電子束3D打印循環(huán)使用Ti-6Al-4V合金粉體特性研究

鐘 兵，劉芯宇，吳 旺，劉永勝，盧 東

(攀鋼集團(tuán)研究院有限公司 釩鈦資源綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 攀枝花 617000)

電子束3D打印鈦合金零件具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、生物相容性優(yōu)良等一系列優(yōu)異特性，在航空航天、醫(yī)療、汽車和化工等行業(yè)備受關(guān)注[1]。其中,Ti-6Al-4V作為一種典型的α+β兩相合金，應(yīng)用最為廣泛，國內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)電子束3D打印Ti-6Al-4V合金的成形工藝、構(gòu)件的顯微結(jié)構(gòu)及其性能進(jìn)行了大量研究，取得了諸多成果。雖然3D打印的推廣應(yīng)用速度很快，但綜合來看，仍存在一定的局限性[2]，特別是所使用的金屬粉體成本過高[3]。循環(huán)使用粉體是降低金屬3D打印構(gòu)件成本的重要措施。但在電子束選區(qū)熔化快速成形過程中，若循環(huán)使用粉體，高溫、沖擊、篩分會(huì)引起合金粉體特性發(fā)生變化，進(jìn)而影響打印構(gòu)件的質(zhì)量。為控制回收金屬粉末的品質(zhì)，保證電子束打印構(gòu)件的質(zhì)量，研究了電子束3D打印過程中循環(huán)使用對(duì)Ti-6Al-4V合金粉體特性及構(gòu)件性能的影響，以期提高金屬粉末的利用率，降低生產(chǎn)成本。

1 實(shí) 驗(yàn)

粉體材料為美國GE Additive Company生產(chǎn)的Ti-6Al-4V ELI粉體，3D打印設(shè)備為GE Additive Company的Arcam A2X 電子束選區(qū)熔化快速成形系統(tǒng)，打印基板為原廠隨主機(jī)配給的210 mm×210 mm×10 mm基板。打印工藝由設(shè)備廠家提供。金屬粉體特性用Winner2005B激光粒度分析儀及BT1000粉體綜合特性測試儀檢測；粉體形貌用LEICAMZ75體視顯微鏡觀察；構(gòu)件輪廓尺寸用工業(yè)級(jí)ATOS Core 185三維掃描儀測量；實(shí)體稱量采用B10002電子天平。

電子束3D打印過程中，Ti-6Al-4V合金粉體循環(huán)使用流程：新粉—3D打印—粉末回收系統(tǒng)(powder recovery system，PRS)—振動(dòng)篩—篩下物返回3D打印機(jī)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。需要補(bǔ)加新粉時(shí)，篩分后的粉末重新返回PRS，加入新粉混合，再次篩分后使用。

分組打印不同形狀、不同尺寸的構(gòu)件，以探索循環(huán)使用Ti-6Al-4V合金粉體時(shí)對(duì)構(gòu)件成形性及內(nèi)在質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)期間，循環(huán)使用8次且沒有添加新粉的粉末簡稱舊粉；第9次打印，將循環(huán)使用8次的舊粉與新粉按體積比3∶1經(jīng)PRS混合后使用，對(duì)應(yīng)粉末簡稱混合粉；第10次打印使用第9次的余粉；第11次打印將第10次的余粉與新粉按體積比3∶1經(jīng)PRS混合后使用；第12次使用第11次的余粉。

為了表征構(gòu)件內(nèi)在質(zhì)量變化，引入相對(duì)致密性這一參量。在A2X加工平臺(tái)上設(shè)置magics程序，導(dǎo)入模型的stl格式文件，計(jì)算打印模型的體積；取Ti-6Al-4V合金密度為4.51 g/cm3，計(jì)算模型質(zhì)量W1；打印實(shí)體去除粉末、支撐后稱重，質(zhì)量為W2，用W2/W1的比值評(píng)價(jià)實(shí)體構(gòu)件相對(duì)致密性變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 循環(huán)使用對(duì)粉體粒度分布的影響

3D打印利用高能電子束選區(qū)熔化金屬粉末，非熔化區(qū)域的粉末也會(huì)被逐層掃描預(yù)熱，出現(xiàn)燒結(jié)、團(tuán)聚現(xiàn)象。PRS利用壓縮空氣動(dòng)能使結(jié)塊的粉體破碎分散，并過濾掉部分細(xì)粉，后續(xù)振動(dòng)篩篩分去除大顆粒。因此，每循環(huán)使用一次，粉體綜合性能都會(huì)發(fā)生變化。

圖1為用激光粒度分析儀檢測的新粉、舊粉及混合粉末的粒徑分布曲線。新粉中分布有14.125～31.623 μm的細(xì)小顆粒，D10=33.557 μm，D50=59.390 μm，D90=89.625 μm；舊粉中沒有粒徑小于31.623 μm的細(xì)小顆粒，D10=45.850 μm，D50=74.796 μm，D90=111.567 μm，說明經(jīng)多次使用，粉末粒度分布發(fā)生了明顯變化。

圖1 新粉、舊粉及混合粉末的粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curves of new powder, old powder, and mixed powder

