激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)的斷裂行為與斷裂機制研究

梁曉康，周慶軍，嚴振宇，萬 李，陶京新，張 偉

（首都航天機械有限公司，北京100076）

Ti-6Al-4V是一種α-β型兩相鈦合金，具有比 強度高、屈強比高、耐蝕性好等優(yōu)異的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、造船、汽車等領(lǐng)域[1-2]，但其具有的高熔點、高熔融態(tài)活性及大變形抗力的特點為其制備成形過程帶來困難。隨著新一代航天、武器裝備對零部件服役性能要求的提高，鈦合金薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)成為制造業(yè)研究的熱點之一。比如在鈦合金、高溫合金等難加工金屬材料復(fù)雜型腔、型面、薄壁、變截面結(jié)構(gòu)的整體化制造方面，具有明顯優(yōu)勢的激光選區(qū)熔化（SLM）成形技術(shù)就是研究熱點之一。

國內(nèi)外學(xué)者對Ti-6Al-4V激光選區(qū)熔化過程微觀組織演化、力學(xué)性能檢測和冶金缺陷控制等方面進行了較多研究。吳偉輝等[3-4]從理論上分析了金屬熔池球化的演變機制，提出了弱化消除球化的方法，并采用平均粒徑為75 μm的銅基合金粉末進行了成形試驗，還對以上分析進行了驗證。國內(nèi)外有關(guān)Ti-6Al-4V激光選區(qū)熔化過程中的斷裂行為與斷裂機制的研究較少，比如張升等[5]分析了激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V試樣的開裂機理，認為主要是由顯微組織和殘余應(yīng)力引起，并提出了調(diào)整工藝參數(shù)、改善組織結(jié)構(gòu)以減少和避免開裂的問題。本文采用實驗與斷口形貌分析的方法研究了姿態(tài)擺放、工藝制度和設(shè)備刮板等對Ti-6Al-4V激光選區(qū)熔化成形薄壁結(jié)構(gòu)斷裂行為和斷裂機制的影響，揭示了斷口形貌特征與微觀組織特征、力學(xué)性能之間的對應(yīng)關(guān)系，基于不同角度考慮提出了優(yōu)化的工藝方法和工藝參數(shù)。

1 實驗材料及方法

實驗采用NRD-SLM-Ⅲ型激光選區(qū)熔化成形設(shè)備。該設(shè)備由YLR-200型光纖激光器、掃描振鏡及聚焦系統(tǒng)、工作缸及成形件加熱系統(tǒng)、刮板式鋪粉裝置、氣體凈化系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。激光器最大功率為400 W、激光光斑直徑為80 μm、最小單層鋪粉厚度為20 μm，氣體凈化系統(tǒng)具有抽真空和回充惰性保護氣體功能，以滿足成形實驗時對氫、氧、氮等氣體含量的要求。

實驗采用Ti-6Al-4V球形粉末，其化學(xué)成分見表1，表面微觀形貌和粒徑分布見圖1?？梢姡勰┚哂辛己玫那蛐味?，且粒徑分布較好地服從正態(tài)分布。在成形實驗前，球形粉末在真空烘干箱中經(jīng)100～120℃高溫干燥，以去除可能吸附于粉末表面的水分等雜質(zhì)；對尺寸為250 mm×250 mm×30 mm的純鈦基板進行表面吹砂處理，并用酒精擦拭去除吹砂帶來的多余粉體。Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)試樣的激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)見表2。

2 姿態(tài)擺放對Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)斷裂行為與斷裂機制的影響

表1 Ti-6Al-4V粉末的化學(xué)成分

表2 Ti-6Al-4V粉末激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)表

圖1 Ti-6Al-4V粉末微觀形貌與粒徑分布圖

Ti-6Al-4V激光選區(qū)熔化成形橫向姿態(tài)和縱向姿態(tài)拉伸試片的斷口微觀形貌見圖2。橫向姿態(tài)試片與縱向姿態(tài)試片拉伸斷口形貌均為典型的等軸韌窩形貌，二者的區(qū)別在于：橫向姿態(tài)試片拉伸斷口韌窩形貌中韌窩細密且深，韌窩的大小分布更均勻；縱向姿態(tài)試片拉伸斷口韌窩形貌中韌窩較粗大且淺，大小分布不均勻；橫向姿態(tài)相較于縱向姿態(tài)，韌性和塑性更好。

