢。

2.2.2 成形傾斜角對試樣表面粗糙度的影響

成形傾斜角對試樣上表面輪廓算數平均偏差a(即表面粗糙度)的影響如表3所列。隨傾斜角增加輪廓算數平均偏差呈現先增加后減小并趨于水平的趨勢，在0°時為最小值8.77 μm，在30°時達到最大值19.55 μm。

圖5 成形傾斜角對試樣相對密度的影響

圖6 懸垂長度示意圖

表3 不同傾斜角試樣的輪廓算數平均偏差

傾斜角從30°增加到75°，試樣粗糙度先遞減后趨于恒定主要受成形過程中臺階現象的影響，其示意圖如圖7所示。由于試樣傾斜放置，相鄰成形薄層之間相對錯開一定距離致使表面出現高低不平的現象，層厚一定時，傾斜角越小臺階現象越明顯，即表面粗糙度越大。圖8所示為不同傾斜角試樣上表面的輪廓示意圖，從圖8中可以看到30°和45°試樣凹痕相對較明顯，60°和75°試樣基本無規(guī)則條狀凹痕，符合理論分析，即試樣傾斜角越小，表面粗糙度越大。相對于0°試樣，90°試樣成形時與周圍的粉末接觸，發(fā)生粘附現象，加上激光定位精度的影響，表面較0°試樣更 粗糙。

圖7 臺階現象示意圖

圖8 不同傾斜角試樣表面輪廓示意圖

2.2.3 成形傾斜角對試樣抗拉強度及顯微硬度的影響

成形傾斜角對抗拉強度及顯微硬度的影響如圖9所示。隨傾斜角增大，試樣的抗拉強度及顯微硬度大致呈先增大后減小的趨勢，并在45°時出現一個峰值，分別為了393 HV和1288 MPa抗拉強度及硬度的變化情況主要取決于試樣的組織形態(tài)及其分布。

圖9 成形傾斜角對抗拉強度及顯微維氏硬度的影響

激光成形過程中，熔化粉末的能量大部分通過下層實體傳遞到基板而散失。不同傾斜角試樣的燒結截面大小、燒結層數等因素顯然不同，必然會引起試樣內部的溫度場差異，進而導致加工完成后的顯微組織差異。鈦合金中的α′馬氏體為軟相，其強度和硬度與α相差無幾，β相經時效后為強化相[12]，對抗拉強度及硬度的提升有很大的作用，β相含量越高，抗拉強度及硬度越高。由圖4中XRD分析可知，45°試樣中β相含量相對其它試樣較高，故45°試樣的抗拉強度及顯微硬度相對其它試樣較大。

試樣的拉伸斷口形貌如圖10所示，其斷口上分布著大量微小韌窩(圖10(a))；同時也存在著局部解理面(圖10(b))。在宏觀上，6組試樣的拉伸斷口斷裂面與加載方向都成45°。由這些現象可以認定其斷裂方式為微孔聚集型剪切斷裂，同時伴隨著局部解理斷裂。

圖10 拉伸斷口微觀形貌

3 結論

1)SLM成形Ti6Al4V合金粉末后，顯微組織為針狀α′馬氏體與(α+β)相共存，隨傾斜角度變化，試樣中α/α′相與β相的相對含量也發(fā)生變化，45°試樣中β相含量最高。α′馬氏體呈柱狀分布于(α+β)相中，并且其方向始終平行于成形方向。

2) 由于懸垂結構的存在，試樣的傾斜角從30°遞增到75°，其相對密度較低，但是呈增大趨勢；0°與90°試樣不存在懸垂結構，相對密度相對較大，在90°時試樣相對密度最大，達到96.1%。

3) 試樣的抗拉強度及顯微硬度隨傾斜角的增加先增大后減小，在45°達到最大值，分別為393 HV和1288 MPa。試樣的粗糙度a隨傾斜角的增加呈現先遞增后減小并趨于恒定的趨勢，在0°時達到最小值8.77 μm，在30°時達最大值19.55 μm。

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(編輯 高海燕)

Effect of inclination angle on the selective laser melting of Ti6Al4V alloy

WANG Xiaolong1, XIAO Zhiyu1, ZHANG Guoqing2, GUAN Hangjian1, YANG Yongqiang2

(1. National Engineering Research Center of Near-net-shape Forming for Metallic Materials,South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology,Guangzhou 510640, China)

Nonstandard tensile specimens of Ti6Al4V alloy were fabricated by selective laser melting (SLM) process with different inclination angles on a self-developed DiMetal-100 machine. Microstructures, physical and mechanical properties of the samples were studied. The results indicate that microstructures of SLM samples are composed of acicular α′ martensite and (α+β), and their contents varies with different inclination angles, the maximum content of β occurs in samples with an angle of 45°. The α′ grains distribute in (α+β) phase as cylindrical shape, and the direction of columnar α′ grains is parallel to the forming direction. With increasing the inclination angle from 0° to 90°, the relative density of SLM samples decreases firstly, and then increases to the maximum value of 96.1% at 90°. On the contrary, the hardness and the ultimate tensile strength increase firstly and then decrease, and both of them reach the maximum values of 393 HV and 1288 MPa, respectively, when the inclination angle is 45°. Meanwhile, the surface roughness of the specimens also increases initially, and then decreases. A minimum roughness of 8.77 μm and a maximum roughness of 19.55 μm are obtained at 0° and 30°, respectively.

Ti6Al4V; selective laser melting; inclination angles; property

TF125.22

A

1673?0224(2016)03?376?07

廣東省重大科技專項(2014B010129003); 廣東省自然科學基金研究團隊項目(2015A030312003)；中央高?；究蒲匈Y助項目(2014ZP0011)；國家自然科學基金(51275179)

2015?08?24；

2015?11?23

肖志瑜，教授，博士。電話：13922266121；E-mail: zhyxiao@scut.edu.cn