激光選區(qū)熔化成形鈦合金件缺陷與力學(xué)性能的關(guān)系

張宇，呂新峰，楊可，冒浴沂

1.國(guó)家增材制造產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心（江蘇）江蘇無(wú)錫 214028

2.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇常州 213022

1 序言

增材制造（Additive Manufacturing，AM）是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)、逐步添加薄層材料來(lái)構(gòu)建三維（3D）零件的新興制造技術(shù)。增材制造技術(shù)的發(fā)展基于快速成形領(lǐng)域，該領(lǐng)域是20世紀(jì)90年代開(kāi)始興起的，主要用于生產(chǎn)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。工業(yè)上利用快速成形技術(shù)可對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)迅速評(píng)價(jià)、修改，并自動(dòng)將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為具有相應(yīng)結(jié)構(gòu)和功能的原型產(chǎn)品或直接制造零部件，大大縮短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。一些形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件通過(guò)傳統(tǒng)方式制造難度較大，而增材制造技術(shù)可解決這個(gè)問(wèn)題。這一技術(shù)正應(yīng)用于醫(yī)療、航空航天、汽車(chē)及模具等其他領(lǐng)域，并取得了相應(yīng)成果[1]。然而，傳統(tǒng)制件與增材制造成形件之間存在一些差異，如力學(xué)性能的各向異性、殘余應(yīng)力和增材工藝特有的缺陷等。

國(guó)內(nèi)外幾種常用的鈦合金3D打印技術(shù)[1]有激光選區(qū)燒結(jié)成形技術(shù)（SLS）、激光選區(qū)熔化成形技術(shù)（SLM）、激光立體成形技術(shù)（LSF）、電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)（EBSM）、電子束熔絲沉積成形技術(shù)（EBF）等。SLM 是目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展較快、研究較多、使用需求量較大的增材制造技術(shù)。鈦合金因其性能優(yōu)異，在航空航天領(lǐng)域有著較多的應(yīng)用。鈦合金的優(yōu)點(diǎn)有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、高溫力學(xué)性能優(yōu)良，可滿足航空航天領(lǐng)域高質(zhì)量零部件的設(shè)計(jì)需求。鈦合金的制造和應(yīng)用水平在一定程度上體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的航空航天水平，同時(shí)鈦合金具有良好的生物相容性，與人體骨骼的彈性模量接近，在醫(yī)療領(lǐng)域也是一種重要應(yīng)用材料。

雖然鈦具有諸多優(yōu)良特性，但其加工一直是一項(xiàng)難題，鈦的低熱導(dǎo)率、加工硬化、低彈性模量等因素造成傳統(tǒng)機(jī)加工方法制造鈦合金件的難度較大，材料利用率低，周期長(zhǎng)，成本高，而放電等離子燒結(jié)、熱等靜壓、注射成形等方法難以克服氧含量和孔隙率高等瓶頸問(wèn)題。增材制造作為近凈成形技術(shù)的一個(gè)新方向，大大減少了工序并縮短了制造周期，非常適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和定制化零件制造。增材制造技術(shù)材料利用率高，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)與鈦的應(yīng)用領(lǐng)域需求具有天然契合點(diǎn)，同時(shí)增材制造技術(shù)能夠規(guī)避鈦的加工難題。鈦的熱導(dǎo)率低，不利于傳統(tǒng)機(jī)加工，卻有利于粉末激光成形。由于SLM打印過(guò)程中自身的工藝缺陷，因此成形零件的性能較差，這些缺陷嚴(yán)重影響了增材制造鈦合金零件在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用。本文基于SLM工藝的基本原理，對(duì)鈦合金成形件可能出現(xiàn)的缺陷種類(lèi)及成因進(jìn)行概述，并總結(jié)相關(guān)缺陷對(duì)其力學(xué)性能的影響。

2 SLM工藝原理及能量輸入模型

2.1 SLM工藝原理

SLM是金屬增材制造中應(yīng)用最為廣泛的工藝之一，屬于粉末床熔融工藝（PBF）的一種。SLM是一種用激光提供能量，使粉末進(jìn)行熔化后凝固成形的技術(shù)，首先將需要打印的三維模型導(dǎo)入計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行切片，同時(shí)設(shè)置好打印機(jī)的相關(guān)參數(shù)，然后按規(guī)定好的路徑對(duì)粉末進(jìn)行逐層掃描，掃描后的金屬粉末熔化、凝固，直至零件成形。圖1所示為典型SLM工藝的成形過(guò)程和工藝參數(shù)。

