模型處理對(duì)SEBM 法制備TC4 合金成型性能影響

徐博翰,李小鳳,王楓,,莫健麒

（1. 佛山桃園先進(jìn)制造研究院,廣東 佛山 528225； 2. 順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，廣東 佛山 528300； 3. 廣東粵科新材料科技有限公司，廣東 佛山 528225）

0 引言

增材制造（AM）技術(shù)俗稱3D 打印，是近些年來(lái)得到快速發(fā)展的快速成型技術(shù)。AM 技術(shù)在航天航空、微納制造、生物醫(yī)學(xué)工程等諸多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，擺脫了傳統(tǒng)的毛坯→切削→成品加工形式，只需要將零件的三維模型進(jìn)行切片分層處理，生成加工路徑，再以不同的熱源按照規(guī)定的路徑逐層堆積，直至形成致密的金屬零件。該技術(shù)省去了傳統(tǒng)加工所需要的刀具、夾具及多道且復(fù)雜的加工工序，只需要在一臺(tái)設(shè)備上即可制造出任意復(fù)雜形狀的零件，從而實(shí)現(xiàn)零件的自由制造［1-4］。其中，基于粉末層的電子束選區(qū)熔化技術(shù)（Slective Electron Beam Melting，SEBM）是以電子束為熱源的一種新型增材制造技術(shù)［5］。電子束的作用深度大且材料對(duì)電子束的吸收效果好，在真空環(huán)境下能夠有效的熔化合金粉末層。TC4（Ti-6Al-4V）合金是目前應(yīng)用最廣的鈦合金，由于TC4 合金屬于α+β兩相合金，其密度小、抗腐蝕能力強(qiáng)，且具有良好的綜合性能、成形性能和焊接性能，因此成為鈦合金工業(yè)中的王牌［6］。TC4 合金在航空航天、汽車(chē)和船舶設(shè)備的各種減重應(yīng)用中，提供了最佳的全面性能。

在電子束選區(qū)熔化過(guò)程中，模型的處理對(duì)成形質(zhì)量和精度有著至關(guān)重要的影響，不同的擺放位置、擺放方式、不同的分層方法和分層精度，以及是否對(duì)零件添加支撐等都是需要考慮的因素。因此，本文主要研究了不同的零件擺放位置對(duì)電子束選區(qū)熔化成型性能的影響［7］。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用瑞典電子束選區(qū)熔化設(shè)備Arcam A2X型3D 打印機(jī)，如圖1 所示。該設(shè)備由高能電子束槍、電源系統(tǒng)、觀察系統(tǒng)、成形腔、真空系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成，內(nèi)部有刮粉靶、隔熱罩、粉箱、加工臺(tái)及加工倉(cāng)等原件［8］。在真空環(huán)境中，電子束在偏轉(zhuǎn)線圈驅(qū)動(dòng)下，按照規(guī)劃好的加工路線進(jìn)行掃描熔化預(yù)先鋪設(shè)好的金屬粉末，完成后工作倉(cāng)臺(tái)下降一個(gè)層高，刮粉靶從粉倉(cāng)重新鋪設(shè)一層粉末再進(jìn)行熔化，層層堆積成形所需零件［9］。該設(shè)備工作原理如圖2 所示。

圖1 電子束選區(qū)熔化制造設(shè)備Figure 1 Selective Electron Beam Melting equipment

圖2 電子束選區(qū)熔化工作原理圖［10］Figure 2 Principle diagram of SEBM

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用粉末為Arcam TC4 ELI 合金球形粉末，其形貌如圖3 所示。該粉末是一種氣體霧化粉末，通過(guò)外力將鈦合金擊碎為微小的液滴，再通過(guò)氣霧快速冷凝得到，粉末粒徑為45—100 μm，最小粒徑的限制保證了粉末的安全處理。與其他TC4 球形粉末相比，Ti6Al4V ELI 中氧、氮、碳和鐵的含量降低，使得粉末的間隙變得更低、更加致密，這些較低的間隙提高了Ti6Al4V ELI 材料的延展性和斷裂韌性，其化學(xué)成分列于表1。

