選擇性激光快速熔化TC4合金成形工藝及性能

李學(xué)偉， 孫福久， 劉錦輝， 周長(zhǎng)海， 田 宏

(1.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

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選擇性激光快速熔化TC4合金成形工藝及性能

李學(xué)偉1， 孫福久1， 劉錦輝2， 周長(zhǎng)海1， 田 宏1

(1.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

為探討選擇性激光熔化成形工藝參數(shù)對(duì)TC4合金激光熔化成形的影響，采用自制金屬粉末成形機(jī)，在不同激光工藝參數(shù)下制樣，測(cè)量硬度與致密度，分析試樣的成形質(zhì)量，利用掃描電子顯微鏡分析組織與物相變化。結(jié)果表明：TC4合金SLM成形質(zhì)量與激光能量密度不呈線性關(guān)系；隨著激光能量的增加，成形質(zhì)量、材料顯微硬度、致密度先增加后下降；粉末經(jīng)激光熔化成形后，出現(xiàn)粗大的β相。

TC4合金； 選擇性激光熔化； 能量密度； 成形質(zhì)量

0 引 言

激光快速熔化成形技術(shù)(Selective laser melting，SLM)是一種比較新型的快速原型制造技術(shù)[1]。該技術(shù)與其他增材制造技術(shù)原理大致相同，采用數(shù)學(xué)微積分原理，層層制造，層層疊加。不同的是，SLM技術(shù)是利用高能量激光束將金屬粉末逐層熔化并成形為金屬零件[2-4]。成形金屬零件無(wú)需工裝模具與刀具,與傳統(tǒng)的金屬成形方法(高速切削、粉末壓制、鑄造、壓力加工)相比具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),主要表現(xiàn)在能夠制造出傳統(tǒng)方法難以成形的復(fù)雜形狀金屬零部件[5-7]。目前, SLM技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)、軍事裝備等領(lǐng)域關(guān)鍵零部件的制造。但由于SLM伴隨復(fù)雜的物理化學(xué)冶金等過(guò)程, 成形過(guò)程容易產(chǎn)生球化、孔隙、裂紋等缺陷[8-10]，所以研究SLM成形技術(shù)非常有必要。Ti-6Al-4V(TC4)合金因具有密度低、比強(qiáng)度高、耐熱及耐腐蝕性好、生物相容性優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，在航空、化工、兵器、核工業(yè)、運(yùn)動(dòng)器材及醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[11-13]。因此，SLM 成形技術(shù)制造TC4合金零件得到了業(yè)內(nèi)研究人員的廣泛關(guān)注，筆者主要研究SLM工藝參數(shù)對(duì)TC4合金激光熔化成形質(zhì)量的影響以及成形過(guò)程中組織結(jié)構(gòu)的變化。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

1.1 設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用哈爾濱福沃德多維智能裝備有限公司聯(lián)合自主研發(fā)型號(hào)為L(zhǎng)M120的SLM金屬粉末熔化成形機(jī)。LM120金屬粉末成形機(jī)采用IPG YLR-500連續(xù)波光纖激光器，最大功率可達(dá)到500 W，掃描速度最大可達(dá)到7 000 mm/s，光斑直徑約為70 μm，鋪粉厚度為20～100 μm，成形環(huán)境通氬氣保護(hù)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程在無(wú)氧環(huán)境下完成。

組織形貌觀察采用CamScanMX2600熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，附件配置：EDAX Genesis 2000 X射線能譜儀(EDS)。采用DX-2700B衍射儀分析物相， Cu為靶材，實(shí)驗(yàn)參數(shù)Kα1=0.154 06 nm，40 kV，40 mA。利用阿基米德原理測(cè)量試樣的致密度，采用顯微硬度計(jì)測(cè)量試樣的顯微硬度。

1.2 材料

實(shí)驗(yàn)材料采用球形TC4粉末，TC4粉末的形貌及粉末粒徑大小分布如圖1所示。TC4粉末的平均粒徑為35 μm，符合SLM成形要求。

粉末的化學(xué)成分組成如表1所示，成形前對(duì)粉末進(jìn)行真空干燥處理，去除水汽?；宀牧喜捎肨C4材料，尺寸為100 mm×100 mm。

表1 TC4粉末化學(xué)成分

a TC4粉末形貌

b 粒徑分布

Fig. 1 TC4 powder morphology and particle size distribution

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

SLM成形工藝參數(shù)直接影響成形試樣的性能，主要包括激光功率、掃描速度、掃描間距等。激光功率與掃描速度作用于粉末，可以看作能量的輸入。而能量的輸入值可以用激光能量密度來(lái)表示。