圖2 不同姿態(tài)的Ti-6Al-4V試片拉伸斷口形貌

Ti-6Al-4V激光選區(qū)熔化成形橫向姿態(tài)和縱向姿態(tài)試片拉伸力學(xué)性能見圖3。一方面，橫向姿態(tài)和縱向姿態(tài)的抗拉強度和屈服強度顯著高于鍛件強度標準（σb：895 MPa，σ0.2：825 MPa），而延伸率明顯低于鍛件延伸率標準（δ5：10%）；另一方面，橫向姿態(tài)試片不僅塑性更好（δ5：8.1%），且抗拉強度和屈服強度（σb：1390 MPa，σ0.2：1280 MPa）均高于縱向姿態(tài)試片，這與橫、縱向試片拉伸斷口韌窩形貌反映的情況一致。

圖3 不同姿態(tài)的Ti-6Al-4V試片拉伸力學(xué)性能

在Ti-6Al-4V激光選區(qū)熔化成形過程中，堆積方向的溫度梯度遠大于其他方向，微觀組織呈現(xiàn)連續(xù)外延生長的柱狀晶定向凝固特征，且生長方向與堆積方向一致，這說明不同掃描層間的熱影響區(qū)引起的組織粗化與不均勻性遠大于同一層相鄰掃描道間搭接的熱影響區(qū)引起的組織粗化與不均勻性，從而使沉積高度（即縱向姿態(tài)）方向的晶粒更加粗大和不均勻，其力學(xué)性能也較橫向姿態(tài)方向差。

3 工藝制度對Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)斷裂行為與斷裂機制的影響

當(dāng)成形倉氧的體積分數(shù)由0.2‰以下突變?yōu)?.5‰，持續(xù)約1 h后又降回0.2‰以下，再持續(xù)約5h后，激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)在設(shè)備刮板的輕微刮蹭下發(fā)生了斷裂，不同斷裂位置的斷口微觀形貌見圖4?？梢姡涑尸F(xiàn)河流花樣且具有撕裂嶺等特征，基本為典型的準解理斷裂形貌，說明隨著成形倉氧含量的升高，激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)件的斷裂機制由韌性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇式饫頂嗔眩闯尚蝹}氧含量升高后，零件的氧含量也升高，其韌性和塑性將顯著降低，這與陳靜等[6]提出的氧含量會明顯降低激光熔化沉積Ti-6Al-4V拉伸試樣塑性的結(jié)論是一致的。

圖4 不同位置的Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)斷口微觀形貌

激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)件的韌性和塑性對成形倉氧含量較敏感。當(dāng)成形倉氧的體積分數(shù)由0.2‰以下突變?yōu)?.5‰，持續(xù)約1 h后又降回0.2‰以下，再持續(xù)約5 h后，在設(shè)備刮板的輕微刮蹭下，Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)斷裂產(chǎn)生準解理斷裂形貌。而當(dāng)成形倉氧的體積分數(shù)持續(xù)穩(wěn)定在0.2‰以下時，Ti-6Al-4V試樣在激光選區(qū)熔化成形過程中不會發(fā)生刮蹭，且試片拉伸斷口形貌為典型的等軸韌窩形貌（圖2）。因此，在實際優(yōu)化工藝生產(chǎn)中，一般控制成形倉氧的體積分數(shù)低于0.2‰，以調(diào)控激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)的斷裂機制，并改善斷口韌窩的形貌。

完全退火前后的激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V試片拉伸斷口微觀形貌見圖5。完全退火制度選擇700～850℃、保溫60～120 min后空冷?？梢姡耆嘶鹎昂蟮脑嚻鞌嗫谛蚊簿鶠榈湫偷牡容S韌窩形貌，二者的區(qū)別在于：完全退火后的試片拉伸斷口形貌中的韌窩明顯細密且深度更深，大小分布十分均勻，而完全退火前的試片拉伸斷口形貌中的韌窩明顯粗大且深度較淺，大小分布也不均勻。

