TC4鈦合金粉末與SLM工藝參數(shù)匹配性研究

李永華，梁祖磊，2，孫中剛，2，陳小龍，2

（1南京尚吉增材制造研究院有限公司 江蘇 南京 210038）

（2南京工業(yè)大學(xué) 江蘇 南京 211816）

0 引言

激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）是發(fā)展起來(lái)最具代表性的粉末床熔融技術(shù)，該技術(shù)利用高能量激光束根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)逐層選擇性熔化金屬粉末，通過(guò)逐層鋪粉，逐層熔化凝固堆積的方式制造三維實(shí)體零件。激光選區(qū)熔化有很多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，適用于復(fù)雜零部件生產(chǎn)，一體化成型，并可優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，減輕重量。在計(jì)算機(jī)上完成模型數(shù)據(jù)處理以后，無(wú)需模具，直接制造成型，因此個(gè)性化定制將變得十分方便，并極大縮減研發(fā)周期。鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、良好的耐腐蝕性和生物相容性，廣泛應(yīng)用在化工、航空航天、生物等領(lǐng)域[1-4]。然而鈦合金的熔點(diǎn)高、活性高、變形抗力大、切削困難等特性導(dǎo)致鈦合金零件加工困難，成本高昂。有研究證明，激光選區(qū)熔化TC4鈦合金具有細(xì)小的微觀結(jié)構(gòu)、更高的強(qiáng)度和略差的塑性，可直接近凈成形為復(fù)雜構(gòu)件[5-6]。激光選區(qū)熔化的工藝參數(shù)直接影響成型構(gòu)件的氣孔率，氣孔的增多會(huì)導(dǎo)致成型構(gòu)件迅速惡化，尤其是疲勞性能[7]，因此工藝參數(shù)選擇的正確與否顯得非常重要。其中，激光功率、激光掃描速度、激光掃描間距和分層厚度直接影響著金屬粉末的熔化、凝固與冶金結(jié)合，是影響成型構(gòu)件氣孔率的最主要參數(shù)。本文工作目的在于不改變鋪粉厚度（0.03 mm）的前提下，研究激光功率、掃描速度、掃描間距對(duì)激光選區(qū)熔化TC4鈦合金致密度的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法和過(guò)程

1.1 TC4鈦合金粉末

實(shí)驗(yàn)使用的TC4鈦合金粉末是通過(guò)EIGA氣霧化法制備，粒度分布見(jiàn)表1，元素成分見(jiàn)表2，粉末形貌見(jiàn)圖1。

表1 TC4鈦合金粉末粒度分布 單位：μmTable 1 Particle size distribution of TC4 alloy powder

表2 TC4鈦合金粉末元素成分 單位：wt%Table 2 Element composition of TC4 titanium alloy powder

1.2 制樣過(guò)程

工藝實(shí)驗(yàn)在北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司開(kāi)發(fā)的AFS-M260設(shè)備上進(jìn)行，原理見(jiàn)圖2[8]?；宀牧蠟門(mén)C4鈦合金，實(shí)驗(yàn)前把基板打磨平整，然后用濕式噴砂機(jī)去除表面油污并處理至磨砂效果。隨后將基板安裝至設(shè)備上，關(guān)閉艙門(mén)洗氣，另外艙內(nèi)氧含量降低至0.1%以下，基板預(yù)熱至100 ℃。導(dǎo)入10×10×10 mm樣塊三維模型，設(shè)置工藝參數(shù)，掃描策略選擇5 mm寬的條帶掃描，最后開(kāi)始制備工藝樣塊。

1.3 工藝參數(shù)

鋪粉厚度設(shè)定為0.03 mm，設(shè)備激光斑點(diǎn)直徑為0.07 mm。設(shè)置激光功率為175 W、200 W、225 W、250 W和275 W，設(shè)置掃描速度為800 mm/s、900 mm/s、1 000 mm/s、1 100 mm/s和1 200 mm/s，設(shè)置掃描間距為0.10 mm、0.11 mm、0.12 mm、0.13 mm和0.14 mm。為減少實(shí)驗(yàn)量，本次工作采用正交實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行，具體工藝組合見(jiàn)表3或表4。

1.4 磨拋金相

用線切割機(jī)將工藝樣塊切割下來(lái)，砂紙打磨，并拋光直至鏡面效果。在金相顯微鏡下放大50倍檢查磨拋孔隙。

1.5 致密度計(jì)算

利用Photoshop軟件統(tǒng)計(jì)孔隙像素?cái)?shù)量和像素總數(shù)量，并通過(guò)計(jì)算孔隙像素和像素總數(shù)量的比值來(lái)統(tǒng)計(jì)工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)的致密度，方法如下：選擇孔隙最多、孔徑最大的磨拋照片；利用“窗口”→“直方圖”命令查看金相照片像素總數(shù)量；利用“選擇”→“色彩范圍”命令選擇孔隙區(qū)域（黑色區(qū)域），其中“顏色容差”設(shè)置為200，查看孔隙像素?cái)?shù)量；如果金相照片內(nèi)沒(méi)有超過(guò)50 μm的孔隙（黑色區(qū)域），則認(rèn)為該工藝的致密度為100%，不需要再進(jìn)行步驟2和步驟3的像素統(tǒng)計(jì)。