E=P/v,

式中：E——激光能量密度，J/mm；

P——激光功率，W；

v——掃描速度，mm/s。

實(shí)驗(yàn)選用激光功率固定為250 W，掃描速度分別為800、1 000、1 200、1 400、1 600 mm/s。能量密度依次為0.31、0.25、0.21、0.19和0.16 J/mm。

掃描間距過(guò)小會(huì)出現(xiàn)搭接過(guò)大，表面凹凸不平，不利于實(shí)驗(yàn)，而掃描間距過(guò)大則會(huì)出現(xiàn)未搭接或搭接過(guò)小，影響試樣性能，故選取掃描間距分別為0.05、0.07、0.09 mm，結(jié)合合適的激光能量密度進(jìn)行成面實(shí)驗(yàn)，觀察成形面形貌，選出最優(yōu)的掃描間距。

鋪粉厚度過(guò)大，激光難以完全熔化粉末，粉末存在于成形試樣中，影響試樣性能，而過(guò)小時(shí)，實(shí)驗(yàn)用時(shí)加長(zhǎng)且熔池鋪展面積小且不均勻，使成形表面產(chǎn)生空隙等缺陷。故取鋪粉層厚為 0.07 mm進(jìn)行立體成形實(shí)驗(yàn)，成形試樣尺寸為15 mm×15 mm×10 mm。

3 結(jié)果與討論

3.1 成形工藝實(shí)驗(yàn)

激光能量密度不同的工藝參數(shù)成形TC4合金,試樣的熔池寬度和成形表面質(zhì)量不同。熔池寬度對(duì)后續(xù)的工藝參數(shù)制定起著重要作用。激光掃描熔池寬度與激光能量密度之間關(guān)系，如圖2所示。

圖2 不同激光能量的掃面線寬

熔池寬度b隨著能量密度的增加而增加，當(dāng)能量密度過(guò)小時(shí)，TC4粉末不能完全熔化，會(huì)有殘余粉末存于熔池中，且金屬粉末在激光能量密度過(guò)小時(shí)流動(dòng)性變差，熔池的鋪展難以進(jìn)行，金屬液體容易球化，不利于SLM成形。圖3為不同激光能量的成形表面形貌。當(dāng)能量密度為0.16 J/mm時(shí)，可以看出有金屬球存在；能量密度為0.19 J/mm時(shí)，球化現(xiàn)象得到好轉(zhuǎn)；當(dāng)能量密度達(dá)到0.21 J/mm時(shí)，球化現(xiàn)象未出現(xiàn)。當(dāng)激光能量繼續(xù)增加至0.31 J/mm，熔池寬度隨之變大，激光掃描粉末時(shí)，激光能量過(guò)大，溫度升高，可能會(huì)出現(xiàn)熔融的小金屬液飛濺形成小的金屬球而存在熔池中，另外能量密度增加(掃描速度低)會(huì)導(dǎo)致成形效率降低?？芍芰棵芏葹?.21與0.25 J/mm時(shí)，成形效果較好。

選用能量密度為0.21 J/mm進(jìn)行成面實(shí)驗(yàn)，得到TC4成形面，如圖4所示。當(dāng)掃描間距l(xiāng)小時(shí)，搭接率大，下一道熔池對(duì)上一道熔池?zé)嵊绊懘螅鄢刂薪饘僖捍嬖跁r(shí)間變長(zhǎng)，金屬液容易成球，且伴隨著成形效率的降低，不利于SLM成形。當(dāng)掃描間距過(guò)大時(shí)，搭接率小，則表面粗糙度大，孔隙多，成形致密度低。當(dāng)掃描間距為0.07 mm時(shí)，表面平整，粗糙度低，且沒有明顯的球化現(xiàn)象出現(xiàn)，表面成形質(zhì)量最好。故后續(xù)實(shí)驗(yàn)掃描間距都采用0.07 mm。

a E=0.16 J/mm

b E=0.19 J/mm

c E=0.21 J/mm

d E=0.25 J/mm

e E=0.31 J/mm

a l=0.05 mm

b l=0.07 mm

c l=0.09 mm

Fig. 4 Shaped surface topography with different scanning distance

3.2 顯微硬度、致密度實(shí)驗(yàn)