圖1 典型的SLM工藝成形過(guò)程和工藝參數(shù)

激光對(duì)鈦合金粉末的作用是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程。宏觀上表現(xiàn)為，粉末在激光作用下的宏觀熱效應(yīng)，鈦合金粉末材料可以視為一種連續(xù)介質(zhì)，粉末表面持續(xù)地吸收激光能量，并通過(guò)粉末床向外擴(kuò)散，而微觀上表現(xiàn)為，激光作用在鈦合金粉末的微觀粒子的作用是一個(gè)全量子化的能量交換過(guò)程[2]。在粉末熔化的過(guò)程中，粉末的密度、導(dǎo)熱率等物理屬性易受溫度的影響，而成形件的力學(xué)性能又由粉末的吸熱能力、熔化速度和凝固速度等影響因素決定的，而且成形過(guò)程中材料經(jīng)歷了熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射，其過(guò)程類(lèi)似于激光焊接，整個(gè)過(guò)程均一直伴隨著固態(tài)-液態(tài)-固態(tài)轉(zhuǎn)變[2]，因此，鈦合金SLM過(guò)程的溫度場(chǎng)分析極其復(fù)雜。由于SLM涉及加工過(guò)程的多種工藝參數(shù)（見(jiàn)圖1b）包括焦點(diǎn)偏移距離（Focal Offset Distance，F(xiàn)OD）、熔池寬度（Hatch Spacing）、層厚（Layer Thickness）和激光功率（Laser Beam Power）等，因此鈦合金成形件的性能較難把握。

2.2 SLM能量輸入模型

SLM成形過(guò)程中涉及到多種參數(shù)，能量的輸入、時(shí)間的長(zhǎng)短以及能量在金屬粉末中的傳輸情況直接影響著金屬的表面質(zhì)量和力學(xué)性能，因此需要建立SLM能量輸入模型來(lái)比較各參數(shù)對(duì)金屬成形件的影響。激光功率決定設(shè)備供給能量的多少，掃描速度決定激光能量對(duì)金屬粉末作用時(shí)間的長(zhǎng)短，從而控制能量的輸入。而掃描間距、鋪粉層厚也影響著能量的輸入，其對(duì)能量輸入的影響不如激光功率和掃描速度明顯。實(shí)際應(yīng)用中，分析影響增材制造零件成形的所有參數(shù)非常復(fù)雜，激光功率（P）、掃描速度（v）、掃描距離（h）或粉末層厚度（x）等眾多參數(shù)必須考慮到。體激光能量密度（EV）通常用下式表示[3]，即

式中EV——體激光能量密度（J/mm3）；

P——激光功率（W）；

v——掃描速度（mm/s）；

h——掃描間距（mm）；

x——鋪粉厚度（mm）。

然而，體激光能量密度僅代表了一種參數(shù)關(guān)系的簡(jiǎn)化，相同數(shù)值的EV可能會(huì)存在掃描參數(shù)的不同組合，從而導(dǎo)致零件具有不同的材料特性。例如，對(duì)于相同的能量密度，不同的熱輸入可以得到不同的氣孔形狀。事實(shí)上，可以通過(guò)提高激光功率和掃描速度最大限度減少裂紋狀氣孔的數(shù)量[3-5]。一般情況下，EV對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究非常實(shí)用，但應(yīng)謹(jǐn)慎使用。例如，PRASHANTH K G等[6]研究人員發(fā)現(xiàn)盡管EV不變，但孔隙率發(fā)生了相當(dāng)大的變化，另外EV無(wú)法量化熔池特性，因?yàn)橐扬@示凝固熔池的軌道寬度和深度在恒定EV下是不同的[7]。

3 SLM鈦合金零件缺陷及形成機(jī)理

由于SLM工藝的限制，成形件中不可避免地帶有一些缺陷，這些缺陷大致可以分為孔隙、裂紋、殘余應(yīng)力及球化現(xiàn)象。本文著重介紹各種缺陷形成的原因，以及工藝參數(shù)對(duì)缺陷的影響。

