等離子體電弧 3D 打印 Ti-6Al-4V 成形工藝與性能研究

代軼勵 吳息明 黃逸凡 喻學峰 康翼鴻

(中國科學院深圳先進技術(shù)研究院材料界面研究中心 深圳 518055)

1 引 言

鈦金屬及其合金材料，因密度低、比強度高和耐高溫性能優(yōu)良等優(yōu)點，自 20 世紀 50 年代以來，其逐漸成為航空航天領域關(guān)鍵構(gòu)件的主要成形材料[1]，2022 年交付的我國首款大飛機 C919的關(guān)鍵構(gòu)件中，鈦合金所占比例達 9% 以上[2]。目前，應用最廣泛的鈦合金為 Ti-6Al-4V 雙相(α＋β)鈦合金，其組織穩(wěn)定性好，具有良好的機加工性能，但還原性較強，在高溫環(huán)境中易與氧發(fā)生氧化反應[3]。此外，使用傳統(tǒng)的鑄、鍛、焊及機加工方式制造 Ti-6Al-4V 構(gòu)件的制造工藝與流程復雜，生產(chǎn)效率低，且傳統(tǒng)加工方式的低材料利用率，會大大增加構(gòu)件的制造成本[4]。

近年來，等離子體電弧 3D 打印技術(shù)成為發(fā)展迅速的零件制造技術(shù)之一，其通過等離子體電弧熔化金屬絲材或粉材，按照既定路徑進行層層堆積，可實現(xiàn)金屬構(gòu)件的直接成形[5]。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，等離子體電弧 3D 打印技術(shù)具有成形效率高、成形構(gòu)件組織性能均勻可控、可實現(xiàn)任意復雜構(gòu)件成形等優(yōu)點[6]。目前，等離子體電弧 3D 打印技術(shù)是實現(xiàn) Ti-6Al-4V 高效率、高質(zhì)量制造的有效方式。

近年來，大量國內(nèi)外學者和研究機構(gòu)開始著力于等離子體電弧 3D 打印鈦合金構(gòu)件的研究[7-10]。然而，等離子體電弧 3D 打印是一個往復堆積的過程，往復加熱會引發(fā)熱積累現(xiàn)象，使構(gòu)件表面形成“階梯效應”，大大降低了構(gòu)件的表面精度[11]；此外，等離子體電弧 3D 打印的小熔池中液態(tài)金屬冷卻速度極快，成形構(gòu)件內(nèi)部易產(chǎn)生粗大的柱狀晶組織[12-13]，降低了鈦合金構(gòu)件的強韌性。固液界面流動逆轉(zhuǎn)時，熔池殘留物形成的獨特偏析結(jié)構(gòu)也會影響構(gòu)件的力學性能[14]。因此，如何保證等離子體電弧 3D 打印鈦合金構(gòu)件的成形精度和力學性能是當前亟待解決的關(guān)鍵問題。

Wang 等[15]深入研究了等離子體電弧 3D 打印堆積電弧形貌與構(gòu)件成形質(zhì)量的關(guān)系；劉寧[16]通過正交試驗設計的方法，深入分析了等離子體電弧 3D 打印 Ti-6Al-4V 成形尺寸參數(shù)與工藝參數(shù)之間的關(guān)系模型；Mereddy 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，等離子體電弧 3D 打印的 Ti-6Al-4V 構(gòu)件內(nèi)部易形成粗大的柱狀晶組織，造成構(gòu)件的力學性能下降；Lin 等[18]深入研究了熱輸入量、熱循環(huán)參數(shù)對等離子體電弧 3D 打印 Ti-6Al-4V 構(gòu)件微觀組織和顯微硬度的影響規(guī)律，提出可通過改變工藝參數(shù)實現(xiàn)對組織性能的調(diào)控。由此可見，等離子體電弧 3D 打印工藝參數(shù)是影響 Ti-6Al-4V 成形質(zhì)量及力學性能的關(guān)鍵因素。

