工藝參數(shù)對激光選區(qū)熔化成形TA32鈦合金成形質(zhì)量及硬度的影響

冉江濤，姜風(fēng)春，陳 卓，趙 鴻，

(1.哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150001；3.航天海鷹哈爾濱鈦業(yè)有限公司，哈爾濱 150001)

0 引 言

激光選區(qū)熔化(SLM)技術(shù)是一種以激光為熱源，基于離散堆積原理層層堆積，近凈成形的金屬增材制造技術(shù)，尤其適用于直接制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、模具制造等領(lǐng)域[1-3]。預(yù)熱溫度、保護(hù)氣體純度、鋪粉厚度、激光功率、掃描速度、掃描間距等工藝參數(shù)都會影響SLM成形件的成形質(zhì)量和力學(xué)性能，其中鋪粉厚度、激光功率、掃描速度和掃描間距等工藝參數(shù)的影響更為顯著[4-11]。將激光功率與掃描速度、掃描間距、鋪粉厚度3者乘積的比值定義為SLM成形的能量密度[12]。卓林蓉等[13]研究發(fā)現(xiàn)，隨著能量密度的增加，SLM成形銅基形狀記憶合金的相對密度先增大后減小。于彥東等[14]研究發(fā)現(xiàn)，激光功率和掃描速度對SLM成形Inconel 718合金相對密度的影響高于能量密度的影響。

TA32鈦合金是一種新型近α型高溫鈦合金，其長時服役溫度可達(dá)550 ℃，短時服役溫度可達(dá)600 ℃，具有良好的拉伸、疲勞、蠕變等性能，可用于生產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)高壓端的葉片、壓氣機(jī)盤和鼓筒等零件[15]。航空航天零部件的典型特點(diǎn)是形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用傳統(tǒng)制造技術(shù)常常受到刀具和模具形狀的限制，且易造成原料浪費(fèi)。因此，近凈成形SLM技術(shù)在航空航天領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，關(guān)于TA32鈦合金的研究主要集中在顯微組織、流變性、超塑性及拉伸變形行為方面[16-18]，關(guān)于工藝參數(shù)對SLM成形TA32鈦合金的成形質(zhì)量與力學(xué)性能的影響研究鮮有報道。因此，作者采用SLM技術(shù)，在鋪粉厚度為50 μm的條件下成形TA32鈦合金，采用單因素試驗(yàn)法研究了激光功率P、掃描速度v、掃描間距L和能量密度對成形質(zhì)量及硬度的影響規(guī)律，為后續(xù)工藝優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

采用航天海鷹(哈爾濱)鈦業(yè)有限公司生產(chǎn)研制的氣霧化TA32鈦合金粉末，松裝密度為2.1 g·cm-3，霍爾流速(50 g計(jì))為60 s。 TA32鈦合金粉末的微觀形貌如圖1所示，可以看出粉末球形度良好，表面黏附的衛(wèi)星球粉末顆粒較少。TA32鈦合金粉末的粒徑近似服從正態(tài)分布，平均粒徑為36 μm。TA32鈦合金粉末的化學(xué)成分如表1所示，滿足GB/T 3620.1-2016的規(guī)定，且具有低雜質(zhì)含量特征。

圖1 TA32鈦合金粉末的SEM形貌

表1 TA32鈦合金粉末的化學(xué)成分

采用FS271M型SLM設(shè)備成形TA32鈦合金試樣，成形過程中充入氬氣使成形腔內(nèi)含氧量體積分?jǐn)?shù)小于0.02%，鋪粉厚度為50 μm。經(jīng)前期大量試驗(yàn)以及可靠性分析確定如表2所示的工藝參數(shù)，試樣尺寸均為10 mm×10 mm×10 mm。SLM成形結(jié)束后，采用線切割方法將所有試樣與基板分離，不做任何后處理。

表2 SLM成形TA32鈦合金的工藝參數(shù)