3.1 孔隙

孔隙作為SLM工藝成形過(guò)程中的一種很常見(jiàn)的缺陷，關(guān)于它的成因報(bào)道很多。粉末本身或環(huán)境惰性氣體中截留的氣體在熔池凝固時(shí)未及時(shí)排出形成孔隙；工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)生成未熔合孔或匙孔缺陷；其他缺陷也會(huì)引發(fā)孔隙缺陷（球化現(xiàn)象引起的匙孔缺陷，裂紋會(huì)沿各個(gè)方向持續(xù)擴(kuò)展、不斷擴(kuò)大并相遇連接最后形成孔隙）。目前SLM成形件孔隙率可以控制到較低的水平，但對(duì)于一些用于航空航天的高性能鈦合金件，孔隙的存在對(duì)零件的力學(xué)性能依然有著極大的影響。

粉末本身的缺陷導(dǎo)致孔隙產(chǎn)生。在粉末快速熔化和凝固過(guò)程中，粉末的低堆積密度使粉末間的氣體溶于熔池，或者空心粉中含有的氣體來(lái)不及逃逸，從而在成形件中殘留形成孔隙，此類(lèi)孔隙形貌多為球形或類(lèi)球形[8]。此外，保護(hù)氣體或合金蒸氣進(jìn)入熔池內(nèi)，也可能形成氣孔[8，9]。VOISIN T等[10]在對(duì)SLM 工藝下Ti-6Al-4V試驗(yàn)建模時(shí)，發(fā)現(xiàn)了軌道邊緣孔隙，它們是由粉末顆粒之間存在的截留空隙引起的，可能對(duì)延展性有顯著的影響。

未熔合孔也被稱(chēng)為熔合不足缺陷（Lack of Fusion，LOF），通常分布在掃描軌道之間和沉積層之間，主要是SLM 成形過(guò)程中缺乏能量輸入或者掃描軌跡重疊不足，易導(dǎo)致粉末的熔合不良，形成熔合不足缺陷。MUKHERJEE T等[11]認(rèn)為，熔合不足缺陷可能是由于上層的熔池未充分滲透到基材或先前沉積層中。滲透不足會(huì)導(dǎo)致成形件中形成細(xì)長(zhǎng)的空隙，這些空隙的等效直徑通常＞10μm[11，12]。這些缺陷通常具有鋒利的邊緣，并且在層間以及熔池線處被拉長(zhǎng)，如圖2所示。

圖2 金相顯微鏡下 SLM 制備的Ti-6Al-4V中未熔合缺陷

掃描軌跡間的重疊不足也會(huì)導(dǎo)致粉末出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象。STEF J等[13]利用顯微計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)對(duì)SLM打印的Ti-6Al-4V合金孔隙進(jìn)行了三維重構(gòu)并分析掃描路徑，發(fā)現(xiàn)孔隙形態(tài)、分布與掃描路徑直接相關(guān)。圖3展示了軌跡間重疊不足區(qū)域包含大量 LOF 缺陷，這與激光能量低導(dǎo)致熔池寬度較小有關(guān)。

圖3 孔隙空間分布和掃描策略之間的關(guān)系[13]

孔隙的尺寸、形狀、位置與SLM本身的工藝參數(shù)緊密相關(guān)。激光功率過(guò)低、掃描速度過(guò)快導(dǎo)致單位能量密度過(guò)低，容易引起熔合不良現(xiàn)象[14]。此外，送粉量過(guò)大，表面光滑度和搭接率過(guò)低，也會(huì)導(dǎo)致粉末不良熔合而形成未熔合缺陷[15]。未熔合缺陷形貌不規(guī)則，尺寸在幾十到數(shù)百微米之間。

匙孔屬于一種常見(jiàn)的體積型缺陷，尺寸為數(shù)百微米，主要由球化效應(yīng)導(dǎo)致或金屬粉末熔化凝固成實(shí)體過(guò)程中體積收縮引起部分底層金屬粉末未充分熔化導(dǎo)致[16，17]。匙孔的形成主要受激光功率和掃描速度的影響，當(dāng)激光功率過(guò)高或掃描速度過(guò)低時(shí)，容易在熔池搭接處產(chǎn)生匙孔。郭慶豐等[17]學(xué)者采用脈沖激光作為激光選區(qū)熔化工藝的熱源，研究脈沖占空比對(duì)Ti-6Al-4V試樣致密度影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著脈沖占空比的不斷提高，匙孔缺陷逐漸消失（見(jiàn)圖4）[17]。