致密度計(jì)算公式如下：

需要注意，上述方法計(jì)算的是金相平面內(nèi)孔隙最多、孔徑最大的局部區(qū)域的致密度，不能代表整體致密度，而且利用Photoshop軟件進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)數(shù)值只適用于本次工作，不建議與其他科研人員的工藝研發(fā)工作進(jìn)行對(duì)比。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

每個(gè)工藝下，孔隙最多、孔徑最大區(qū)域的磨拋面見(jiàn)表3，孔隙率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表3 激光選區(qū)熔化TC4鈦合金拋光面照片Table 3 Photos of polished surface of TC4 titanium alloy melted by SLM

表4 激光選區(qū)熔化TC4鈦合金致密度統(tǒng)計(jì)Table 4 Density statistics of SLM TC4 titanium alloy

2.2 均值及極差計(jì)算

為便于計(jì)算和分析，將各工藝的致密度分別按照序號(hào)標(biāo)記為ρ1、ρ2、ρ3…，計(jì)算每個(gè)工藝參數(shù)下致密度均值，公式（2）為示例：激光功率175W對(duì)應(yīng)的致密度均值。

按照上述方法計(jì)算的激光功率對(duì)應(yīng)致密度均值見(jiàn)表5，掃描速度對(duì)應(yīng)致密度均值見(jiàn)表6，掃描間距對(duì)應(yīng)致密度均值見(jiàn)表7。利用表5、表6、表7數(shù)據(jù)計(jì)算各工藝因素對(duì)應(yīng)的極差，即：

表5 激光功率對(duì)激光選區(qū)熔化TC4合金致密度的影響Table5 Influence of laser power on TC4 alloy density in SLM

表6 激光掃描速度對(duì)激光選區(qū)熔化TC4合金致密度的影響Table6 Influence of laser scanning speeds on TC4 alloy density in SLM

表7 掃描間距對(duì)激光選區(qū)熔化TC4致密度的影響Table7 Influence of laser scan interval on TC4 alloy density in SLM

2.3 均值分析

直觀起見(jiàn)，將工藝參數(shù)對(duì)激光選區(qū)熔化TC4致密度的影響繪制成圖，見(jiàn)圖3～5。

2.3.1 激光功率對(duì)致密度的影響

如圖3所示，激光功率對(duì)致密度影響較大，隨著激光功率的增加，致密度逐漸增加，但超過(guò)臨界值后，致密度緩慢降低，激光功率過(guò)低，熱輸入低，會(huì)出現(xiàn)熔化不完全的現(xiàn)象，過(guò)高會(huì)造成鈦合金的合金元素?zé)龘p以及過(guò)燒和晶粒粗大等問(wèn)題，這也與已有文獻(xiàn)結(jié)論一致[9-10]。

2.3.2 掃描速度對(duì)致密度的影響

如圖4所示，掃描速度為800～1 100 mm/s條件下，鈦合金的致密度處于相對(duì)較高的水平，但超過(guò)1 100 mm/s后，致密度快速降低。這主要原因：一方面掃描速度的增加會(huì)使激光的體能量密度降低，導(dǎo)致打印過(guò)程中未熔顆粒增多；另一方面則會(huì)拉長(zhǎng)熔池，甚至分離形成一串球形液滴[11-12]，這些球形液滴在潤(rùn)濕不良或溫度偏低時(shí)會(huì)凝固導(dǎo)致球化現(xiàn)象，從而影響致密度。

2.3.3 掃描間距對(duì)致密度的影響

如圖5所示，掃描間距在0.10～0.13 mm時(shí)致密度大小幾乎相等，但當(dāng)掃描間距為0.14 mm時(shí)致密度明顯較小，這可能主要是由于熔道之間距離過(guò)大，相鄰熔道接觸不完全，掃描線相鄰區(qū)域粉末熔合較差，易出現(xiàn)表面球化現(xiàn)象。球化現(xiàn)象會(huì)使合金中形成孔洞缺陷，導(dǎo)致其致密度下降、表面粗糙度增大，從而影響其性能[13-15]。

2.4 極差分析

通過(guò)極差分析可以看出，對(duì)于激光選區(qū)熔化TC4鈦合金，激光功率對(duì)致密度的影響最大，其次為掃描速度，掃描間距影響最小。值得注意的是，如果只考慮掃描間距為0.10～0.13 mm的情況，掃描間距的極差僅為0.04，幾乎對(duì)致密度不產(chǎn)生影響。因此，選擇合適的激光功率和掃描速度對(duì)于激光選區(qū)熔化TC4鈦合金至關(guān)重要。

3 結(jié)論

本文通過(guò)正交工藝實(shí)驗(yàn)就激光功率、掃描速度、掃描間距對(duì)激光選區(qū)熔化TC4鈦合金致密度的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)論如下。

（1）激光功率對(duì)TC4鈦合金致密度影響最大，掃描速度次之，掃描間距影響最小。

（2）適當(dāng)增加激光功率、減小掃描速度可以提高TC4鈦合金致密度；掃描間距在一定范圍內(nèi)時(shí)，其對(duì)致密度的影響可以忽略不計(jì)。

（3）當(dāng)鋪粉厚度為0.03 mm、激光斑點(diǎn)直徑為0.07 mm時(shí)，建議將激光功率控制在225～250 W，掃描速度控制在800～1 000 mm/s，掃描間距控制在0.10～0.13 mm。