根據(jù)阿基米德原理，采用排水法測試TA32鈦合金試樣的體積密度[5]，測3次取平均值。將鈦合金試樣的實(shí)際密度除以其理論密度(4.6 g·cm-3)得到相對密度。采用VHX-1000型超景深顯微鏡觀察試樣的表面形貌。采用SJ-410型表面粗糙度測量儀測試試樣的表面粗糙度，每個試樣測3次取平均值。采用Bruker D8型高級X射線衍射儀測量SLM成形TA32鈦合金試樣的物相組成，采用銅靶，Kα射線，管電壓為40 kV，管電流為40 mA，掃描范圍為20°～80°。采用線切割在鈦合金試樣上截取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣，表面經(jīng)磨拋，用克羅爾試劑(HF、HNO3、H2O體積比為1…3…7)腐蝕后，采用DMI 5000 M型光學(xué)顯微鏡觀察試樣的顯微組織。采用TMVS-1S型數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)測量試樣的維氏硬度，加載載荷為9.8 N，加載時間為15 s，每個試樣測5次取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 典型形貌、顯微組織與物相組成

沿成形方向，不同工藝參數(shù)SLM成形TA32鈦合金試樣的微觀形貌相似，均如圖2所示，表現(xiàn)出典型的魚鱗紋特征，魚鱗紋相互搭接。形成這種形貌與采用的能量源有關(guān)，激光束為圓形高能熱源，其中間部分的激光能量密度高，而邊緣部位的激光能量密度較低，因此在一個熔道中，中間部分的粉末熔化得比兩邊多，使得凝固后熔道呈魚鱗狀的半圓形結(jié)構(gòu)[19]。不同工藝參數(shù)SLM成形TA32鈦合金試樣中存在因熔化不完全而產(chǎn)生的孔洞缺陷，缺陷尺寸較小，形狀不規(guī)則。

圖2 不同工藝參數(shù)SLM成形TA32鈦合金試樣的典型形貌

不同工藝參數(shù)SLM成形TA32鈦合金試樣的顯微組織均相似，以P=400 W,v=1 000 mm·s-1,L=90 μm條件下的為例進(jìn)行分析。由圖3可知，TA32鈦合金試樣的顯微組織主要由原始柱狀β晶內(nèi)的針狀α′馬氏體相組成。在SLM成形過程中，激光作用于TA32鈦合金粉末使其迅速熔化，同時產(chǎn)生微小熔池，激光束離開熔池后，熔池快速冷卻，其冷卻速率達(dá)到形成馬氏體的冷卻速率，因此在合金內(nèi)形成了大量的α′馬氏體。

圖3 SLM成形TA32鈦合金試樣的顯微組織(P=400 W，v=1 000 mm·s-1，L=90 μm)

所有試樣的XRD譜均十分相似，且未觀察到新相生成，如圖4所示。結(jié)合顯微組織可以看出，SLM成形TA32鈦合金試樣均主要由α′馬氏體組成，未觀察到明顯的β相峰，說明SLM成形過程中原始柱狀β相已完全轉(zhuǎn)化為α′馬氏體。

圖4 SLM成形TA32鈦合金試樣的XRD譜

2.2 工藝參數(shù)對表面質(zhì)量的影響

由圖5可知:隨著掃描速度提高，試樣頂面的表面粗糙度Ra均呈先減小后增大的趨勢，表明過低或過高的掃描速度都不利于獲得表面質(zhì)量較好的試樣；相同激光功率和掃描速度下，掃描間距較大試樣的表面粗糙度明顯較小。由圖6可以看出，隨著掃描速度提高，試樣表面形貌先變平整后又變得凹凸不平，在掃描速度為1 100 mm·s-1時表面最為光滑平整。掃描速度過低時，激光作用于粉末的時間延長，熔池不斷受到激光束的沖擊作用而產(chǎn)生劇烈震蕩，導(dǎo)致凝固后試樣表面呈高低起伏的形貌，因此表面粗糙度較大。另外，掃描速度過低使得粉末在單位時間內(nèi)吸收的能量過多從而產(chǎn)生過燒現(xiàn)象，導(dǎo)致成形表面較為粗糙[20]。掃描速度過高，激光作用于粉末的時間極短，產(chǎn)生的熔池較淺，熔體來不及均勻鋪展就已經(jīng)凝固，凝固后試樣表面凹凸起伏，部分區(qū)域因存在未熔粉末而出現(xiàn)鼓包，因此表面粗糙度較大。