圖4 激光功率110W時(shí)不同脈沖占空比下TC4鈦合金試樣匙孔的SEM圖像

激光作用時(shí)間、TC4粉末熔化量均隨著脈沖占空比的增加而增加，熔池逐步變寬、變深，相鄰熔道的結(jié)合和層間結(jié)合更緊密，所以匙孔缺陷不易出現(xiàn)。而激光能量密度過(guò)低，球化效應(yīng)會(huì)影響下一層的鋪粉質(zhì)量，從而容易形成匙孔缺陷[16-18]。由于匙孔存在不穩(wěn)定性，匙孔的底部會(huì)脫離形成一個(gè)密閉的小孔且隨著掃描進(jìn)程的推進(jìn)，這些密閉小孔也會(huì)進(jìn)一步增加，從而形成由匙孔引起的孔缺陷（見(jiàn)圖5）[19]。

圖5 匙孔及其引起的孔缺陷

孔隙的三維空間分布、形態(tài)和取向與掃描策略直接相關(guān)。STEF J等[13]提出了一種基于二維斷裂面和三維X射線層析的方法，分析了激光光斑路徑，以及孔洞的3D位置、形態(tài)和取向，這為氣孔的形成機(jī)理及其對(duì)力學(xué)性能的影響提供了實(shí)質(zhì)性的解釋。結(jié)果表明，氣孔主要集中在熔覆區(qū)，激光能量較低是氣孔形成的主要原因。孔隙形態(tài)以無(wú)取向的“O”形為主，其次為定向的“I”形。這些結(jié)果表明，能量不足可形成無(wú)取向的孔隙形態(tài)。GONG H等[15]基于SLM工藝參數(shù)組合的Ti-6Al-4V樣品，研究不同激光功率下的孔隙率（見(jiàn)圖6），結(jié)果表明，高能量密度會(huì)引起Ti-6Al-4V粉末過(guò)度熔化，導(dǎo)致熔池內(nèi)的合金低熔點(diǎn)成分汽化形成缺陷。

圖6 Ti-6Al-4V 樣品在不同激光功率下的孔隙率

3.2 裂紋

裂紋是SLM工藝過(guò)程中非常嚴(yán)重的一種缺陷。該缺陷是由于在成形過(guò)程中熔體過(guò)冷度大、冷卻凝固速率快，因此使金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的收縮趨勢(shì)，應(yīng)力在冷卻過(guò)程中得不到釋放而保留在制件內(nèi)，當(dāng)應(yīng)力集中超過(guò)材料屈服強(qiáng)度就會(huì)產(chǎn)生裂紋[20]。裂紋通?？煞譃槲⒂^裂紋和宏觀裂紋，其中成形件組織內(nèi)部的微觀裂紋一般是凝固裂紋，歸類(lèi)為熱裂紋。有學(xué)者[21，22]在SLM成形件中，發(fā)現(xiàn)氧化物夾雜處或冷卻過(guò)程中殘余應(yīng)力的收縮會(huì)產(chǎn)生凝固裂紋。宏觀裂紋則大部分表現(xiàn)為層間裂紋，屬于冷裂紋范疇。若制件中存在裂紋，將嚴(yán)重影響成形件的組織和力學(xué)性能，相比傳統(tǒng)材料表面的裂紋，SLM工藝成形件內(nèi)部的裂紋有著更顯著的影響。

張升[23]等學(xué)者利用掃描電子顯微鏡及X射線能譜分析等檢測(cè)方法，研究 SLM 成形鈦合金過(guò)程中裂紋的開(kāi)裂行為及其形成機(jī)理時(shí)，發(fā)現(xiàn)SLM 成形TC4制件中的裂紋為冷裂紋，具有典型的穿晶開(kāi)裂特征（見(jiàn)圖7a），在裂紋斷口處有明顯的連續(xù)型河流狀形貌的解理斷口（見(jiàn)圖7b）。在成形過(guò)程中，由于過(guò)高的溫度梯度而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是裂紋形成的本質(zhì)因素。

圖7 TC4 試樣裂紋擴(kuò)展區(qū)縱截面微觀形貌

與常規(guī)加工合金的延展性相比，AM材料的延展性會(huì)因加工條件、內(nèi)部缺陷和殘余應(yīng)力的存在而變得更差，從而導(dǎo)致微裂紋的形成[1]。微裂紋尺寸相對(duì)較小，會(huì)降低抗疲勞性能，縮短成形件的使用壽命。首先，與焊接類(lèi)似，增材制造中的凝固開(kāi)裂可以沿構(gòu)造的晶界被觀察到，由于沉積物凝固收縮和熱收縮，基板或先前沉積層的溫度低于沉積層的溫度，固化層的收縮因此受到基板或先前沉積層的阻礙，導(dǎo)致凝固層處產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。如果拉伸應(yīng)力的大小超過(guò)了凝固金屬的強(qiáng)度，則可能會(huì)沿著晶界觀察到裂紋[24，25]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然孔隙率隨著能量密度的增加而降低，但開(kāi)裂密度與能量密度沒(méi)有直接關(guān)系。