基于上述研究背景，本文深入研究了等離子體電弧 3D 打印工藝參數(shù)對堆積金屬的成形尺寸(熔寬、余高等)及形狀參數(shù)(潤濕角、圓弧半徑等)的影響，優(yōu)化得到最佳成形工藝參數(shù)；然后利用該參數(shù)進行單道多層、多道多層 Ti-6Al-4V長方體構(gòu)件的直接堆積，并對成形構(gòu)件的微觀組織、力學性能以及斷口形貌進行觀察和分析，為實現(xiàn)等離子體電弧 3D 打印高質(zhì)量、高性能 Ti-6Al-4V 構(gòu)件積累數(shù)據(jù)。

2 試驗裝備與方法

2.1 試驗裝備及材料

本試驗使用的裝備是以 LHM-315 等離子弧電源與 FSL80 三軸移動平臺為主的等離子體電弧3D 打印裝備系統(tǒng)(如圖 1 所示)。堆積成形的材料為直徑 1.0 mm 的 TC4 鈦合金絲材，堆積成形時的基板為軋制態(tài)的 TC4 鈦合金板，TC4 熔敷金屬以及基板的化學成分如表 1 所示。堆積成形時，后置保護氣裝置可對已成形部分進行保護，保護氣體為氬氣。

表1 Ti-6Al-4V 金屬絲材堆積金屬以及成形基板化學成分Table 1 Chemical composition of Ti-6Al-4V depositing metal and substrate

圖1 等離子電弧增材制造裝備系統(tǒng)Fig. 1 Plasma arc additive manufacturing equipment system

2.2 試驗方法

2.2.1 金相試樣制備與組織觀察

利用電火花線切割機沿堆積方向進行切取，得到用于微觀組織觀察的金相試樣；將金相試樣置于金相拋磨機上，利用 Si-C 水墨砂紙進行拋磨處理；磨樣完成后，利用金剛石液態(tài)拋光膏進行拋光處理，拋光膏粒度為 1.5 μm，拋光時間 3～5 min。拋光完成后，利用 Kroll 試劑(1%～3% HF，2%～6% HNO3，余量為無水乙醇)對鈦合金試樣進行金相腐蝕處理，腐蝕時間為 30～60 s，腐蝕完成后立即用大量清水清洗表面，并用無水乙醇進行擦拭后吹干。

金相試樣制備完成后，利用光學顯微鏡對鈦合金的微觀組織進行觀察和分析，利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡以及色散 X 射線光譜儀對鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)、斷口形貌以及化學成分進行觀察和測量。

2.2.2 尺寸參數(shù)與形狀參數(shù)測量

堆積完成后，利用電火花線切割機切取試樣，利用體式顯微鏡測量堆積金屬的尺寸參數(shù)與形狀參數(shù)，測量原理圖如圖 2 所示。其中，尺寸參數(shù)包括熔池寬度(W，mm)、熔池高度(H，mm)、熔池寬高比(R)；截面參數(shù)包括圓弧高度(Φ，°)、圓弧半徑(D，mm)、潤濕角(φ1和φ2，°)。在單一堆積試樣上截取 3 個位置進行測量后取平均值。

圖2 堆積金屬尺寸參數(shù)與截面參數(shù)測量原理圖Fig. 2 Schematic diagram of the shape and cross-section parameters measurement of the depositing metal

2.2.3 力學性能測量

為測量分析堆積成形構(gòu)件的力學性能，本實驗利用電火花線切割機在堆積成形試樣上切取拉伸試樣，拉伸試樣尺寸參考國標 GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗第 1 部分:室溫試驗方法標準》，拉伸試樣示意圖和相關(guān)尺寸如圖 3 所示。