圖5 掃描速度對SLM成形TA32鈦合金試樣表面粗糙度的影響

圖6 不同掃描速度下SLM成形TA32合金試樣的表面形貌(P=350 W，L=120 μm)

由圖7可知，隨著掃描間距增大，試樣頂面的表面粗糙度均呈先減小后增加的趨勢，這表明掃描間距過小或過大，都不利于獲得表面質(zhì)量較好的試樣。由圖8可以看出，隨著掃描間距增大，試樣的表面形貌先由溝壑狀變得平整，后又呈凹凸不平狀，在掃描間距為110 μm時，表面質(zhì)量最好。掃描間距過小，相鄰掃描線存在重疊區(qū)域，處于重疊區(qū)域的粉末被激光束反復(fù)熔化，造成一定程度的過熔，從而導(dǎo)致凝固后表面表現(xiàn)為溝壑狀形貌，表面粗糙度較大。掃描間距過大，相鄰掃描線重疊區(qū)域很小，甚至完全不重疊，兩條掃描線之間的區(qū)域輸入的激光能量較低，粉末熔化不充分并產(chǎn)生球化現(xiàn)象，凝固后在表面形成一道凸起的掃描線，表面質(zhì)量差。

圖7 掃描間距對SLM成形TA32鈦合金試樣表面粗糙度的影響

圖8 不同掃描間距下SLM成形TA32鈦合金試樣的表面形貌(P=300 W，v=1 100 mm·s-1)

由圖9可知:隨著激光功率增加，試樣頂面的表面粗糙度呈先減小后增大的趨勢，這表明過低或過高的激光功率都不利于獲得表面質(zhì)量較好的試樣。由圖10可以看出，隨著激光功率增加，試樣的表面形貌先變平整后又變得凹凸不平，在激光功率為300 W時，表面質(zhì)量最好。激光功率過低，輸入的能量不足，產(chǎn)生的熔池較淺，熔體流動不充分，在凝固之前不能充分鋪展，因此凝固后表面部分區(qū)域出現(xiàn)鼓包，表面粗糙度較大。激光功率過高，粉末熔化后熔池溫度急劇升高，易揮發(fā)元素發(fā)生氣化現(xiàn)象，從熔池中逸出，同時氣化產(chǎn)生的反沖壓力對熔池產(chǎn)生沖擊和攪拌作用，使得熔池表面不平整，因此凝固后部分區(qū)域出現(xiàn)鼓包，部分區(qū)域出現(xiàn)凹坑，表面質(zhì)量較差。

圖9 激光功率對SLM成形TA32鈦合金試樣表面粗糙度的影響

圖10 不同激光功率下SLM成形TA32鈦合金試樣的表面形貌(v=1 000 mm·s-1，L=90 μm)

2.3 工藝參數(shù)對相對密度的影響

由圖11可知，隨著掃描速度提高，SLM成形TA32鈦合金試樣的相對密度逐漸減小。由圖12可以看出，試樣表面的孔洞等缺陷隨掃描速度增高而增多。掃描速度越快，激光作用于TA32鈦合金粉末的時間越短，粉末熔化不充分。未完全熔化的粉末發(fā)生燒結(jié)作用，相互黏結(jié)在一起，相鄰粉末顆粒間存在空隙，因此成形試樣的相對密度降低。

圖11 掃描速度對SLM成形TA32鈦合金試樣相對密度的影響

圖12 不同掃描速度下SLM成形TA32鈦合金試樣的微觀形貌(P=350 W，L=120 μm)

由圖13可知，隨著掃描間距增大，試樣的相對密度呈先減小后增大的趨勢，掃描間距為90 μm時的相對密度最大，110 μm時最小。由圖14可知：采用110 μm 掃描間距成形的試樣拋光表面存在的缺陷數(shù)量最多，這表明110 μm 的掃描間距不利于獲得較為致密的試樣。掃描間距較大時會使得熔道之間無法充分搭接，熔道間隙的粉末吸收能量不足，無法潤濕固相，最終導(dǎo)致試樣的相對密度較低[19]。