為了降低裂紋的發(fā)生率，一方面可通過(guò)對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱，提高環(huán)境溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)；另一方面可降低掃描速度、掃描間距和層厚，采用多層多道的成形方式，也會(huì)得到較好的效果[19]。

3.3 球化

球化現(xiàn)象是SLM工藝成形過(guò)程中常見(jiàn)的一種缺陷，是指金屬粉末經(jīng)激光熔化后，不能均勻地鋪展于前一層，而是產(chǎn)生大量相互隔離的球狀金屬，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為球化現(xiàn)象。該缺陷主要的危害有以下幾個(gè)方面[26]。

1）在金屬件組織中引發(fā)孔隙缺陷，使成形件的力學(xué)性能?chē)?yán)重降低。

2）球化現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生大量孔隙，相鄰金屬球之間的間隙會(huì)夾帶部分未熔金屬粉末，嚴(yán)重降低金屬件致密度，影響其精度及表面質(zhì)量。

3）凝固后的金屬球又會(huì)使下一層的鋪粉不均勻，且鋪粉輥又會(huì)與前一層所產(chǎn)生的金屬球相互摩擦，不但會(huì)破壞成形件的表面質(zhì)量，而且當(dāng)它們之間摩擦非常大時(shí)，鋪粉輥將無(wú)法工作，致使成形過(guò)程終止。

球化缺陷的形狀為類(lèi)橢球形，尺寸一般＞100μm，分布在零件表面。目前，關(guān)于金屬增材過(guò)程中形成球化現(xiàn)象的原因，普遍認(rèn)為是液態(tài)金屬與固態(tài)表面的潤(rùn)濕問(wèn)題[26]。產(chǎn)生球化的原因主要是吉布斯自由能的能量最低原理，金屬熔池凝固的過(guò)程中，熔化的金屬液表面與周邊介質(zhì)表面構(gòu)成的體系具有最小自由能，在液態(tài)金屬與周邊介質(zhì)的界面張力作用下，金屬液表面形狀向球形表面轉(zhuǎn)變，目的是降低其表面能。

大量研究人員發(fā)現(xiàn)，球化缺陷受粉末本身特性、工藝參數(shù)、加工環(huán)境等影響。張曉博[20]采用不規(guī)則狀、棒條狀和球狀三種形狀的 TC4粉末，每種粉末的含氧量不同，研究不同特性的粉末對(duì)球化現(xiàn)象的影響。結(jié)果表明，顆粒較規(guī)則，且含氧量低的球形金屬粉末成形性能較好。SALLICA-LEVA E等[27]通過(guò)研究SLM 工藝下Ti-6Al-4V成形件的微觀組織，發(fā)現(xiàn)過(guò)高的激光功率會(huì)減小熔融金屬的表面能，并導(dǎo)致球化現(xiàn)象的產(chǎn)生。張曉博[20]研究了工藝參數(shù)對(duì)球化現(xiàn)象的影響，認(rèn)為激光功率過(guò)高，會(huì)出現(xiàn)“飛濺”，導(dǎo)致熔道間的金屬球大量出現(xiàn)，球化現(xiàn)象明顯。而掃描速率過(guò)快，激光在粉末上停留的時(shí)間較短，金屬液溫度低，流動(dòng)性及潤(rùn)濕性差也會(huì)導(dǎo)致球化現(xiàn)象明顯。他還研究了加工環(huán)境對(duì)球化現(xiàn)象的影響，認(rèn)為成形氣體中的氧元素容易與熔融金屬液發(fā)生反應(yīng)，形成一層致密的氧化物薄膜，該薄膜并不利于金屬液與固體基底潤(rùn)濕、粘合，容易導(dǎo)致球化的產(chǎn)生，且球化現(xiàn)象隨氧含量的增加，效果越明顯（見(jiàn)圖8）。胡孝昀等[28]認(rèn)為，球化是由于液相表面張力大、黏度高、熔融粉末與未熔化的粉末顆粒和基板未發(fā)生浸潤(rùn)等影響下產(chǎn)生，進(jìn)一步分析表明，激光快速成形過(guò)程中的氧氣是導(dǎo)致球化的直接原因。

