電子束3D打印極小曲面多孔TC4鈦合金及其性能研究

賈 亮，樊永霞，劉 楠,楊廣宇，楊 坤

(西北有色金屬研究院 金屬多孔材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710016)

電子束3D打印技術(shù)(selective electron beam melting，SEBM)是一種增材制造技術(shù)。該技術(shù)以計(jì)算機(jī)軟硬件控制電子束，可直接驅(qū)動(dòng)三維CAD模型成形實(shí)體零件，利用高能電子束熔化金屬粉末，實(shí)現(xiàn)逐層堆積制造，可制備具有任意形狀的零件[1-3]。多孔材料具有相對(duì)密度低、比強(qiáng)度高、比表面積大、質(zhì)量輕、隔音、隔熱、滲透性好等優(yōu)點(diǎn);極小曲面具有平均曲率處處為零的獨(dú)特特性，其表面光順、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。采用極小曲面與多孔結(jié)構(gòu)復(fù)合，使得材料具有更大的比表面積及更高的比強(qiáng)度，特別適用于人體組織工程,并能夠表現(xiàn)出更加優(yōu)良的滲透性和吸附性，因此研究極小曲面多孔結(jié)構(gòu)材料對(duì)于其在人體組織工程方面的應(yīng)用具有積極的指導(dǎo)意義[4-6]。

極小曲面多孔結(jié)構(gòu)具有高度的空間扭曲性,很難采用傳統(tǒng)三維特征驅(qū)動(dòng)繪制方法繪制模型，因而制備困難。本研究利用極小曲面的空間幾何數(shù)學(xué)模型,通過(guò)多個(gè)軟件參數(shù)化方式生成幾何三維模型，并采用電子束增材制造方式制備具有復(fù)雜外形的極小曲面多孔鈦合金樣品。期望實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠?qū)Χ嗫租伜辖鸬闹苽涔に嚭蛻?yīng)用推廣提供數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 極小曲面多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的極小曲面有Gyroid曲面、Primitive曲面、Diamond曲面，每種曲面均有各自的數(shù)學(xué)隱函數(shù)表達(dá)式。實(shí)驗(yàn)選用Gyroid曲面結(jié)構(gòu)作為打印模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

f(x,y,z)=sin(x)cos(y)+sin(y)cos(z)

+sin(z)cos(x)=0

由于隱函數(shù)難以用SolidWorks和CATIA等工業(yè)實(shí)體三維繪圖軟件繪制，而Rhino軟件可在Windows系統(tǒng)環(huán)境中建立、編輯和分析，可轉(zhuǎn)換成NURBS曲線、曲面和實(shí)體，而且不受模型復(fù)雜度、階數(shù)以及尺寸的限制，同時(shí)支持多邊形網(wǎng)格和點(diǎn)云輸出。因此，實(shí)驗(yàn)采用Rhino軟件為設(shè)計(jì)主體工具，并配合Grasshopper插件進(jìn)行極小曲面的數(shù)學(xué)算法參數(shù)化生成。Grasshopper插件是一款在Rhino環(huán)境下運(yùn)行的插件，采用程序算法生成參數(shù)化模型。與傳統(tǒng)建模工具相比，該插件的最大特點(diǎn)是可以向計(jì)算機(jī)下達(dá)更加高級(jí)復(fù)雜的邏輯建模指令，使計(jì)算機(jī)根據(jù)擬定的算法自動(dòng)生成模型結(jié)果。通過(guò)該模型的建模算法指令生成Gyroid極小曲面模型的步驟為：①在Rhino軟件里打開(kāi)提前安裝好的Grasshopper極小曲面繪制插件，設(shè)置極小曲面整體結(jié)構(gòu)尺寸為20 mm×20 mm×20 mm；②選擇菜單欄math下的函數(shù)運(yùn)算器，將之前提到的數(shù)學(xué)公式輸入到函數(shù)編輯端，建立邏輯建模指令；③通過(guò)調(diào)整極小曲面函數(shù)圖像控制參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)模型形狀；④將生成的模型導(dǎo)出為3D打印通用的STL格式模型并保存。圖1為Rhino建模軟件界面及Grasshopper插件生成的Gyroid曲面模型。

圖1 Rhino建模軟件界面及Grasshopper插件生成的Gyroid曲面模型

采用Materialise 公司基于數(shù)字化CAD的工程軟件3-matic進(jìn)行極小曲面的多孔化處理。該軟件可以方便的處理STL格式三角面片描述的空間幾何模型,并可以進(jìn)行零件模型的輕量化和多孔化處理，是3D打印設(shè)計(jì)常用的拓?fù)鋬?yōu)化軟件。在3-matic軟件中對(duì)Gyroid曲面進(jìn)行多孔化拓?fù)涮幚?，生成不同表觀密度的極小曲面多孔模型，如圖2所示。模型外廓尺寸均為20 mm×20 mm×20 mm，通過(guò)三維軟件直接讀取每個(gè)模型的質(zhì)量，從而計(jì)算出極小曲面多孔結(jié)構(gòu)材料的理論表觀密度，從小到大依次為0.14、0.36、0.53、0.74 g/cm3。

