激光3D打印工藝對鈦合金質(zhì)量的影響*

劉占起，徐國建，王 蔚，唱麗麗，邱曉杰，鄭文濤

(1.沈陽工業(yè)大學 a.材料科學與工程學院，b.機械工程學院，沈陽 110870；2.遼寧增材制造產(chǎn)業(yè)技術研究院有限公司 研究院，沈陽 110021；3.沈陽中科煜宸科技有限公司 事業(yè)部，沈陽 110021)

TC4鈦合金因具有比強度高、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕和抗高溫蠕變等優(yōu)點，在航空航天領域和其他新興領域得到了廣泛應用.隨著航空航天科學技術的發(fā)展，對鈦合金結(jié)構輕量化及性能提出了更高要求.由于利用傳統(tǒng)制造方法制造復雜零部件時存在效率低、成本高且難于實現(xiàn)等問題，近年來人們熱衷于3D打印直接成形研究以解決上述問題，并獲得了眾多成果[1-4].現(xiàn)有研究[5]表明，隨著激光功率的提高，晶粒尺寸增大；掃描速度影響熔覆過程中的加熱時間及粉末利用率，掃描速度越高，粉末和基材的加熱時間越短，粉末利用率越低；送粉量影響成形效率，在保證激光功率密度足夠的情況下送粉量越多，成形效率越高[6].

激光3D打印工藝參數(shù)對3D打印材料成形質(zhì)量及構件性能具有很大影響，因而激光3D打印工藝參數(shù)選擇的正確與否顯得非常重要.到目前為止，當激光輸出功率約為2 kW時，3D打印工藝參數(shù)與鈦合金成形質(zhì)量、性能之間的關系仍缺乏科學、全面及系統(tǒng)的研究.本文采用了正交試驗方法，研究了當激光輸出功率約為2 kW時，3D打印工藝參數(shù)對鈦合金成形質(zhì)量及性能的影響規(guī)律.

1 試驗設備與方法

用于TC4鈦合金打印的LDM-8060設備是由南京中科煜宸激光技術有限公司自主研發(fā)的，該設備主要由4 kW光纖耦合半導體激光器(聚焦點光斑直徑為4 mm)、四路送粉3D打印頭、氣載式送粉器、氬氣工作倉+凈化系統(tǒng)、水冷機、三軸數(shù)控工作系統(tǒng)+工作臺、3D打印軟件+運動控制系統(tǒng)等組成.激光3D打印工藝參數(shù)正交試驗設計方案如表1所示.

表1 正交試驗設計方案

TC4基板采用鈦合金鍛造板材，其尺寸為100 mm×100 mm×20 mm.試驗前首先利用SiC砂紙進行打磨處理，然后采用丙酮進行擦拭，從而去除基板表面的油污和氧化膜等雜質(zhì).TC4鈦合金粉末粒度范圍為75～120 μm，其化學成分為：w(Al)=5.5～6.75%、w(V)=3.5～4.5%、w(Fe)≤0.25%、w(C)≤0.08、w(O)≤0.16%、w(N)≤0.01%、w(H)≤0.01%、余量為Ti.試驗前將TC4粉末放到惰性氣體加熱器內(nèi)于200 ℃下進行烘干處理，以去除粉末中的水分.對激光3D打印制造的塊體進行線切割，制備尺寸為15 mm×10 mm×10 mm的單道金相試樣以及Z向和XY向拉伸試樣.拉伸試樣尺寸如圖1所示(單位：mm)，其實物圖如圖2所示.

圖1 拉伸試樣尺寸

圖2 拉伸試樣實物圖

利用500#～2000#SiC砂紙對金相試樣進行研磨后，再對試樣進行拋光處理，然后利用Kroll腐蝕液(HF、HNO3、H2O體積比為1∶6∶7)進行腐蝕，腐蝕時間約為30 s.采用蔡司ZX-10型金相顯微鏡和SU8010型場發(fā)射掃描電子顯微鏡分析了金相試樣的組織.采用WDW-100型電子萬能試驗機測試了拉伸試樣的力學性能.

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

單道3D打印試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表2所示.由表2中的熔合比數(shù)據(jù)指標可以清楚地看到，3、6和7號試樣的熔合比相對較小，分別為0.74、0.75和0.76.單道3D打印層的外觀形貌如圖3所示.由圖3可知，3號試樣表面具有大量粘粉，其原因主要是由激光功率不足引起的.6和7號試樣外觀形貌良好.與3號試樣相比，6和7號試樣熔合比僅分別增加了0.01和0.02.另外，7號試樣的送粉量在三個試樣中最大.綜合上述分析可以確定7號試樣數(shù)據(jù)為最優(yōu)打印參數(shù).

表2 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖3 單道3D打印層的外觀形貌

圖4為單道3D打印層的橫截面組織形貌.由圖4可以測量出熔深和余高，從而計算出熔合比.熔合比的計算采用熔深/(熔深+余高)的方法.熔合比越小，表明基板材料對3D打印層的影響越小，3D打印質(zhì)量越好.

