EBM成型TC4鈦合金研究進(jìn)展

苗普 李強(qiáng) 潘登

摘要：電子束熔化成型技術(shù)（electron beam melting，EBM）是3D打印的代表性技術(shù)之一，特別適合傳統(tǒng)工藝不易加工的Ti-6A1-4V合金（TC4鈦合金）的快速成型，

目前在航空航天、化工、生物醫(yī)療等領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用前景。從EBM的原理出發(fā)，綜述了EBM制備TC4鈦合金的顯微組織、缺陷以及力學(xué)性能。分析了受成型工藝參數(shù)和成型件位置等因素影響的冷卻速度的變化所導(dǎo)致的TC4鈦合金的顯微組織發(fā)生變化;并指出了導(dǎo)致TC4鈦合金出現(xiàn)缺陷的主要原因。EBM成型TC4鈦合金的拉伸性能已與鍛造TC4鈦合金相當(dāng)，其較低的疲勞強(qiáng)度可以通過熱等靜壓處理提高。

關(guān)鍵詞：電子束熔化成型;TC4鈦合金;顯微組織;缺陷;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG 146.2⁺3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

TC4鈦合金因具有耐腐蝕、比強(qiáng)度高、韌性好、生物相容性優(yōu)異等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、生物醫(yī)療等重要領(lǐng)域。但傳統(tǒng)工藝下加工TC4鈦合金存在材料利用率低、制造成本高、難變形等缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了TC4鈦合金的推廣應(yīng)用，3D（threedimensional，3D）打印技術(shù)的出現(xiàn)將改善這一現(xiàn)狀。

3D打印其學(xué)名為增材制造（material additivemanufacturing，AM），起源于20世紀(jì)90年代的快速成型技術(shù)（rapid prototyping，RP）。區(qū)別于減材制造，它采用了離散/堆積原理，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將加工零件的3D實(shí)體模型切成一系列具有一定厚度的薄片，3D打印設(shè)備對(duì)加工數(shù)據(jù)分析處理后連續(xù)加工出每一個(gè)薄片并進(jìn)行堆疊，繼而形成致密實(shí)體零件。3D打印技術(shù)適用于加工任何形狀的零件，并具有材料利用率高、成本低、高柔性和高集成化等優(yōu)點(diǎn)，特別適合TC4鈦合金的成型。3D打印技術(shù)主要有選擇性激光熔化成型技術(shù)（selective lasermelting，SLM）、激光近凈成型技術(shù)（laser engineered net shaping，LENS）和電子束熔化成型技術(shù)（electron beam melting，EBM）。其中，EBM成型相較于其他兩種成型技術(shù)有很多優(yōu)勢(shì)：（1）EBM成型采用電子束為能量源，制造過程中無反射，能量利用率高;（2）EBM成型是在真空環(huán)境下進(jìn)行的，能夠有效避免空氣中其他元素的污染;（3）EBM成型由于能量輸入高，掃描速度快，所以成型效率比其他成型技術(shù)高;（4）EBM成型零件的殘余應(yīng)力較小，可不需要后續(xù)熱處理，節(jié)省能源。

本文從EBM技術(shù)原理出發(fā)，對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果進(jìn)行歸納總結(jié)，闡述不同工藝參數(shù)下EBM成型TC4鈦合金制件的顯微組織、缺陷及其力學(xué)性能，最后對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1EBM原理及主要參數(shù)

EBM技術(shù)的工作原理如圖1所示。首先，通過Magicsl9.0軟件對(duì)零件三維模型按一定的厚度進(jìn)行切片分層處理，從而獲得零件的整體二維信息。然后，EBM系統(tǒng)均勻地將合金粉末按照一定的厚度平鋪至基板上，并以電流通過鎢絲形成的電子束作為熱源，在聚焦線圈和電磁偏轉(zhuǎn)線圈的作用下，對(duì)基板上的合金粉末進(jìn)行掃描熔化。電子束每掃描熔化一層，工作臺(tái)就下降一個(gè)層高度，然后重新鋪粉，電子束重復(fù)掃描熔化加工，并且每個(gè)加工層相互凝結(jié)成為整體。整個(gè)制造過程是在真空環(huán)境下進(jìn)行的，從而有效地避免了鈦合金在加工過程中被氧化的可能性。制造完成后，EBM系統(tǒng)將零件從建造室中取出并放置在粉末回收系統(tǒng)（powderrecovery system，PRS）中，在PRS中使用高壓空氣以除去黏附在零件表面上的粉末，最終得到表面光滑的成型零件。