激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V試片在完全退火前后的拉伸力學(xué)性能見圖6。經(jīng)700～850℃、保溫60～120 min后空冷的完全退火處理后，激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V試片的延展性得到顯著提高，并達到鍛件的延展性標準（δ5：10%），其抗拉強度和屈服強度適當(dāng)降低，但仍高于鍛件的強度標準（σb：895MPa，σ0.2：825 MPa），這與完全退火前后試片拉伸斷口韌窩形貌反映的情況一致。經(jīng)完全退火處理后，試片內(nèi)部部分殘余應(yīng)力得到減輕和消除，且針狀α相的體積分數(shù)有所增加，α板條發(fā)生一定的粗化，但整體顯微組織變化不大，激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V試片的綜合性能得到提高。

圖5 完全退火前后的Ti-6Al-4V試片拉伸斷口形貌

圖6 安全退火前后的Ti-6Al-4V試片拉伸力學(xué)性能

基于改善激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V試片斷口韌窩形貌及分布、提高Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能的考慮，選擇合適的熱處理方法和制度對激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)件使用性能的影響至關(guān)重要?；谇笆龇治龊陀懻摽芍?，在實際優(yōu)化工藝生產(chǎn)過程中，選擇700～850℃、保溫60～120 min后空冷的完全退火方法，對提高試件的韌性和塑性、實現(xiàn)Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)件良好的強塑性匹配具有較好的效果。

4 設(shè)備刮板對Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)斷裂行為與斷裂機制的影響

設(shè)備刮板與置于鋪粉方向終止端附近的Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)發(fā)生刮蹭，引起薄壁結(jié)構(gòu)斷裂，不同位置的斷口微觀形貌見圖7?？梢姡魑恢玫臄嗫谛蚊菜毫褞X明顯為典型的韌窩形貌，圖7a～圖7c所示的韌窩形貌中均含有大量氣孔缺陷，且呈逐漸減小的趨勢，而圖7d所示的韌窩形貌基本沒有氣孔缺陷，且撕裂嶺具有一定的方向性。因為一方面，在激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)的過程中，表面產(chǎn)生了球化現(xiàn)象，導(dǎo)致與設(shè)備刮板間發(fā)生刮蹭行為；另一方面，圖7a所示位置存在大量氣孔缺陷而形成了薄弱區(qū)，在設(shè)備刮板的刮蹭下，薄弱區(qū)產(chǎn)生初始裂紋，在刮板的進一步刮蹭和帶動下，引發(fā)裂紋沿氣孔缺陷較多的脆弱區(qū)擴展，而圖7d所示無氣孔缺陷區(qū)的斷裂則是由設(shè)備刮板與已斷裂部分之間的摩擦撕裂引起的。

圖7 不同位置的Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)蹭斷斷口微觀形貌

在鋪粉過程中，刮板與基板之間的距離會對Ti-6Al-4V球形粉末產(chǎn)生選擇效應(yīng)，故沿設(shè)備刮板鋪粉方向的球形粉末平均粒徑將逐漸增大 （圖8）。一方面，沿刮板鋪粉方向，同一粉層中的大粒徑粉末比例增加（圖9a～圖9b），會引起同一粉層中粉末間的孔隙度和致密度不一致，即沿刮板鋪粉方向、同一粉層的孔隙度增大而致密度逐漸減小，進而造成同一粉層工藝參數(shù)的不匹配，沿刮板鋪粉方向產(chǎn)生氣孔等冶金缺陷的趨勢和可能也逐漸增大；另一方面，沿刮板鋪粉方向，同一粉層中的大粒徑粉末比例增加（圖9a～圖9b），也可能會引起同一粉層中不同位置的粉層厚度不一致，即沿刮板鋪粉方向、同一粉層厚度增大的可能性逐漸增大，進而造成激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)的不匹配，比如：同一粉層相對較厚處的激光功率可能偏小、掃描速度可能偏快，前一基體層熔化程度不夠，未熔化的球形粉末在熔池的粘附作用下產(chǎn)生了如圖9c、圖9d所示的球化現(xiàn)象[2-3]。而如圖7所示置于鋪粉方向終止端附近的Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)，從圖7a～圖7d所示位置即為刮板鋪粉方向的反方向，因此，也就說明了從圖7a～圖7d所示位置出現(xiàn)球化和氣孔缺陷的可能性逐漸減小，即呈現(xiàn)的氣孔缺陷逐漸減小。