表1 Ti6Al4V ELI 合金粉末化學(xué)成分Table 1 Ti6Al4V ELI chemical composition

圖3 TC4 ELI 粉末形貌圖Figure 3 TC4 ELI Powder morphology

1.3 試驗(yàn)方法

首先，利用Solidworks 繪制出所需打印的R7 半徑為5 的拉力棒三維圖，并導(dǎo)入模型處理軟件進(jìn)行處理，分別以橫擺放和豎擺放的方式放在預(yù)設(shè)好的200 mm×200 mm×380 mm 的工作平臺(tái)空間內(nèi)（見(jiàn)圖4）。然后，進(jìn)行模型分層處理，以及進(jìn)行模型打印前修復(fù)去除壞邊、翹邊等，同時(shí)對(duì)橫放打印的拉力棒添加支撐。最后，將生成程序?qū)朐霾脑O(shè)備中進(jìn)行打印，不同的擺放方式代表著不同的掃描面積和掃描層數(shù)。電子束選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)列于表2。

表2 電子束選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)Table 2 electron beam selective melting process parameters

圖4 不同擺放方式Figure 4 Different ways of putting it

將制備出的TC4 合金增材拉力樣件進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，利用Hitachi 公司的SEM-4 800 型掃描電鏡對(duì)拉伸斷口進(jìn)行觀察。采用線切割機(jī)將橫豎兩種拉伸拉斷后的鈦合金試樣沿伸長(zhǎng)方向從中心剖面切開(kāi)上下各一段，將切割好的試樣依次用400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#、3000#的砂紙進(jìn)行粗磨，直至試樣表面光滑且肉眼可見(jiàn)無(wú)明顯劃痕，再通過(guò)拋光機(jī)進(jìn)行機(jī)械拋光，得到金相試樣。采用HF+HNO3+H2O（體積比為1∶2∶48）的混合腐蝕溶液來(lái)腐蝕試樣，在金相顯微鏡下進(jìn)行組織觀察［11］。利用電鏡分別對(duì)橫豎打印的拉伸斷口，進(jìn)行斷口觀察分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

對(duì)橫豎打印的樣件進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，橫放打印的試件斷裂位置處于樣件的中間位置，豎放打印的試件斷裂位置則在上端，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果Figure 5 The tensile test

表3 為快速成型TC4 合金試樣的拉斷力學(xué)性能。由表3 可知，橫放打印的樣件抗拉強(qiáng)度分別為934 和908MPa、豎放打印的樣件抗拉強(qiáng)度分別為756 和754 MPa，而延伸率分別為13%、14% 和9.8%、10.1%。上屈服極限豎放打印試件比橫放打印試件高了許多，說(shuō)明豎放試件在拉伸過(guò)程中屈服時(shí)首次下降前的力比橫打的試件要大，安全性能差。

表3 快速成型TC4 合金力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of rapidly prototyping TC4 alloy

圖6 為不同擺放方式的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。從圖6 可見(jiàn)：由于豎放打印的試件堆積方向與選區(qū)掃描方向不一致，使得整根樣件上下段受熱不均勻，力學(xué)性能也有所差異；總體而言，橫放打印的拉伸樣件力學(xué)性能優(yōu)于豎向擺放樣件。

圖6 不同擺放方式拉伸應(yīng)力-變形曲線圖Figure 6 Tensile stress-deformation curves for different placement modes

