分享：工艺参数对激光选区熔化成形Ti6Al4V合金 致密性的影响

赵金猛1,2,卢 林1,王静荣2,张 亮1,吴文恒1 

(1.上海材料研究所上海3D打印材料工程技术研究中心,上海 200437; 2.上海第二工业大学工学部,上海 201209) 

摘 要:采用激光选区熔化技术制备 Ti6Al4V 合金,通过正交试验方法研究了激光功率、扫描间 距和铺粉厚度对合金致密性的影响,并探讨了孔隙缺陷的形成机理。结果表明:铺粉厚度对成形合金 相对密度的影响最大,扫描间距次之,激光功率的影响最小;合金的相对密度随激光功率的增加先增 大后趋于稳定,随扫描间距和铺粉厚度的增加而减小,随体能量密度的增加而增大;最优工艺为激光 功率200W、扫描间距0.10mm、铺粉厚度0.03mm,此时合金的相对密度为99.24%;合金内部存在气 孔和匙孔两种孔隙,前者主要由熔池内部较高的温度梯度造成设备内部的惰性气体、粉末蒸气等未及 时逸出所导致,后者主要由工艺参数不当,熔池发生球化效应以及皱缩效应所引起。

 关键词:激光选区熔化;相对密度;孔隙;Ti6Al4V 合金 中图分类号:TB31;TF121 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)08-0100-05

0 引 言

 增材制造作为一种新兴的材料成形技术,自20 世纪80年代发展至今已成为行业研究热点,并取得 了显著的进步[1]。近年来,其产业化应用也蓬勃发 展,增材制造正在掀起一场材料制造行业的革命。 增材制造是一个离散累积的过程[2],其采用数字化生产模式,以零件三维实体模型为基础,以粉末或丝 材为原料,采用逐层打印的方式进行产品的生产制 造。与传统制造技术相比,增材制造具备诸多优点: 不需要昂贵的模具即可直接成形;节省原料,几乎没 有原料损失,符合绿色生产的战略和发展理念;生产 的产品形状精准,不会产生尺寸偏差;适用范围广, 难熔材料产品也可通过该方式生产[3]。 目前,增材制造技术的发展重点是制造形状复 杂的功能构件,主要技术手段[4-5]如下:激光立体成 形(lasersolidforming,LSF),主要用于制备飞机承 力结构和发动机零部件;电子束选区熔化(electron beamselective melting,EBSM),主 要 用 于 制 备 航 空、轮船等大型金属构件;激光选区熔化(selective lasermelting,SLM),广泛应用于汽车工业、航空航 天工业和生物医疗植入体制造行业[6]。其中,SLM 技术发展较为成熟、应用范围较为广泛,在复杂精密 金属零件成形方面具有独特的优势。 Ti6Al4V 合金是一种α+β型两相钛合金,对激 光束能的吸收率较高,其复杂构件适合采用 SLM 技术成形。但由于 SLM 成形工艺涉及合金粉末的 快速熔化和冷却(该过程是一个非稳态、极冷极热的 瞬态过程),在制造累加过程中的局部热输入必然会 导致不均匀温度场的形成,这种局部热效应会影响 熔池气体的逸出,从而在构件内部形成孔隙,对显微 组织产生不良影响,同时还会导致熔池在凝固及随 后冷却过程中极易形成残余应力[7]。残余应力作为 一种内应力,将直接影响成形件尺寸的稳定性、静载 荷强度、疲劳强度以及抗应力腐蚀等性能,严重时将 直接引发裂纹缺陷,极大地制约了 SLM 工艺的发 展与应用[8]。在 SLM 成形过程中,影响成形件组 织和性能的因素众多,其中激光功率、扫描速度、扫 描间距和铺粉厚度的影响较为显著,且易于通过成 形设备调整控制。HANZL等[9]发现激光功率和铺 粉厚度对成形件拉伸性能影响最为显著,同时也会 影响熔池特征。顾冬冬等[10-11]通过研究激光选区 成形铜合金的成形性对球化机制进行探讨,发现球 化效应与熔池的热力学与动力学因素相关,球化现 象可通过改变工艺参数来进行调控,并在此基础上 提出体能量密度的概念,体能量密度与激光功率、扫 描速度、扫描间距和铺粉厚度有关,可用于综合评定 SLM 参数对成形件质量的影响。为了更好地优化 工艺参数,减少缺陷,提高材料性能,作者采用SLM 技术制备 Ti6Al4V 合金件,通过正交试验方法重点 研究了激光功率、扫描间距以及铺粉厚度对合金相 对密度和微观形貌的影响,并初步探讨了 SLM 过 程中的孔隙形成原理。