對(duì)立體試樣進(jìn)行維氏硬度測(cè)量及利用排水法測(cè)量試樣的致密度。試樣硬度、致密度與能量密度的關(guān)系見圖5。硬度與能量密度不是線性關(guān)系，隨著能量密度的增加維氏硬度先增加后下降，由于能量密度小時(shí)，金屬液潤(rùn)濕角變大，金屬液不容易潤(rùn)濕，金屬液容易球化，且空隙增多，降低了成形試樣的硬度，而當(dāng)能量密度較大時(shí)，容易引起金屬液飛濺，影響層與層之間的結(jié)合，并伴隨著空隙。故能量密度高時(shí)，硬度會(huì)下降。TC4合金能量密度在0.21 J/mm左右時(shí)，硬度達(dá)到最大值4.59 GPa。

致密度與能量密度關(guān)系與硬度與能量密度的關(guān)系相似，也不是線性關(guān)系，能量密度低時(shí)，試樣中存在孔隙，因溫度低，金屬液的流動(dòng)性變差，無(wú)法填充試樣的孔隙，直至成形完成后保留下來(lái)，故而影響致密度。而球化現(xiàn)象的存在，使得球與球之間存在孔隙，同樣使得致密度下降。當(dāng)能量密度為0.21 J/mm左右時(shí)，致密度K最好，達(dá)到了98.3%。

a 能量密度與顯微硬度關(guān)系

b 能量密度與致密度關(guān)系

Fig. 5 Vickers-hardness and density of different energy density

3.3 組織及物相分析

圖6為TC4粉末與成形試樣的XRD圖，可以看出，成形試樣中β相比例明顯增多，這是因?yàn)镾LM成形經(jīng)歷快速冷卻過(guò)程時(shí)部分β相來(lái)不及轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?，形成過(guò)飽和的固溶體即馬氏體。雖該馬氏體對(duì)提高材料的強(qiáng)度、硬度效果不明顯，但仍比鑄造成形試樣的強(qiáng)度、硬度高。

圖6 TC4粉末與成形試樣的XRD圖譜

圖7為TC4合金SEM組織能譜圖。由圖6可見，組織中出現(xiàn)一些柱狀粗大的β相， TC4合金SLM成形凝固組織大多數(shù)落在了柱狀晶范圍內(nèi)，這是由于β相自擴(kuò)散系數(shù)大，經(jīng)過(guò)下一層對(duì)后一層的重復(fù)再加熱，β相有長(zhǎng)大的趨勢(shì)，故形成了粗大的β相。

a TC4形貌

b TC4能譜

4 結(jié) 論

(1)激光能量密度達(dá)到0.21 J/mm、掃描間距0.07 mm為最佳工藝參數(shù)，成形試樣的硬度最大達(dá)到4.59 GPa，致密度達(dá)到98.3%，表現(xiàn)為最優(yōu)性能。

(2)TC4粉末經(jīng)過(guò)SLM成形后，β相比例明顯增多，而后有長(zhǎng)大趨勢(shì)，形成粗大的β相。

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(編校 王 冬)

Research on forming process and performance of TC4 alloy by selective laser melting

LiXuewei1，SunFujiu1，LiuJinhui2，ZhouChanghai1，TianHong1

(1.School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology， Harbin 150022, China；2.School of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology， Harbin 150022, China)

This paper is directed at exploring the effect of parameters behind selective laser melting process on the laser melting of TC4 alloy. The exploration consists of using the self-made metal powder forming machine which produces samples under different laser process parameters; analyzing the forming quality by measuring hardness and density; and analyzing the tissue and phase changes by scanning electron microscopy. The results demonstrate that there is no linear relation between the forming quality of TC4 alloy SLM and the laser energy density; along with an increase in laser energy come an initial increase and subsequent decrease in the forming quality, and the microhardness and hardness of the material; the selective laser melting of the powder is followed by the occurrence of the coarseβphase.

TC4 alloy; selective laser melting; energy density; forming quality

2016-08-26

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0802705-02/03)；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(GC15F008);哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)項(xiàng)目(2016RAXXJ023)

李學(xué)偉(1965-)， 男， 河南省通許人，教授，碩士，研究方向：材料表面改性和高性能增材制造技術(shù)，E-mail：lixueweilxw@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.05.014

TN249； TG166

2095-7262(2016)05-0536-05

A