圖8 不同環(huán)境含氧量成形面的微觀形貌

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[20，29]可知，球化缺陷可行的解決方法如下。

1）激光成形過(guò)程中采用適宜的預(yù)熱溫度。

2）優(yōu)化加工環(huán)境，在成形過(guò)程中通保護(hù)氣體。

3）設(shè)置適當(dāng)?shù)募す夤に噮?shù)。

3.4 殘余應(yīng)力

通常認(rèn)為，零件表面的殘余應(yīng)力、孔隙率及孔隙位置分布是導(dǎo)致部件失效的原因，而殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與SLM的成形原理有關(guān)[19]。在SLM成形過(guò)程中，金屬快速熔化和快速凝固引起不均勻的加熱和冷卻，為保持平衡狀態(tài)，凝固組織在非均勻的熱循環(huán)作用下發(fā)生非均勻熱脹冷縮效應(yīng)，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而不恰當(dāng)?shù)墓に噮?shù)會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。殘余應(yīng)力可能會(huì)對(duì)所選的制造策略以及最終部件的力學(xué)性能產(chǎn)生很大的影響[3，30]，會(huì)誘發(fā)孔隙、翹曲變形、裂紋和幾何誤差等缺陷，導(dǎo)致零件過(guò)早失效。

相關(guān)研究表明[19]，增材制造成形件殘余應(yīng)力分布有明顯特征：內(nèi)部為壓應(yīng)力，表面為拉應(yīng)力，沉積方向的殘余應(yīng)力最大，分布最不均勻。

MISHUROVA T等[3]利用同步加速器X射線衍射對(duì)Ti-6Al-4V進(jìn)行了分析，證明了在能量密度較低的情況下，表層區(qū)域的殘余應(yīng)力較高。同時(shí)，利用X射線計(jì)算機(jī)層析成像，觀察到孔洞主要集中在輪廓區(qū)域（除激光速度較小的情況），較低的孔隙率（＜1%）對(duì)殘余應(yīng)力不產(chǎn)生影響。SHIOMI M等[31]學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在SLM工藝的構(gòu)建過(guò)程中，成形件表面有著不同程度的殘余應(yīng)力。一般來(lái)說(shuō)，最后一個(gè)表層的拉伸殘余應(yīng)力較高。

殘余應(yīng)力受很多參數(shù)影響。MISHUROVA T等[3]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)縮短掃描時(shí)間、減少掃描間距時(shí)，可以降低表層殘余應(yīng)力且不影響孔隙率?；迳系臉悠肺恢脮?huì)對(duì)殘余應(yīng)力產(chǎn)生影響，這可能是因?yàn)榉勰┖徒饘俨煌釞C(jī)制，這種影響可能會(huì)因腔內(nèi)不均勻的氬氣流動(dòng)而加劇。另外，激光焦距對(duì)殘余應(yīng)力也會(huì)有影響，激光聚焦在粉末床上方時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較小，主要因?yàn)楫?dāng)激光聚焦在粉末床上方時(shí)，粉末達(dá)到了更高的溫度，生成優(yōu)質(zhì)的金相組織。

ALI H等[32]研究人員在Ti-6Al-4V材料加工過(guò)程中，采用可預(yù)熱至800℃高溫的SLM粉末床，研究粉末床溫度對(duì)殘余應(yīng)力的形成、顯微組織和力學(xué)性能的影響。研究表明，將粉末床溫度提高到570℃時(shí)，降低了成形過(guò)程中經(jīng)歷的熱梯度，可顯著減少成形件內(nèi)部殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，提高其屈服強(qiáng)度和塑性（見(jiàn)圖9）。該預(yù)熱溫度使α馬氏體組織分解為平衡的α+β組織。在570℃時(shí)，成形件的屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別提高了3.2%和66.2%。

圖9 粉末床預(yù)熱溫度對(duì) Ti-6Al-4V成形件殘余應(yīng)力的影響

VRANCKEN B等[33]研究發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力對(duì)Ti-6Al-4V的各向異性有很大影響，證實(shí)了SLM工藝制備的Ti-6Al-4V致密拉伸試樣內(nèi)部殘余應(yīng)力主要沿構(gòu)建方向分布。此外，在斷裂韌度測(cè)試和疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試中，殘余應(yīng)力對(duì)斷裂行為的影響較顯著。OLAKANMI E O等[21]也證實(shí)了當(dāng)構(gòu)建方向和加載方向相同時(shí)，裂紋不易擴(kuò)展。預(yù)裂紋的形狀和疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯受內(nèi)應(yīng)力分布的影響。因此，殘余應(yīng)力是影響SLM成形件各向異性的主要因素。