圖2 不同表觀密度的極小曲面多孔模型

1.2 原料

實(shí)驗(yàn)原料為氣霧化法制備的球形TC4鈦合金粉末，其密度為4.43 g/cm3。表1是該粉末的化學(xué)成分，其性能滿足增材制造粉末標(biāo)準(zhǔn)ASTM F1108。圖3為T(mén)C4鈦合金粉末形貌及其粒度分布圖。該粉末呈球形，表面光滑，并伴有少量的衛(wèi)星粉，粉末粒徑≤106 μm。

表1 TC4鈦合金粉末的化學(xué)成分(w/%)

圖3 TC4鈦合金粉末形貌及其粒度分布圖

1.3 設(shè)備及工藝

采用西安賽隆金屬材料有限責(zé)任公司研制的 Sailong-S2型電子束3D打印設(shè)備進(jìn)行極小曲面多孔TC4鈦合金成形。該設(shè)備電子束束斑直徑≤0.2 mm，最大掃描速度為8 000 m/s，最大成形尺寸為200 mm×200 mm×240 mm，成形尺寸精度為±0.3 mm。采用的成形工藝參數(shù)為：模型切層厚度50 μm，底板預(yù)熱溫度750 ℃，預(yù)熱電流22 mA，預(yù)熱電子束掃描速度(15～20)×103mm/s，熔化電流為12 mA，熔化電子束掃描速度7.2×103mm/s。

成形過(guò)程分為軟件處理和硬件處理兩部分，工藝流程如圖4所示。軟件處理部分包括用三維CAD建模軟件進(jìn)行樣品模型繪制，Mgaics軟件來(lái)擺放模型并添加支撐，以及用Build Assembler軟件對(duì)模型進(jìn)行分層處理。硬件處理部分主要包括成形底板的調(diào)平、抽真空、設(shè)置控制參數(shù)、調(diào)節(jié)電子束定位精度、底板預(yù)熱，以及鋪粉熔化凝固成形。

圖4 電子束3D打印成形工藝流程圖

3D打印試樣采用VPS-50真空燒結(jié)爐進(jìn)行退火處理，退火工藝為:以10 ℃/min的升溫速率升溫至1 000 ℃，保溫2 h，隨爐冷卻至室溫。

1.4 樣品表征

采用干質(zhì)量測(cè)量法測(cè)量電子束3D打印得到的極小曲面多孔TC4鈦合金樣品的密度。將沉積態(tài)試樣與熱處理試樣進(jìn)行打磨、拋光、腐蝕，并在金相顯微鏡下觀察其顯微組織。采用Instron5967電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)電子束3D打印試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，加載方式為恒位移加載，加載速度為0.5 mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌與表觀密度

圖5為電子束3D打印制備的不同表觀密度的極小曲面多孔鈦合金試樣的宏觀形貌。由圖5可以看出，隨著表觀密度的增加，3D打印試樣的孔隙逐漸變小。表2為極小曲面多孔試樣的表觀密度測(cè)量結(jié)果。從表2可以看出，試樣的表觀密度與理論表觀密度存在一定偏差，相對(duì)于理論表觀密度，偏差范圍在+0.00～+0.14 g/cm3之間，且隨著表觀密度的增加，偏差逐漸減少，表觀密度達(dá)到0.74 g/cm3時(shí)，與理論表觀密度達(dá)到一致，偏差為0。試樣表觀密度與理論值出現(xiàn)偏差的主要原因有：在試樣制備過(guò)程中,由于設(shè)備的打印精度為±0.3 mm,樣品尺寸在0.6 mm以上可保證一定的打印精度，而設(shè)計(jì)的1#試樣到4#試樣的桿徑尺寸從0.3 mm到0.8 mm逐漸增加，桿徑越小，與最小可打印尺寸的差越大，從而導(dǎo)致表觀密度的偏差增大；試樣在加工過(guò)程中出現(xiàn)的粘粉、過(guò)熔等情況,使打印試樣與設(shè)計(jì)試樣存在質(zhì)量偏差，也會(huì)導(dǎo)致表觀密度出現(xiàn)偏差。

圖5 電子束3D打印極小曲面多孔TC4鈦合金試樣宏觀形貌

表2 極小曲面多孔TC4鈦合金試樣的理論表觀密度與表觀密度測(cè)量值(g/cm3)