圖3 拉伸試樣及相關(guān)尺寸參數(shù)Fig. 3 Tensile specimen and related size parameters

3 結(jié)果與討論

3.1 工藝參數(shù)對等離子體電弧 3D 打印 Ti-6Al-4V 成形質(zhì)量的影響

3.1.1 槍體移動速度的影響

圖 4 為不同槍體移動速度下堆積金屬的宏觀形貌。由圖 4 可知，在不同槍體移動速度下，堆積金屬的成形質(zhì)量均良好，無明顯缺陷。圖 5 為尺寸參數(shù)和截面參數(shù)的變化曲線圖。由圖 5 可知，隨著槍體移動速度的增加，堆積金屬的熔寬、熔高減小，而寬高比保持穩(wěn)定，波動值為±10%；在形狀參數(shù)方面，隨著槍體移動速度的增加，圓弧角度(Φ)由 106.78°增加至 124.75°，圓弧半徑(D)由 5.92 mm 減小至2.25 mm，潤濕角φ1與φ2的數(shù)值基本保持一致，且呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。究其原因是:當其他工藝參數(shù)一定時，隨著槍體移動速度的增加，單位時間內(nèi)、單位長度熔敷金屬的量減小，堆積金屬的熔高與熔寬同時減小，由于堆積電流并未變化，所以寬高比保持一定的穩(wěn)定性；此外，由于槍體移動速度增加，等離子體電弧的作用時間減小，使得堆積金屬與基板之間難以充分擴散，圓弧角度增加，圓弧直徑減小，潤濕角逐漸增大，截面形貌由平緩的圓弧逐漸向陡峭的圓弧轉(zhuǎn)變。

圖4 不同槍體移動速度下堆積金屬形貌Fig. 4 Macroscopic morphology of depositing metal under different moving speeds

圖5 槍體移動速度對堆積金屬尺寸參數(shù)與截面參數(shù)的影響Fig. 5 The influence of moving speed on the shape and cross-section parameters of the depositing metal

3.1.2 送絲速度的影響

圖 6 為不同送絲速度下堆積金屬的宏觀形貌照片。由圖 6 可知，在不同送絲速度下，堆積金屬的成形質(zhì)量均良好，無明顯缺陷。圖 7為相關(guān)參數(shù)隨送絲速度的改變而發(fā)生的變化趨勢，由圖 7 可知，當送絲速度低于 280 cm/min時，隨著送絲速度的增加，熔寬(W)增加，熔高(H)減小，寬高比(R)增加；當送絲速度高于280 cm/min 時，隨著送絲速度的增加，熔寬增加，熔高增加，寬高比趨于穩(wěn)定。究其原因是:隨著送絲速度的增加，單位時間內(nèi)熔敷金屬的量增加，熔寬增加。當送絲速度低于 280 cm/min時，單位時間內(nèi)絲材的送給量低于可熔化量，隨著送絲速度的增加，其熔高減小，寬高比增加；隨著送絲速度繼續(xù)增加，單位時間內(nèi)熔敷金屬的量增加，當單位時間內(nèi)絲材的送給量達到或超過可熔化量時，其熔高開始增加，寬高比趨于穩(wěn)定。

圖6 不同送絲速度下堆積金屬形貌Fig. 6 Macroscopic morphology of depositing metal under different wire feeding speeds

圖7 送絲速度對堆積金屬尺寸參數(shù)與截面參數(shù)的影響Fig. 7 The influence of wire feeding speed on the shape and cross-section parameters of the depositing metal

在形狀參數(shù)方面，當送絲速度低于 280 cm/min時，圓弧半徑(D)增加，圓弧角度(Φ)減小，潤濕角(φ)數(shù)值增加；當送絲速度高于 280 cm/min時，隨著送絲速度的增加，圓弧半徑先減小后趨于穩(wěn)定，圓弧角度則緩慢增加后趨于穩(wěn)定，潤濕角數(shù)值始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。其原因是:在其他參數(shù)一定的條件下，當送絲速度低于 280 cm/min時，單位時間內(nèi)送絲量低于熔化量，堆積金屬不能充分擴散，整體截面呈窄高形，隨著送絲速度增加，圓弧半徑增大，圓弧角度減小，整體界面趨于寬低形，潤濕角也隨之增加；當送絲速度高于280 cm/min 時，隨著送絲速度增加，單位時間內(nèi)熔敷量趨于穩(wěn)定，電弧作用時間一定的條件下，圓弧半徑先減小后趨于穩(wěn)定，圓弧角度則緩慢增加后趨于穩(wěn)定，潤濕角數(shù)值始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.1.3 峰值電流的影響