在制造過(guò)程之前，減少殘余應(yīng)力的措施主要有調(diào)整支撐方案、掃描策略等；在制造過(guò)程中，減少殘余應(yīng)力的措施主要是基板加熱，降低工件成形過(guò)程中的殘余應(yīng)力；在制造過(guò)程之后，減少殘余應(yīng)力的方法是去應(yīng)力處理和表面的激光重新掃描[34]。原則上，任何降低高熱梯度的措施都是有利的（不限于殘余應(yīng)力方面）。

4 拉伸性能

SLM工藝成形的鈦合金件，其拉伸性能受組織和孔隙缺陷影響較大。研究發(fā)現(xiàn)，由于高冷卻速率，SLM工藝成形的Ti-6Al-4V樣品均表現(xiàn)出高殘余應(yīng)力和獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，該微觀結(jié)構(gòu)主要由針狀馬氏體α組織構(gòu)成（見(jiàn)圖10），樣品的力學(xué)性能較好[15，35，36]。YADROITSEV I等[36]研究了LPBF Ti-6Al-4V樣品的斷裂類(lèi)型和拉伸斷裂機(jī)理。在水平試樣中發(fā)現(xiàn)了沿晶和晶內(nèi)斷裂，在垂直試樣中僅發(fā)現(xiàn)了沿晶類(lèi)型的斷裂。因此，在水平試樣的拉伸試驗(yàn)中觀察到的延展性降低的原因可能是先前β晶粒引發(fā)邊界的沿晶斷裂。

圖10 Ti-6Al-4V金相組織

GONG H等[37]利用不同能量密度的工藝參數(shù)組合（見(jiàn)表1）來(lái)制備樣品，對(duì)其進(jìn)行缺陷分析和拉伸性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在SLM樣品中，高于最佳工藝的能量密度導(dǎo)致樣品孔隙率達(dá)到1%，其對(duì)力學(xué)性能沒(méi)有重大影響，但是繼續(xù)增加能量密度使孔隙率＞5%時(shí)，拉伸性能顯著下降（見(jiàn)表2）。VOISIN T等[10]也系統(tǒng)表征了室溫下SLM 成形的Ti-6Al-4V樣品的拉伸行為。研究表明，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率主要由原始組織決定，而應(yīng)變破壞（斷裂應(yīng)變）對(duì)孔隙率較為敏感。當(dāng)拉伸軸垂直于構(gòu)建方向時(shí)，X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描揭示了孔隙合并和生長(zhǎng)失效機(jī)理，導(dǎo)致更有限的拉伸應(yīng)變破壞。這些各向異性的孔隙生長(zhǎng)機(jī)制導(dǎo)致了SLM材料拉伸性能的差異。KRAKHMALEV P等[38]使用間斷拉伸試驗(yàn)對(duì)成形樣品和熱處理樣品的孔隙率變化進(jìn)行的研究，發(fā)現(xiàn)孔隙聚結(jié)是最終裂縫形成的主要機(jī)制，裂縫形態(tài)呈典型的杯錐狀。

表1 SLM的工藝參數(shù)和預(yù)計(jì)孔隙率

表2 SLM樣品的拉伸性能

STEF J等[13]研究認(rèn)為，拉伸性能和裂紋路徑受孔隙及其三維分布的影響，孔隙使樣品的延展性降低、脆性增加，且裂紋沿孔洞的排列方向擴(kuò)展。

5 疲勞性能

一般來(lái)說(shuō)，鈦合金的元素含量、相組成、組織等方面是影響其疲勞性能的主要因素。對(duì)于增材制造金屬件，金屬材料的疲勞強(qiáng)度受材料缺陷的影響較大，裂紋的起始位置通常在缺陷處，內(nèi)部裂紋擴(kuò)展路徑也可能受缺陷的影響。CAIN V[39]等研究了SLM工藝成形的Ti-6Al-4V試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，發(fā)現(xiàn)構(gòu)建方向和斷裂面之間的關(guān)系對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響最為顯著（見(jiàn)圖11），主要原因是成形件殘余應(yīng)力分布的各向異性。