EBM技術(shù)的主要參數(shù)有電子束電流、加速電壓、掃描速度、層厚度、掃描線間距和焦點(diǎn)補(bǔ)償?shù)龋ㄟ^調(diào)整這些參數(shù)可以獲得不同的能量密度，如增大電子束電流或降低掃描速度，就可以獲得更高的能量密度。能量密度的大小很大程度上影響了成型件的顯微組織、缺陷及力學(xué)性能，合適的能量密度將會(huì)使合金具有更好的力學(xué)性能。由于EBM技術(shù)獨(dú)特的成型工藝，EBM成型TC4鈦合金成型件與常規(guī)制造（如鍛造）TC4鈦合金成型件的顯微組織和力學(xué)性能有所不同。

2 EBM成型TC4鈦合金顯微組織及缺陷

2.1EBM成型TC4鈦合金顯微組織與影響因素

EBM成型TC4鈦合金在成型過程中的溫度變化影響了它的顯微組織。首先，粉末在電子束的作用下熔化，液態(tài)合金溫度達(dá)到1700℃左右，遠(yuǎn)高于TC4鈦合金β相轉(zhuǎn)變溫度（995℃），此時(shí)液態(tài)合金由原始的β晶粒構(gòu)成;而后，隨著電子束的遠(yuǎn)離，液態(tài)合金迅速冷卻至構(gòu)建溫度（一般為650-700℃）保持穩(wěn)定，變?yōu)楣虘B(tài)，此時(shí)合金發(fā)生α→α+β，析出針狀α相與柱狀β相。A1-Bermani等認(rèn)為在此階段冷卻速度大于410℃/s時(shí)，會(huì)析出亞穩(wěn)α馬氏體，長(zhǎng)時(shí)間處在高溫環(huán)境中又使之分解為α+β層狀結(jié)構(gòu)，且大部分為細(xì)小的針狀α板條，少部分為β相。而后成型TC4鈦合金由構(gòu)建溫度緩慢冷卻至室溫，合金顯微組織沒有明顯改變，仍由α+β相構(gòu)成。EBM成型TC4鈦合金與鍛造成型TC4鈦合金顯微組織如圖2所示。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)EBM成型TC4鈦合金顯微組織做了大量研究，發(fā)現(xiàn)成型工藝參數(shù)、成型件的位置、成型件尺寸等因素均會(huì)影響成型過程中合金的冷卻速率，進(jìn)而影響其晶粒尺寸。Hrabe等發(fā)現(xiàn)，在保證能量輸入可以使TC4鈦合金粉末完全熔化形成致密零件的條件下，適當(dāng)增大電子束掃描速度，會(huì)造成熔池尺寸減小，冷卻速率增大，從而析出更細(xì)小的α板條及β相。Murr等和王等發(fā)現(xiàn)EBM成型TC4鈦合金不同位置的顯微組織不同。如圖3所示，沉積高度較低的位置，由于更靠近成型基板從而具有較高的冷卻速率，是不穩(wěn)定的生長(zhǎng)區(qū)，易于析出細(xì)小針狀α相;沉積高度越高的位置，其α板條越厚，β晶粒越大;沉積一定高度后，處于穩(wěn)定生長(zhǎng)區(qū)，α板條以及β晶粒尺寸趨于穩(wěn)定。Wang等也研究了成型件尺寸對(duì)EBM成型TC4鈦合金顯微組織的影響，發(fā)現(xiàn)在逐層熔化凝固過程中，尺寸較小的樣品的冷卻速率較大，因此析出更為細(xì)小的α相。Galarraga等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，EBM成型TC4鈦合金顯微組織的變化與其在構(gòu)建室的停留時(shí)間有關(guān)，如果停留時(shí)間過長(zhǎng)，反而會(huì)造成沉積高度底的位置沉積高度更低、顯微組織更粗大的結(jié)果。