 1 试样制备与试验方法 试验材料为上海3D 打印材料工程技术研究中 心通过电极感应熔炼气雾化法生产的 Ti6Al4V 合 金粉末,化学成分如表1所示。经过筛分分级处理 后取粒径在15~53μm 的粉末用于 SLM 成形,粉 末中值粒径为30.8μm,具体微观形貌见图1成 形 前 将 Ti6Al4V 合 金 粉 末 在 干 燥 箱 中 于 120 ℃烘干2h。试验基板选用厚度为45mm 的纯 钛板,表面经吹砂处理后用酒精清洗。基于前期研 究结果,并按照 L9(3 4)正交表选取9组工艺参数, 采用德 国 EOS M290 型 工 业 级 3D 打 印 机 进 行 Ti6Al4V 合金的 SLM 成形,成形前向设备中填充 保护气体氩气;热源为 Yb-fibre光纤激光器,最大 激光功率为400 W,扫描速度为1200mm·s -1,光 斑直径为100μm,采用之字形扫描策略,层间夹角 为67°,成形件尺寸为?10 mm×14 mm,各组均成 形3个平行试样以减少试验误差。激光体能量密度 E 计算公式如下: E =P/(v·h·t) (1) 式 中:P为激光功率;v为扫描速度;h为扫描间距; t为铺粉厚度。 SLM 成形工艺参数及计算得到的体能量密度 如表2所示。 使用线切割机将成形件与基板分离,采用阿基 米德排水法[12]测 成 形 件 的 相 对 密 度 。使 用 320 # ,600 # ,1000 # ,1500 # ,2000 # 金相砂纸依次对成形件 的线切割表面进行打磨,经金刚石抛光液抛光后,用 体积比85∶10∶5的水、硝酸、氢氟酸配制的溶液腐蚀 10s,采用 A41-X 型光学显微镜(OM)观察成形件 缺陷形貌。

 2.1 激光工艺参数对相对密度的影响

 由表3可以看出,当激光功率为250W,扫描间 距为0.15mm,铺粉厚度为0.03mm,即体能量密度 为46.3J·mm -3时,所得成形件的相对密度最大,达 到99.00%。结合表2可知,随着激光体能量密度的 降低,成 形 件 的 相 对 密 度 下 降,当 体 能 量 密 度 为 6.94J·mm -3 时,成 形 件 的 相 对 密 度 最 低,仅 为 88.51%。在 Ti6Al4V 合金 SLM 成形过程中,铺粉 厚度对成形件相对密度的影响最大,扫描间距次之, 激光功率的影响最小。Ti6Al4V 合金的最优 SLM 成形工艺为激光功率200W、扫描间距0.10mm、铺 粉厚度0.03mm,此时的体能量密度为55J·mm -3, 采用最优工艺进行 SLM 成形,所得成形件的相对 密度为99.24%。由图2可以看出,随着激光功率的 增加,成形件的相对密度先增大后趋于稳定,随着扫 描间距和铺粉厚度的增加,成形件的相对密度呈下 降趋势。 匙孔内部存在较多未熔 化的粉末颗粒,此时匙孔主要是因为粉末的不充分 熔化造成,较低的激光功率不足以充分熔化较厚的 粉末床,导致熔池深度较浅,此时在表面张力的影响 下 ,熔池浸润性较差,粉末成形性变差,从而导致成形件的致密性下降;当激光功率提高到200 W,扫 描间距降低至0.15 mm 时,成形件表面匙孔的数 量明显减少,表面成形质量显著提高,这是因为随 着激光功率 的 提 高,粉 末 吸 收 足 够 的 热 量 而 充 分 熔化,熔池 的 长 度、宽 度 和 深 度 增 加,粉 末 层 间 结 合能力 变 强,成 形 件 表 面 质 量 提 高,相 对 密 度 增 大;当激光 功 率 为 200 W,扫 描 间 距 为 0.10 mm, 铺粉厚度为0.06mm 时,成形件的表面质量较好, 该成形件表面平整,匙孔基本消失,这是由于随着 铺粉厚度的 降 低,仅 需 较 小 的 激 光 功 率 便 可 将 合 金粉末 完 全 熔 化,熔 体 浸 润 性 好,成 形 件 表 面 平 整,粗糙度 小,且 具 有 较 高 的 致 密 性;继 续 增 大 功 率到250 W 后,成形件孔隙数量增加,且孔隙为接 近圆形或椭圆形的气孔,尺寸相较于匙孔较小,此 时成形件的相对密度降低。 