圖11 三種工藝下構(gòu)建方向?qū)ζ诹鸭y擴(kuò)展速率的影響

SLM樣品中粉末不完全熔化導(dǎo)致的缺陷最嚴(yán)重，即使缺陷占比僅為1%，也會(huì)對(duì)疲勞性能造成較大的影響[37]。零件中的孔隙對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響較大，因?yàn)榭紫妒橇慵l(fā)生失效的起始點(diǎn)?？紫堵屎腿毕菖c表面的接近程度對(duì)零件的疲勞性能影響更大，表面1mm以?xún)?nèi)的孔隙是典型的裂紋起始處，孔隙越大，就越容易影響零件的疲勞性能。欽蘭云等[40]采用同軸送粉激光增材制造工藝制備了Ti-6Al-2Mo-2Sn-2Zr-2Cr-2V材料，測(cè)試并討論了顯微組織、缺陷對(duì)疲勞性能的影響。結(jié)果表明，疲勞源均形成于條狀未熔合缺陷及氣孔缺陷處（見(jiàn)圖12），且缺陷直徑越大，距離表面越近，應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，疲勞裂紋萌生的速度就越快，疲勞壽命也就越低。

圖12 疲勞源區(qū)的微觀形貌

吳正凱等[41]基于自主研制的原位疲勞試驗(yàn)機(jī)和高分辨同步輻射X射線三維成像技術(shù)，采用Feret直徑（粒子周邊最遠(yuǎn)兩點(diǎn)間的距離）和極值統(tǒng)計(jì)方法定量對(duì)選區(qū)激光熔化Ti-6Al-4V材料的缺陷特征尺寸、數(shù)量、位置與形貌進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，研究缺陷特征與疲勞壽命之間的關(guān)系。結(jié)果表明，Ti-6Al-4V材料缺陷主要為未熔合缺陷和氣孔，等效直徑＜50μm的頻率90%，球度分布于0.4～0.65之間。研究人員發(fā)現(xiàn)在不考慮表面粗糙度的情況下，疲勞裂紋優(yōu)先在試樣表面或近表面缺陷處萌生，呈現(xiàn)出典型的半橢圓形貌。另外，YADROITSEV I[36]研究了Ti-6Al-4V的水平試樣的彎曲疲勞特性，揭示了失效周期數(shù)與表面粗糙度之間的相關(guān)性。發(fā)現(xiàn)表面較為粗糙的樣品失效循環(huán)次數(shù)較少，裂紋擴(kuò)展速率取決于試樣方向，與殘余應(yīng)力關(guān)系不顯著，如圖13所示，試樣應(yīng)力循環(huán)次數(shù)見(jiàn)表3。未熔合缺陷對(duì)疲勞壽命的影響相對(duì)來(lái)說(shuō)更大，同時(shí)缺陷特征尺寸越大，疲勞壽命就越低。

圖13 LPBF Ti-6Al-4V ELI 的疲勞裂紋擴(kuò)展速率和失效循環(huán)次數(shù)

表3 試樣應(yīng)力循環(huán)次數(shù)

大部分增材制造材料的研究表明，孔隙率會(huì)降低疲勞強(qiáng)度，疲勞裂紋萌生機(jī)制表明，幾乎所有的疲勞裂紋都起源于孔隙。LEVD[42]通過(guò)將應(yīng)力、孔隙尺寸和疲勞壽命聯(lián)系起來(lái)的映射方法，對(duì)孔徑和疲勞壽命的關(guān)系進(jìn)行表征。采用經(jīng)典的Linear Elastic Fracture Mechanics（LEFM）、El-Haddad[43]和Murakami[44]三種疲勞準(zhǔn)則，研究了鈦合金的孔隙尺寸與疲勞強(qiáng)度關(guān)系的變化趨勢(shì)，其中，El-Haddad模型最符合試驗(yàn)數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，相較于不做后處理的成形件，低溫應(yīng)力消除和退火熱處理可以提高零件的疲勞性能、抑制疲勞裂紋生長(zhǎng)，同時(shí)有助于消除零件各向異性的影響。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前，激光粉末床熔融工藝是技術(shù)較為成熟、應(yīng)用較多的金屬增材制造技術(shù)?；诩す夥勰┤廴诠に囘^(guò)程的復(fù)雜性，成形件中不可避免地帶有缺陷，影響其力學(xué)性能，因此對(duì)增材制造零件的檢測(cè)尤為重要。區(qū)別于傳統(tǒng)的破壞性檢測(cè)，無(wú)損檢測(cè)可以做到在不損壞樣品的情況下，檢測(cè)到增材制造成形件的內(nèi)部缺陷，也可以實(shí)時(shí)檢測(cè)成形過(guò)程中零件的質(zhì)量，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)，從而減少報(bào)廢率。