2.2 斷口分析

2.2.1 宏觀斷口分析

對(duì)進(jìn)行力學(xué)拉伸實(shí)驗(yàn)后的橫豎向擺放試件的斷口宏觀形貌進(jìn)行分析觀察，結(jié)果如圖7 所示。從圖7（a）可見(jiàn)：橫向擺放打印的試件斷口沒(méi)有明顯的變形，并且剪切斷裂明顯［12］；宏觀斷口表面較為平整，斷面也呈杯錐，但剪切唇區(qū)域較少；纖維區(qū)內(nèi)粉末熔化效果較好，只有少許球形粉末未熔的現(xiàn)象出現(xiàn)在斷口邊緣。從圖7（b）可以發(fā)現(xiàn)，斷口處有大量的高密度短而彎曲的撕裂棱線條，呈現(xiàn)“河流狀”的花樣，以及斷口有解理臺(tái)階和少量的孔洞，其原因可能是由于鈦合金屬于多晶體金屬材料，受力后位向不同而導(dǎo)致的滑移面滑移。從圖7（c）豎向擺放打印試件的宏觀斷口形貌可見(jiàn)，在拉伸的過(guò)程中，由于加工硬化率不足以抵抗形變集中在一個(gè)局部區(qū)域，導(dǎo)致斷口被拉伸變形嚴(yán)重呈現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，這是由于裂紋起源于纖維區(qū)并快速延展到了放射區(qū)，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到表面時(shí)形成了韌性斷裂的剪切唇，最后形成了杯狀錐狀的斷口。并且在剪切唇和放射區(qū)斷口邊緣等處有許多未融化圓球。從圖7（d）可見(jiàn)，未融化的圓球是TC4 球形粉末，這是由于粉末沒(méi)有得到充分的熔化，使得豎向打印試件的力學(xué)性能較橫向的差距較大，豎向打印試件的斷口在上端，初步判斷應(yīng)該是距離打印基板位置越遠(yuǎn)預(yù)熱受熱效果降低，使得打印情況越差、未融化的粉末越多［13］。

圖7 橫豎向擺放打印試件的斷口形貌Figure 7 Fracture morphology of printed specimens placed horizontally and vertically

2.2.2 微觀斷口分析

對(duì)橫豎向擺放拉伸試件的斷口進(jìn)行微觀觀察分析，結(jié)果如圖8 所示。從圖8 可見(jiàn)：橫向打印試件斷口產(chǎn)生許多韌窩，但是相界面滑移形成的微孔較少，并且在斷裂位置處出現(xiàn)解理斷層，表明成形試件的延伸率和斷面收縮率較好、塑性較強(qiáng)［14］；豎向打印試件斷口的韌窩較淺，斷口韌窩周?chē)性S多微孔，這是由于在外力作用下使得處于平衡狀態(tài)的微孔遭到破壞，導(dǎo)致微孔變得更大，試件的致密性和抗拉強(qiáng)度下降，斷面收縮率小和延伸率差而導(dǎo)致塑性也較橫向打印的變?nèi)酢?/p>

圖8 橫豎向擺放試件斷口的微觀形貌Figure 8 Microscopic morphology of the fracture of the specimen placed horizontally and vertically

2.3 金相組織分析

為了判定鈦合金打印樣件的組織形態(tài)、晶粒大小和析出物量的多少，采用電子顯微鏡對(duì)處理過(guò)后的豎橫向打印試件的金相樣品進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖9 所示。從圖9（a）可見(jiàn)，豎向打印上段的樣品的組織為典型的雙態(tài)組織，其特點(diǎn)為β相轉(zhuǎn)變組織的基體上分布著互不相連的初生α相，但其總含量不超過(guò)50%［16］，這是由于測(cè)溫?zé)犭娕荚诨宓撞浚Q向打印上段的試件距離測(cè)溫基板過(guò)遠(yuǎn)，加熱預(yù)熱不夠準(zhǔn)確均勻，同時(shí)上段又屬于試件加工的后半程，后續(xù)層間預(yù)熱和加熱掃描的次數(shù)不多而無(wú)法起到緩慢冷卻的效果，所以鈦合金熱處理的加熱溫度低于了β相的轉(zhuǎn)變溫度，從而得到雙態(tài)組織［16］。從圖9（b）可見(jiàn)，豎向打印下段試件的組織呈現(xiàn)為等軸晶粒的等軸組織，因?yàn)橄露未蛴≡嚇泳嚯x基板近測(cè)溫準(zhǔn)，每次掃描預(yù)熱打印都相當(dāng)于對(duì)下面的粉末層進(jìn)行了一次重熔或退火預(yù)熱，所以呈現(xiàn)出退火組織，這類組織塑性、疲勞強(qiáng)度和抗缺口敏感性及熱穩(wěn)定性均較好，但斷裂的韌性會(huì)較差。從圖9（c）和圖9（d）可以發(fā)現(xiàn)，橫放打印試件上段和下段的橫切面均呈現(xiàn)出交錯(cuò)的網(wǎng)籃組織及網(wǎng)籃組織和魏式組織組成的雙態(tài)組織，這是由于橫向打印每層粉末可以得到有效的預(yù)熱，使β相向α相無(wú)法及時(shí)冷卻轉(zhuǎn)變，從而得到了成分相同但結(jié)構(gòu)不一的固溶體［17］，由于沒(méi)有添加支撐及掃描面積過(guò)大的原因而產(chǎn)生了些許孔洞缺陷。同時(shí)，對(duì)4 個(gè)樣品進(jìn)行面掃衍射圖譜分析Ti、Al、V、C、O 等元素含量發(fā)現(xiàn)，4 個(gè)樣品元素含量幾乎一致，擺放方式不同并沒(méi)有造成元素的缺失。