圖1中與新粉相比，舊粉的粒徑分布曲線向右移，說明隨著使用次數(shù)增加，粉末向粗顆粒集中。相比新粉，舊粉在粉床上的流動(dòng)阻力減小，受到電子束轟擊時(shí)粉末顆粒容易潰散，飛濺的可能性增大[4]。

添加新粉的混合粉中出現(xiàn)粒徑小于31.623 μm的細(xì)小顆粒，D10=42.517 μm，D50=74.527 μm，D90=106.132 μm，粉體粒徑分布向小顆粒方向擴(kuò)展，粉末的滑動(dòng)阻力增大。添加新粉后，粒徑分布曲線相對(duì)舊粉發(fā)生左移，且添加數(shù)量越多，粒徑分布曲線越接近新粉，改善效果更好。

2.2 循環(huán)使用對(duì)粉體形貌的影響

圖2為用體視顯微鏡觀察到的新粉、舊粉及混合粉末形貌。新粉顆粒形貌為球形，少量大球粘附小球；舊粉主體仍為球形粉，小顆粒粉末顯著減少，出現(xiàn)啞鈴型和鏈狀成串的顆粒，還有少量不規(guī)則顆粒；混合粉形貌與舊粉類似，小粒徑顆粒增加，并觀察到非球形塊狀殘留物。

圖2 新粉、舊粉及混合粉末形貌Fig.2 Morphologies of different powders：(a)new powder; (b)old powder; (c)mixed powder

循環(huán)使用使粉體形貌由單個(gè)分散顆粒逐漸向粘結(jié)、集聚變化，電子束高能轟擊、PRS沖擊作用則使部分球形顆粒呈現(xiàn)不規(guī)則化。盡管每次打印過程這種改變不大，但循環(huán)次數(shù)逐步增多則使粉末顆粒形貌變化越來越嚴(yán)重。添加少量新粉雖不能改變舊粉顆粒的形貌，但能有效改變舊粉粉體結(jié)構(gòu)，使粒徑分布寬化，有利于改善粉末在粉床上的摩擦特性。

圖3為循環(huán)使用粉末中出現(xiàn)的塊狀殘留物形貌。經(jīng)檢測分析，粉末中的塊狀雜物來自于隔熱罩內(nèi)壁沉積物脫落、PRS清整構(gòu)件的脫落物或鋪粉耙齒折斷。循環(huán)使用8次粉末中僅偶爾觀察到塊狀殘留物，循環(huán)使用10、11、12次粉末則觀察到多個(gè)塊狀殘留物，說明PRS和篩分不能完全清除這些塊狀物，塊狀殘留物隨粉末循環(huán)使用次數(shù)的增加會(huì)逐漸積累。

圖3 循環(huán)使用粉末中的塊狀殘留物形貌Fig.3 Morphology of lumpy residue in recycled powder

2.3 循環(huán)使用對(duì)粉體物性參數(shù)的影響

表1為新粉、舊粉和混合粉末的物性參數(shù)。從表1可以看出，舊粉的霍爾流速快于新粉，表明舊粉比新粉更容易流動(dòng)；添加新粉后的混合粉相比舊粉的流動(dòng)能力降低，但霍爾流速仍比新粉快。進(jìn)一步說明循環(huán)使用改變了粉體粒徑分布，對(duì)粉體的流動(dòng)性有很大影響，尤其單一粉體循環(huán)使用時(shí)，粒徑分布右移，使電子束轟擊粉末時(shí)出現(xiàn)潰散的傾向增大[5]。

表1 新粉、舊粉和混合粉末的物性參數(shù)

Table 1 Physical parameters of new powder, old powder, and mixed powder

相比霍爾流速，循環(huán)使用對(duì)粉末松裝密度的影響較小。這是因?yàn)榕f粉粒徑分布仍在新粉顆粒范圍內(nèi)，同體積下，部分顆粒熔融粘結(jié)的“搭橋”作用和去掉的少量細(xì)顆粒對(duì)松裝密度影響有限。因此，循環(huán)使用對(duì)粉倉的粉末存儲(chǔ)量、打印時(shí)每層粉末鋪展量影響不大。

粉體振實(shí)密度則與粉體形貌密切相關(guān)。循環(huán)使用的舊粉中單個(gè)顆粒減少，出現(xiàn)粘結(jié)成啞鈴型、鏈狀型的球串(見圖2)，以及燒蝕、破裂變形的顆粒，加上逐漸增多的殘留塊狀物，使粉體更容易壓縮。循環(huán)使用粉末的振實(shí)密度和壓縮度上升，反映了隨使用次數(shù)增加，粉末的可壓縮性增大。由于打印機(jī)使用有彈性的耙子將粉末鋪展到粉床上，鋪粉壓實(shí)力調(diào)節(jié)有限，因此粉末的壓縮性改變，引起鋪粉層密實(shí)度下降，增大粉體發(fā)生潰散、飛濺的可能性。對(duì)于多次使用的粉末，僅靠后期少量添加新粉，無法完全改善壓實(shí)性變化帶來的不利影響。