圖13 掃描間距對SLM成形TA32鈦合金試樣相對密度的影響

圖14 不同掃描間距下SLM成形TA32鈦合金試樣的微觀形貌(P=300 W，v=1 100 mm·s-1)

由圖15可知，隨著激光功率增加，試樣相對密度呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)激光功率在250，300 W時相對密度相對較大。由圖16可以看出，當(dāng)激光功率為300 W時，試樣拋光表面存在的缺陷數(shù)量最少。激光功率較小時，粉末吸收的能量不足以熔化粉末，熔池窄而淺，且熔體黏度大，潤濕角大，容易引起球化現(xiàn)象，凝固后表面凹凸不平，存在較大孔隙，影響后續(xù)的鋪粉質(zhì)量，最終導(dǎo)致試樣相對密度減小[20]。激光功率過大時，周圍粉末熔化量增加，熔池變寬，且可能造成過燒[6]，因此試樣的相對密度減小。

圖15 激光功率對SLM成形TA32鈦合金試樣相對密度的影響

圖16 不同激光功率下SLM成形TA32鈦合金試樣的微觀形貌(v=1 000 mm·s-1，L=90 μm)

2.4 工藝參數(shù)對硬度的影響

由圖17可知：隨著掃描速度增加，TA32鈦合金試樣的維氏硬度逐漸降低，當(dāng)掃描速度過高時，單位面積粉末吸收能量過低導(dǎo)致尚未完全熔化，產(chǎn)生的液相較少，無法完全潤濕固相，材料內(nèi)部組織不致密且缺陷過多[6]，導(dǎo)致試樣硬度下降，但下降的幅值很?。浑S著掃描間距增加，TA32試樣的維氏硬度先降低后增加，當(dāng)掃描間距為110 μm時試樣的硬度最低，這與相對密度的變化一致；隨著激光功率增加，TA32試樣的維氏硬度呈先升高后降低的趨勢，在激光功率為300 W時維氏硬度最大，這是由于此時粉末熔化完全，熔體對已凝固層潤濕充分，層與層之間黏結(jié)良好，材料致密性好[19]。

圖17 工藝參數(shù)對SLM成形TA32鈦合金試樣維氏硬度的影響

2.5 能量密度對成形質(zhì)量及性能的影響

統(tǒng)計(jì)得到表面粗糙度、相對密度及維氏硬度與能量密度的關(guān)系如圖18所示，可以看出，試樣的表面粗糙度、相對密度及維氏硬度與激光能量密度并無明顯的函數(shù)關(guān)系；當(dāng)激光能量密度在45～75 J·mm-3范圍內(nèi)變化時，72%試樣頂面的表面粗糙度小于1.8 μm，80%試樣的相對密度大于98.9%，72%試樣的維氏硬度大于350 HV。這說明在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，45～75 J·mm-3的激光能量密度范圍較適用于成形TA32鈦合金。

圖18 SLM成形TA32鈦合金試樣的表面粗糙度、相對密度、維氏硬度與能量密度的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1) SLM成形TA32鈦合金試樣的表面均呈現(xiàn)典型的魚鱗紋特征，顯微組織主要由原始柱狀β晶內(nèi)的針狀α′馬氏體組成。

(2) 隨著掃描速度(800～1 200 mm·s-1)增加，SLM成形TA32鈦合金試樣的表面粗糙度先減小后增大，相對密度和維氏硬度均逐漸降低；隨著掃描間距(90～130 μm)增加，試樣的表面粗糙度先減小后增大，相對密度和維氏硬度均先降低后升高；隨著激光功率(200～400 W)增加，試樣的表面粗糙度先減小后增大，相對密度和維氏硬度均先升高后降低。

(3) 綜合考慮表面粗糙度、相對密度以及維氏硬度，在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，適用于TA32鈦合金SLM成形的能量密度范圍為45～75 J·mm-3。