圖 8 為不同峰值電流條件下堆積金屬的宏觀照片，由圖 8 可知，在不同峰值電流下，堆積得到的鈦合金成形質(zhì)量均良好，無明顯缺陷。圖 9為不同峰值電流(Ip)條件下堆積金屬尺寸參數(shù)和界面參數(shù)的變化趨勢。由圖 9 可知，在其他工藝參數(shù)一定的條件下，當峰值電流由 230 A 增加至 310 A 時，堆積金屬的熔寬(W)增加，熔高(H)基本保持不變，寬高比(R)也隨之增加。究其原因是:隨著電流的增加，單位時間內(nèi)熔敷金屬的量增加，熔寬增加，然而電弧電壓并未發(fā)生變化，所以熔高基本保持不變，寬高比也就隨之增加。

圖8 不同峰值電流下堆積金屬形貌Fig. 8 Macroscopic morphology of depositing metal under different peak currents

圖9 峰值電流對堆積金屬尺寸參數(shù)與截面參數(shù)的影響Fig. 9 The influence of peak current on the shape and cross-section parameters of the depositing metal

在形狀參數(shù)方面，隨著峰值電流的增加，其圓弧角度(Φ)先增加后減小，圓弧半徑(D)先減小后增加，潤濕角(φ)則基本保持不變。究其原因是:當峰值電流低于 250 A 時，隨著峰值電流的增加，熔敷量增加，熔寬增加，熔敷金屬充分擴散，圓弧半徑減小，圓弧角度增加；當峰值電流高于 250 A 時，隨著峰值電流繼續(xù)增加，熔敷金屬量增加，在電弧作用時間一定的情況下，熔敷金屬開始出現(xiàn)難以充分擴散的情況，單位長度熔敷金屬出現(xiàn)“冗余”現(xiàn)象，使得其圓弧半徑增加，圓弧角度減小。此外，雖然熔敷金屬出現(xiàn)“冗余”現(xiàn)象，但由于熔寬的增加，其潤濕角仍可在一定的范圍內(nèi)保持基本不變。

國內(nèi)對等離子弧增材制造鈦合金熔覆層成形的研究較少。Lin 等[18]指出影響脈沖等離子弧增材制造 Ti-6Al-4V 的因素主要為峰值電流、焊接速度和送絲速度，其利用回歸分析和二次回歸分析處理、優(yōu)化工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)當峰值電流為 250 A、焊接速度為 4.1 mm/s 和送絲速度為300 cm/min 時，Ti-6Al-4V 的成形高度和寬度最好。本文優(yōu)化后的等離子電弧增材制造 Ti-6Al-4V 的工藝參數(shù)為:槍體移動速度 6 mm/s 左右，送絲速度 280 cm/min 左右，峰值電流 250 A 左右，該工藝參數(shù)組合可在較低的送絲速度下提高打印速度。