圖9 橫豎向試件的金相組織Figure 9 Metallographic organization of transverse and vertical specimens

綜上所述，電子束選區(qū)熔化3D 打印橫向試件的力學(xué)性能比豎向擺放打印的試件更加優(yōu)異，橫向打印試件的塑性比豎向打印的要好，豎向打印的試件上下段的金相組織有所差異［18］。

3 結(jié)論

以TC4 合金為實(shí)驗(yàn)材料，通過(guò)電子束選區(qū)熔化技術(shù)以不同的模型擺放方式制備出拉伸樣件，同時(shí)對(duì)試件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)定、斷口形貌和顯微金相組織分析。

（1）以TC4 合金為試驗(yàn)材料，Arcam A2X 電子束真空焊機(jī)為試驗(yàn)設(shè)備，采用橫豎兩種模型擺放方式，制備電子束選區(qū)熔化增材成型R7 拉伸試樣，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行室溫力學(xué)拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)橫向打印和豎向打印的試件的力學(xué)性能有所差異，橫向打印試件的抗拉強(qiáng)度、延伸率均比豎向打印的更優(yōu)。

（2）將拉斷后的橫豎打印試件斷口進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，利用掃描電鏡，以30、100、1 000、5 000 的倍數(shù)進(jìn)行斷口宏微觀察并發(fā)現(xiàn)：橫向打印試件的宏觀斷口較為平整、剪切唇區(qū)域小，沿著滑移方向呈現(xiàn) “河流狀”的花樣；橫向打印試件的微觀斷口下有許多韌窩，但滑移產(chǎn)生的微孔較少，故其塑性較好；而豎向打印的試件的宏觀斷口呈杯錐狀，在斷口周?chē)l(fā)現(xiàn)有許多未熔的球狀粉末，這也是其力學(xué)性能差的原因之一；豎向打印試件的微觀斷口的韌窩較淺且微孔在外力作用下被拉大。

（3）對(duì)橫豎試件斷口進(jìn)行掃描元素圖譜分析發(fā)現(xiàn)，豎向打印試件的組成元素成分分布與橫向的不一，可能是杯錐狀斷面掃描不均勻，也可能是打印時(shí)受熱不均導(dǎo)致的。

（4）將橫豎向打印的試件拉斷后的上端和下端沿伸長(zhǎng)方向剖開(kāi)，對(duì)他們進(jìn)行金相組織觀察發(fā)現(xiàn)：橫向打印上端和下端金相組織一致，呈現(xiàn)網(wǎng)籃組織及魏氏組織和網(wǎng)籃組織的雙態(tài)組織；豎向打印試件的上端存在細(xì)長(zhǎng)條的α相和轉(zhuǎn)變相，并且有著氣孔缺陷及打印未熔導(dǎo)致的分層缺陷，與下端組織有所差異。

因此，在打印長(zhǎng)棒、長(zhǎng)條狀試件時(shí)，在模型處理上因盡量將其橫向擺放在加工基板上，這樣可以讓電子束掃描面積更大，能夠更加有效均勻的受熱，并且在每一層打印過(guò)程中下面的打印層都能得到有效熱傳導(dǎo)，避免了過(guò)快的冷卻。這種擺放方式的試件具有良好的力學(xué)性能及組織致密性。