圖4 單道3D打印層的橫截面組織形貌

單道3D打印試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表3所示.表3中Ki為任一列因素水平為i時所對應的試驗結(jié)果之和；ki為任一列因素水平為i時所得試驗結(jié)果的算數(shù)平均值；R為極差.由表3可見，各列數(shù)據(jù)的極差不同，表明各因素的水平改變對試驗結(jié)果的影響各不相同.極差越大，表明該列因素在試驗范圍內(nèi)的數(shù)值變化會導致試驗指標數(shù)值產(chǎn)生更大變化，所以極差最大的那一列因素就是對試驗結(jié)果影響最大的因素，即最主要因素.由于R2>R1>R3，所以各因素從主到次的順序為：因素二(掃描速度)>因素一(激光功率)>因素三(送粉量).從極差值大小可以直接看出掃描速度是影響熔合比的最主要因素，其次是激光功率，影響最小的是送粉量.

表3 試驗數(shù)據(jù)分析

以因素水平為橫坐標，熔合比為縱坐標，分析指標-因素之間的關系，結(jié)果如圖5所示.由圖5可知，當激光輸出功率為1 900 W、掃描速度為700 mm/min、送粉量為8 g/min時，熔合比均較小.結(jié)合表2中的實際試樣參數(shù)可知，7號試樣參數(shù)為最優(yōu)工藝參數(shù)，即激光輸出功率為1 900 W、掃描速度為700 mm/min、送粉量為10 g/min.

2.2 顯微組織

激光3D打印TC4鈦合金的顯微組織如圖6所示.由圖6a可以觀察到，高溫下粗大β柱狀晶基本垂直于3D打印(熔合線)方向[7]，該柱狀晶寬度約為0.5 mm.由圖6b可知，柱狀晶界先析出相(α相)呈棒狀分布，柱狀晶內(nèi)次析出了大量片層α相、少量片層α魏氏板條相及短棒狀α相.魏氏α板條相具有細長結(jié)構特征，長寬比較大且尖端無球化現(xiàn)象.大量魏氏α板條相主要沿著晶界向晶內(nèi)生長，形成具有集束狀的形貌特征[8-9].另外，在柱狀晶內(nèi)存在少量短小棒狀α相，其形成原因是在激光3D打印過程中，由于先析出及次析出α相在晶界和晶內(nèi)形核并長大，因α相生長方向不同，不同方向的α相接觸后停止生長，從而抑制了部分α相的生長，因而形成了少量短棒狀α相.柱狀晶組織影響鈦合金的拉伸性能，在柱狀晶生長方向鈦合金的拉伸塑性高于垂直晶粒生長方向的情況.

圖5 指標-因素關系

2.3 室溫拉伸性能

在激光輸出功率為1 900 W、掃描速度為700 mm/min及送粉量為10 g/min的最佳工藝參數(shù)條件下，激光3D打印制造TC4鈦合金試樣的室溫拉伸性能如表4所示.由表4可知，鈦合金Z向的拉伸塑性優(yōu)于XY向；但其Z向的屈服強度和抗拉強度都低于XY向.激光3D打印制造TC4鈦合金的強度指標均滿足TC4鍛件國家標準(GB/T 25137-2010)的相關要求(σ0.2=828 MPa，σb=895 MPa)，且其Z向塑性指標優(yōu)于TC4鍛件國家標準(δ=10%、ψ=25%)，而其XY向塑性指標低于TC4鍛件國家標準.

圖6 TC4鈦合金的組織形貌

表4 室溫拉伸性能數(shù)據(jù)

激光3D打印制造TC4鈦合金Z向塑性較好的原因與晶粒的生長方向和組織形態(tài)有關[10-11]，該方向下晶粒的生長方向基本垂直于3D打印方向，鈦合金的組織形態(tài)為柱狀晶組織，晶粒與晶粒之間的晶界與拉伸方向平行，位錯運動阻力較小.XY向下鈦合金的拉伸方向與晶界垂直，位錯運動困難，因而其塑性降低，強度較高.

2.4 室溫拉伸斷口分析

3D打印層Z向和XY向的拉伸試樣斷口形貌如圖7所示.由圖7可見，鈦合金兩個方向上的斷口均布滿韌窩，呈現(xiàn)典型的塑性斷口形貌.

圖7 拉伸試樣的斷口形貌

2.5 顯微硬度

TC4鈦合金3D打印層的硬度分布如圖8所示.由圖8可以計算得到鈦合金打印層的平均硬度約為342.6 HV.

3 結(jié) 論

通過以上分析可以得到如下結(jié)論：

圖8 打印層的硬度分布

1)激光3D打印制造TC4鈦合金的優(yōu)化工藝參數(shù)為：激光功率1 900 W、掃描速度700 mm/min、送粉量10 g/min.

2)在優(yōu)化工藝參數(shù)條件下，鈦合金焊態(tài)下的顯微組織由粗大柱狀晶組成，柱狀晶界由先析出棒狀α相組成，晶內(nèi)組織由次析出的大量片層α相、少量片層α魏氏相及短棒狀α相組成.

3)激光3D打印制造TC4鈦合金Z向拉伸試件的性能指標超越了國家鍛造標準；XY向強度指標超越國家鍛造標準要求，而塑性指標低于國家鍛造標準要求；Z和XY向拉伸試樣斷口形貌均布滿韌窩且均屬于塑性斷裂.