3.2 等離子體電弧增材制造 Ti-6Al-4V 組織特征

圖 10 為等離子體電弧 3D 打印堆積得到的Ti-6Al-4V 構(gòu)件金相組織照片，由圖 10(a)可知，堆積得到的 Ti-6Al-4V 構(gòu)件存在貫穿堆積層的粗大晶界 α 相(α grain boundary，αGB)，且沿堆積方向從上到下，其微觀組織存在明顯的差異，如圖 10(b)～(d)所示。根據(jù)微觀組織的構(gòu)成不同，可將堆積得到的 Ti-6Al-4V 構(gòu)件分為 3 個大區(qū)域:頂層區(qū)域、中間層區(qū)域和底層區(qū)域。如圖 10(a)所示，其中，頂層區(qū)域主要為粗大的 αGB和馬氏體(α martensitic，αM)，αM呈明顯的長針狀結(jié)構(gòu)，該區(qū)域值的微觀特征與 Bermingham 等[12]利用電弧增材制造鈦合金微觀組織相近，都具有明顯的柱狀晶特征；中間層區(qū)域雖然也存在 αM，但其長寬比明顯減小，且 αM所占比例明顯減小，在部分區(qū)域內(nèi)有少量片層狀組織(α colony)出現(xiàn)；底層區(qū)域的微觀組織相對均勻，主要由網(wǎng)籃狀的 α＋β 組成，組織中很難觀測到 αM，部分區(qū)域可能存在少量的 αM，如圖 10(d)～(e)所示。底層網(wǎng)籃狀 α＋β 組織與 Mereddy 等[17]利用 Si 細化得到的增材制造鈦合金的微觀組織相近，其為增材制造鈦合金構(gòu)件優(yōu)良性能的最有利組織。

圖10 等離子體電弧 3D 打印 Ti-6Al-4V 構(gòu)件組織Fig. 10 Metallographic microstructure of Ti-6Al-4V deposited by plasma arc 3D printing

等離子體電弧 3D 打印的熱循環(huán)具有兩大特點:快速加熱和快速冷卻，最大冷卻速度可達50 ℃/s(相變溫度以上)；往復堆積成形會使得已成形部分經(jīng)受多次的熱循環(huán)作用。由 Ti-6Al-4V的相變圖可知， Ti-6Al-4V 的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度為580 ℃，當冷卻速度大于 20 ℃/s 時，Ti-6Al-4V即可析出 αM，頂層區(qū)域由熔融金屬凝固形成，在凝固過程中，液態(tài)金屬快速凝固首先形成粗大的αGB；當溫度降至 580 ℃ 以下時，Ti-6Al-4V 開始逐漸由 β 相直接形成針狀的 αM，如圖 11(a)所示，因此，頂層區(qū)域的組織基本上由粗大的 αGB和細長的 αM構(gòu)成。

中間層組織為熱循環(huán)后的凝固組織，往復加熱使部分 αM再次轉(zhuǎn)變?yōu)?β 相，但隨著堆積層數(shù)的增加，冷卻速度下降，β 相開始逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢訝畹?α 相，并在部分區(qū)域形成 α＋β 相，如圖 11(b)所示。底層區(qū)域為多次熱循環(huán)后能夠保持溫度的部分，其在經(jīng)歷多次相變溫度以上的熱循環(huán)后，還會經(jīng)歷多次的再加熱過程。在實際的堆積成形過程中，多次的熱循環(huán)會使已成形部分產(chǎn)生大量的熱量積累，降低已成形部分的溫度分布，可使已成形部分的組織逐漸穩(wěn)定化與均勻化；多次的再加熱過程，使片層狀的 α 相及部分殘留的 β 相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻诲e排列網(wǎng)籃狀組織(α＋β 相)，如圖 11(c)所示。

圖11 Ti-6Al-4V 構(gòu)件 SEM 組織照片F(xiàn)ig. 11 SEM micrograph of Ti-6Al-4V

3.3 等離子體電弧 3D 打印 Ti-6Al-4V 薄壁構(gòu)件成形與組織性能分析

3.3.1 成形質(zhì)量分析

在 200 mm×100 mm×12 mm 的 TC4 鈦合金板上，堆積得到薄壁圓柱體如圖 12(a)所示，圓柱體的直徑為 80 mm，壁厚為 10 mm，堆積得到的構(gòu)件實際尺寸如表 2 所示。由表 2 可知，堆積得到的薄壁圓柱體尺寸誤差不超過 2%，成形精度滿足要求。利用銑床對圓柱體進行銑削加工，得到的構(gòu)件如圖 12(b)所示，由圖 12(b)可知，機加工后的成形構(gòu)件表面呈金屬光澤，無明顯缺陷，成形質(zhì)量優(yōu)良。