2.2 微觀組織

圖6為沉積態(tài)和退火態(tài)極小曲面多孔鈦合金試樣沿沉積方向(Z軸)的金相照片。從圖6a可以看出，沉積態(tài)組織主要為β柱狀晶，沿沉積方向分布有明顯可見(jiàn)的晶界。在柱狀β晶內(nèi)，充滿了非常細(xì)小的垂直正交或斜交取向的針狀馬氏體α′相與α+β片層，如圖6b所示。沿沉積方向形成粗大β柱狀晶的主要原因是由于電子束熔化后的合金粉末，在沿著極小曲面的面沉積方向上產(chǎn)生了遠(yuǎn)大于周?chē)渌较虻臏囟忍荻?，使晶粒呈柱狀晶生長(zhǎng)。在SEBM成形過(guò)程中，粉末從熔化到凝固是一個(gè)微熔池的瞬時(shí)液固相變過(guò)程,瞬時(shí)溫度從約1 900 ℃下降到700 ℃左右，冷卻速率在103～105℃/s之間，遠(yuǎn)大于Ti6Al4V合金中馬氏體形成的臨界冷卻速率410 ℃/s，因此β相轉(zhuǎn)變成了馬氏體α′相[7-9]。在循環(huán)預(yù)熱作用下，粉床溫度始終保持在750 ℃左右，靠近熔化層的粉層溫度更高，在800～900 ℃之間，在此高溫下亞穩(wěn)態(tài)的細(xì)針狀馬氏體發(fā)生分解，形成細(xì)長(zhǎng)片狀α相和粗短片狀α相，因此柱狀晶內(nèi)部形成了α+β相[10]。

圖6 沉積態(tài)與退火態(tài)極小曲面多孔TC4鈦合金試樣的金相照片

從圖6c、d可以看出，經(jīng)過(guò)1 000 ℃×2 h/FC退火熱處理后，極小曲面多孔鈦合金粗大的原始β柱狀晶內(nèi)部析出細(xì)長(zhǎng)片α相，形成不同位相的集束，并在原始β柱狀晶內(nèi)部連續(xù)析出，組織轉(zhuǎn)變?yōu)槲菏辖M織。

2.3 壓縮性能

圖7為分別在沉積態(tài)和熱處理態(tài)下不同表觀密度的極小曲面多孔鈦合金試樣的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖7可見(jiàn)，所有壓縮試樣在結(jié)構(gòu)受壓破壞之前主要經(jīng)歷3個(gè)階段：彈性階段、屈服階段和平臺(tái)階段。試樣在初始?jí)嚎s階段，隨著應(yīng)變量的增大，應(yīng)力急劇增長(zhǎng)，應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系；當(dāng)應(yīng)變?cè)鲋链蠹s3%以后，應(yīng)力繼續(xù)增長(zhǎng)，增長(zhǎng)趨勢(shì)為非線性，當(dāng)應(yīng)變?cè)鲋?%～9%時(shí)，壓縮應(yīng)力值達(dá)到最大值；之后隨著應(yīng)變值的繼續(xù)增大，試樣被壓潰，應(yīng)力呈明顯的下降趨勢(shì)，在應(yīng)變值超過(guò)25%以后，隨著應(yīng)變的繼續(xù)增大，應(yīng)力基本保持不變，進(jìn)入了平臺(tái)階段。隨著表觀密度的增大，壓縮曲線逐漸上移，初始屈服強(qiáng)度和彈性模量均逐漸增大，沉積態(tài)試樣抗壓強(qiáng)度分別為6.07、21.23、34.58、49.33 MPa。試樣熱處理后的彈性模量與沉積態(tài)相比變化不大，抗壓強(qiáng)度除密度在0.48 g/cm3時(shí)略有降低外，其他均有所提高；在達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度之前，所有熱處理試樣的延展性都有一定提高，尤其是低表觀密度試樣的延展性提高比較明顯。這是因?yàn)闊崽幚砗?，α′相分解為?β相，且α+β條狀組織變粗，增加了延展性。

圖7 極小曲面多孔TC4鈦合金試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 結(jié) 論

(1)采用Rhino建模軟件為設(shè)計(jì)主體，并配合Grasshopper插件的程序算法可參數(shù)化生成極小曲面模型；再采用3-matic軟件進(jìn)行多孔化處理，可建立極小曲面多孔材料模型。

(2)采用電子束3D打印可制備出極小曲面多孔TC4鈦合金，其表觀密度從0.28 g/cm3提高到0.74 g/cm3。實(shí)際打印試樣的表觀密度與設(shè)計(jì)試樣的理論表觀密度偏差≤0.14 g/cm3，且隨著試樣表觀密度的增加，偏差逐漸趨于0。

(3)電子束3D打印制備的極小曲面多孔TC4鈦合金沉積態(tài)組織主要由β柱狀晶組成，經(jīng)1 000 ℃×2 h/FC退火處理后，其組織轉(zhuǎn)變?yōu)槲菏辖M織。

(4)隨著表觀密度的增大，電子束3D打印極小曲面多孔結(jié)構(gòu)鈦合金的抗壓縮強(qiáng)度增加，壓縮曲線逐漸上移，初始屈服強(qiáng)度和彈性模量均逐漸增大。