為了避免氣孔和球化等冶金缺陷的產(chǎn)生，并減小設(shè)備刮板刮蹭成形表面而引起Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)斷裂的可能性，需控制粉末粒徑及其分布范圍，并基于表2所示數(shù)據(jù)適時調(diào)整分區(qū)成形工藝參數(shù)，比如：在刮板鋪粉方向終止端附近，適當(dāng)增大激光掃描功率、降低掃描速度；將大面積截面結(jié)構(gòu)置于刮板鋪粉方向的起始端附近，將小面積截面結(jié)構(gòu)置于刮板鋪粉方向的終止端附近，則大面積截面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生氣孔與球化等冶金缺陷的可能性更大，起始端粉末顆粒較細，有利于通過增加激光在粉球顆粒間的反射次數(shù)來提高激光的穿透深度，使粉末熔化更加充分，改善Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)的成形質(zhì)量，避免氣孔與球化等冶金缺陷的產(chǎn)生；優(yōu)化刮板的材料與結(jié)構(gòu)形狀，以減少沿刮板鋪粉方向球形粉末粒徑的差異，也可有效避免氣孔與球化等冶金缺陷，以及設(shè)備刮板蹭斷Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)等問題的產(chǎn)生。

圖8 鋪粉方向不同位置的Ti-6Al-4V粉末粒徑分布圖

圖9 Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)氣孔與球化冶金缺陷的產(chǎn)生

5 結(jié)論

（1）橫向姿態(tài)試片拉伸斷口形貌中韌窩更細密且更深，韌窩大小分布也更均勻，驗證其強度（σb：1390 MPa，σ0.2：1280 MPa）較縱向姿態(tài)試片強度（σb：1207 MPa，σ0.2：1140 MPa） 也更高， 尤其延伸率為8.1%明顯高于縱向姿態(tài)試片的4.8%。

（2）激光選區(qū)熔化成形過程中，當(dāng)成形倉氧的體積分數(shù)由0.2‰以下突變?yōu)?.5‰，持續(xù)約1 h后又降回0.2‰以下，再持續(xù)約5 h后，Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)在刮板輕微刮蹭下斷裂產(chǎn)生準解理斷裂形貌，相應(yīng)的韌性和塑性也變差。因此，實際生產(chǎn)中必須控制成形倉氧的體積分數(shù)低于0.2‰，以控制激光熔化成形Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)件的斷裂機制，并改善斷口韌窩的形貌。

（3）完全退火（700～850 ℃、保溫 60～120 min 后空冷）態(tài)試片的拉伸斷口形貌中，韌窩更細密且更深，韌窩大小分布也更均勻，驗證其力學(xué)性能（σb：1110 MPa，σ0.2：1080 MPa，δ5：12%）較激光選區(qū)熔化成形態(tài)試片力學(xué)性能（σb：1390 MPa，σ0.2：1280 MPa，δ5：8%）更匹配，完全退火實現(xiàn)了Ti-6Al-4V試片良好的強塑性匹配。

（4）刮板蹭斷Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)不同位置處的斷口形貌均為韌窩形貌，韌窩中的氣孔大小和數(shù)量沿刮板鋪粉方向依次增大、增多。沿刮板鋪粉方向，Ti-6Al-4V粉末中的大粒徑顆粒數(shù)量增多、小粒徑顆粒數(shù)量減少，粉層孔隙度增大而致密度減小，氣孔和球化等冶金缺陷出現(xiàn)的可能性增大，易產(chǎn)生刮板與薄壁結(jié)構(gòu)表面間的刮蹭，引起薄壁結(jié)構(gòu)沿氣孔較多部位發(fā)生斷裂而產(chǎn)生以上形式的韌窩斷口形貌。適時調(diào)整不同區(qū)域成形工藝參數(shù)、將大面積截面結(jié)構(gòu)放置于刮板鋪粉方向的起始端附近、小面積截面結(jié)構(gòu)放置于刮板鋪粉方向的終止端附近，均可有效避免氣孔和球化等冶金缺陷及刮板蹭斷Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)等問題的產(chǎn)生。