2.4 粉體特性惡化的危害

2.4.1 粉體特性惡化對(duì)構(gòu)件成形的影響

表2為不同粉體3D打印構(gòu)件的輪廓精度、內(nèi)在致密性等特征參數(shù)檢測結(jié)果。從表2可以看出，循環(huán)使用粉體對(duì)構(gòu)件輪廓精度幾乎沒有影響，但使其內(nèi)在致密性逐漸下降。

表2 不同粉體3D打印構(gòu)件的特征參數(shù)

Table 2 Characteristic parameters of 3D printing components with different powders

循環(huán)使用粉體導(dǎo)致構(gòu)件致密性下降，一方面是由于粉末特性逐漸惡化，殘留物累積，鋪粉層密實(shí)度降低，出現(xiàn)過量鋪粉，致使構(gòu)件出現(xiàn)嚴(yán)重熔融不良；另一方面，循環(huán)使用粉體帶入更多H、O等氣體，是導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生氣孔的直接原因[6]。

添加新粉的混合粉末，既提高了粉床上粉末顆粒的流動(dòng)阻力，又使電子束預(yù)熱溫度場的均勻性得到改善，縮小了成形區(qū)域和周圍粉末的溫度梯度，減少了“邊緣缺陷”[6]。

2.4.2 粉體特性惡化對(duì)粉末傳感器的影響

在電子束3D打印成形過程中，隨粉體循環(huán)使用次數(shù)的增加，粉末傳感器記錄的過長脈沖和零脈沖次數(shù)也在增加。第10次記錄的長脈沖超過正常脈沖50 ms，并間斷出現(xiàn)多次零脈沖。開艙檢查，以0.05 mm步長測試運(yùn)行耙子，鋪粉脈沖長度變化忽長忽短，粉末下落而脈沖指示燈不及時(shí)顯示，表明粉末感應(yīng)器已不能穩(wěn)定工作。

將傳感器整體卸下，檢查發(fā)現(xiàn)滑槽內(nèi)有粉末滯留。觀察滑槽內(nèi)粉末形貌，發(fā)現(xiàn)粉球熔融粘結(jié)成串的較多，并發(fā)現(xiàn)多個(gè)塊狀雜物，說明粉體性能惡化與傳感器滑槽內(nèi)滯留的粉末有關(guān)。

粉體性能惡化致使打印機(jī)粉末傳感器頻繁出現(xiàn)誤動(dòng)作，導(dǎo)致過量鋪粉，引發(fā)預(yù)熱起煙、粉末飛濺和熔融不良。Ti-6Al-4V合金粉體循環(huán)使用第10次，隔熱罩窗門煙熏嚴(yán)重、內(nèi)壁粘結(jié)許多薄片狀沉積物，如圖4a所示。添加新粉，能降低粉體特性惡化帶來的不利影響，但加入量少改善作用有限，如圖4b所示。

圖4 粉末循環(huán)使用第10次及添加新粉后隔熱罩內(nèi)壁照片F(xiàn)ig.4 Photos of inner wall of heat shield：(a)powder recycled for the 10th time; (b)after adding new powder

為了進(jìn)一步了解粉體特性惡化的危害，更直觀評(píng)判粉末傳感器異常動(dòng)作對(duì)鋪粉的影響，當(dāng)粉體循環(huán)使用第12次且打印構(gòu)件完成70%時(shí)，停機(jī)后開倉觀察耙子取粉和構(gòu)件熔融狀況。發(fā)現(xiàn)取粉區(qū)耙子鋪粉方向一側(cè)出現(xiàn)堆粉，說明取粉已嚴(yán)重過量；打印構(gòu)件的上表面輪廓內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的熔融不良現(xiàn)象，將導(dǎo)致構(gòu)件致密性下降。

在3D打印成形過程中，隔熱罩內(nèi)壁形成的薄片沉積物強(qiáng)度不高，容易破碎。耙子移動(dòng)撞擊隔熱封蓋引起的振動(dòng)以及持續(xù)高能電子束轟擊引起的飛濺都會(huì)導(dǎo)致沉積物脫落掉進(jìn)熔池，致使構(gòu)件的致密性下降。

3 結(jié) 論

(1)電子束3D打印循環(huán)使用Ti-6Al-4V合金粉體，隨使用次數(shù)增加，主體仍以球形為主，但細(xì)粉數(shù)量減少，顆粒間粘結(jié)增加，塊狀殘留物也增加，顆粒粒徑分布向粗顆粒聚集。

(2)隨使用次數(shù)增加，粉末流動(dòng)性、壓縮性升高，粉床上顆粒摩擦阻力、密實(shí)度下降。

(3)循環(huán)使用Ti-6Al-4V合金粉體對(duì)構(gòu)件的尺寸精度幾乎沒有影響，但使其相對(duì)致密性逐漸下降，內(nèi)在質(zhì)量降低。

(4)向循環(huán)使用的Ti-6Al-4V合金粉體中逐次添加新粉，能夠降低粉體性能變差帶來的不利影響，改善程度與添加新粉數(shù)量有關(guān)。