表2 薄壁圓柱體構(gòu)件尺寸參數(shù)Table 2 Dimensional parameters of thin-walled cylindrical components

圖12 薄壁圓柱體構(gòu)件Fig. 12 Thin-walled cylindrical components

3.3.2 力學性能檢測與斷口分析

在堆積得到的單道多層堆積金屬試樣中，截取力學性能試樣進行分析檢測，測量得到堆積金屬的拉伸強度為 1 150 MPa，高于 TC4 鈦合金的力學性能(895 MPa)。利用非熔化極氣體保護焊(Tungsten Inert Gas，TIG)堆積得到的 TC4 鈦合金在X方向、Z方向的最大拉伸強度分別為947.14 MPa、926.85 MPa[16]，與傳統(tǒng)的 TIG 堆積金屬相比，等離子體電弧 3D 打印的拉伸強度有明顯提高；對斷口進行掃描電鏡 SEM 觀察發(fā)現(xiàn)，斷口形貌呈明顯的韌窩狀結(jié)構(gòu)，為韌性斷裂，如圖 13 所示。綜上所述，等離子體電弧 3D打印的鈦合金構(gòu)件的性能滿足使用要求。

圖13 堆積金屬斷口形貌 SEM 照片F(xiàn)ig. 13 SEM photograph of fracture morphology

4 結(jié) 論

本文研究了等離子體電弧 3D 打印工藝參數(shù)對堆積金屬成形尺寸以及形狀參數(shù)的影響規(guī)律，并對成形構(gòu)件的微觀組織、力學性能以及斷口形貌進行觀察和分析，得到的主要結(jié)論如下:

(1)本文優(yōu)化后的實驗裝置工藝參數(shù)為:槍體移動速度 6 mm/s 左右，送絲速度 280 cm/min左右，峰值電流 250 A 左右。隨著槍體移動速度的增加，單位長度熔敷金屬的量減小，堆積金屬的熔寬與熔高不斷減小，寬高比保持穩(wěn)定，圓弧角度增加，圓弧半徑減小，潤濕角增加；隨著送絲速度的增加，熔寬增加，熔高先減小后增加，寬高比先增加后趨于穩(wěn)定，圓弧半徑先增加后減小并趨于穩(wěn)定，圓弧角度則先減小后緩慢增加并趨于穩(wěn)定，潤濕角數(shù)值先增加后趨于穩(wěn)定；隨著峰值電流的增加，堆積金屬的熔寬增加，熔高基本保持不變，寬高比增加，圓弧角度先增加后減小，圓弧半徑先減小后增加，潤濕角則基本保持不變。

(2)等離子體電弧 3D 打印的 Ti-6Al-4V 構(gòu)件分為 3 個大區(qū)域:頂層區(qū)域、中間層區(qū)域以及底層區(qū)域。其中，頂層區(qū)域主要由粗大的 αGB和αM組成，αM為明顯的長針狀結(jié)構(gòu)；中間層區(qū)域雖然存在 αM，但其長寬比明顯減小，αM所占比例也明顯減小，在部分區(qū)域出現(xiàn)了少量的片層狀組織(α colony)；底層區(qū)域的微觀組織則相對均勻，主要由網(wǎng)籃狀組織(α＋β)組成。

(3)等離子體電弧 3D 打印的薄壁圓柱體尺寸誤差不超過 2%，成形尺寸精度與成形質(zhì)量均滿足要求，其微觀組織主要由 α、β 相組成，晶粒細小，堆積金屬的拉伸強度為 1 150 MPa，滿足使用要求。