2.2 孔隙形成机理 SLM 成形

 Ti6Al4V 合金中存在着 2 种孔隙, 分别为气孔和匙孔。气孔呈圆形或椭圆形,直径在 1~100μm 之间,在成形件中随机分布,如图4所 示。气孔的产生主要由 SLM 成形工艺参数与气体 因素共同决定,工艺参数包括激光扫描速度、激光功 率与光斑直径等,气体因素则包括成形前激光选区 熔化设备中填充的氮气、氩气等惰性气体,金属蒸气 以及合金粉末中的氧,虽然粉末的氧含量较低(一般 质量分数小于0.15%),但也会对粉末的成形性产 图4 SLM 成形 Ti6Al4V合金中的气孔形貌 P=250W h=0 15mm t=0 06mm Fig 4 PorositymorphologyinTi6Al4ValloyformedbySLM P=250W h=0 15mm t=0 06mm 生影响[13]。在 SLM 成形过程中,高功率的激光使 熔池内部产生较高的温度梯度,设备中的部分惰性 气体或合金粉末蒸气未来得及逸出便被熔池捕获, 从而在成形件内部形成直径较小的气孔,进而影响 成形件的致密性[14]。 由图5可以看出,匙孔呈现楔状或带状,尺寸比 气孔大,其内部存在大量未熔化的合金粉末,未熔粉 末簇拥在一起形成粉末团,严重影响合金成形质量。 匙孔的形成与SLM 成形过程中涉及的复杂热物理 变化息息相关。在高能量激光束作用下,合金粉末 吸收大量的热量,温度急速升高并超过熔点后即发 生熔化形成熔池。若部分下层粉末未充分熔化,则 熔池内部会发生球化效应和皱缩效应,合金内部就 会形成匙孔[15]。匙孔的产生主要与SLM 工艺参数选取不当有关。当激光功率较低时,此时的激光能 量不足以完全熔化合金粉末,或者当铺粉厚度过大 时,激光无法将粉末完全熔化,均会导致成形件中形 成匙孔。

 3 结 论 

(1)在 Ti6Al4V 合金 SLM 成形过程中,铺粉 厚度对成形件相对密度的影响最大,扫描间距次之, 激光功率的影响最小;成形件的相对密度随激光功 率的增加先增大后趋于稳定,随扫描间距和铺粉厚 度的增加而逐渐减小,随体能量密度的增加而增大; 根据正交试验得到最优工艺组合为激光功率200 W、 激光扫描间距0.10mm、铺粉厚度0.03mm,此时成 形件的相对密度为99.24%。 (2)SLM 成形 Ti6Al4V 合金内部存在气孔和 匙孔两种孔隙;气孔主要由熔池内部较高的温度梯 度造成设备内部的惰性气体、粉末蒸气等未及时逸 出所导致,匙孔主要由工艺参数不当,熔池发生球化 效应以及皱缩效应所引起。 

来源：材料与测试网