2.2EBM成型TC4鈦合金缺陷

由于工藝參數(shù)的不當(dāng)選擇或工藝干擾，EBM成型TC4鈦合金零部件可能會(huì)產(chǎn)生各種缺陷。Zhai等發(fā)現(xiàn)EBM成型TC4鈦合金顯微組織中存在兩種典型的缺陷：一種是由缺陷粉末中夾帶的氬氣引起的孔隙，如圖4（a）所示;另一種是由于合金粉末的熔化不良導(dǎo)致的孔隙，見圖4（b）。

Gong等根據(jù)輸入電子束能量密度的高低將TC4鈦合金缺陷分為兩大類。當(dāng)能量密度過低時(shí)，不足以使熔池與熔池、層與層之間完全連接，形成了不規(guī)則的熔化缺陷，并伴隨一定量孔隙。當(dāng)能量密度過高時(shí)，導(dǎo)致局部熱量急速上升，粉末熔化時(shí)在表面張力的作用下球化（粉末的導(dǎo)熱系數(shù)低），進(jìn)而形成的孔隙。Kahnert等發(fā)現(xiàn)能量輸入過高，不僅會(huì)使成型件表面質(zhì)量變差，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致涂粉系統(tǒng)的靶機(jī)停止工作，使得制造過程本身必須中止。此外，當(dāng)電子束電流超過某一閾值，合金粉末會(huì)被吹走，在層中留下了不規(guī)則的孔隙，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使得整個(gè)粉末床發(fā)生潰散，如圖5所示;對(duì)粉末床進(jìn)行預(yù)熱，以提高其黏附性，克服電子束對(duì)合金粉末的推力，可以避免粉末潰散現(xiàn)象的發(fā)生。缺陷會(huì)對(duì)于C4鈦合金的力學(xué)性能產(chǎn)生不利的影響，必須優(yōu)化EBM工藝參數(shù)，如控制掃描速度、調(diào)整掃描線間距和優(yōu)化電子束電流等，減少缺陷的產(chǎn)生。

3 EBM成型TC4鈦合金的力學(xué)性能

3.1EBM成型TC4鈦合金的拉伸性能

表1列出了不同EBM成型工藝下TC4鈦合金的力學(xué)性能。Bruno等研究了EBM成型與鍛造成型的TC4鈦合金的拉伸性能，由于EBM成型TC4鈦合金在成型過程中很容易出現(xiàn)孔隙缺陷，并且其顯微組織分布不均勻，導(dǎo)致它的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度最高分別為996MPa和919MPa，略低于鍛造成型的TC4鈦合金的強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為1034MPa，991MPa：）;王等也研究了EBM成型TC4鈦合金的拉伸性能，發(fā)現(xiàn)它的抗拉強(qiáng)度為1002MPa，屈服強(qiáng)度為932MPa，伸長(zhǎng)率為14.4%，所有的性能指標(biāo)均高于TC4鈦合金鍛件經(jīng)退火時(shí)效處理后的性能。

EBM成型TC4鈦合金的力學(xué)性能存在顯著的各向異性。Bruno等和Hrabe等發(fā)現(xiàn)EBM成型樣品的水平方向的抗拉強(qiáng)度強(qiáng)于豎直方向的抗拉強(qiáng)度（表1），而成型樣品的水平方向的伸長(zhǎng)率小于豎直方向的伸長(zhǎng)率。這是由于合金內(nèi)部B晶粒不均勻造成的：成型樣品主要沿垂直方向生長(zhǎng);水平方向形成較小的初生β晶粒減小了晶界處的應(yīng)力堆積，從而延緩了裂紋萌生，使之具有略大的伸長(zhǎng)率。

Hrabe等發(fā)現(xiàn)電子束掃描速度（與能量密度負(fù)相關(guān)）增大會(huì)使α板條的厚度略微減小（1.16μm→0.95un），進(jìn)而使抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和顯微硬度分別提高了2%，3%和2%。

Formanoir等將EBM成型TC4鈦合金分別在950℃保溫60min和1040℃保溫30min，均采用水冷和空冷兩種冷卻方式，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度略有降低，伸長(zhǎng)率未得到顯著提高，表明只有控制EBM成型關(guān)鍵參數(shù)是提高合金性能的有效方法。

3.2 EBM成型TC4鈦合金的疲勞性能

Chan等測(cè)試了EBM成型TC4鈦合金與軋制TC4鈦合金在600MPa（±10%）的交變彎曲應(yīng)力作用下的疲勞壽命（循環(huán)次數(shù)）。結(jié)果表明EBM成型TC4鈦合金的疲勞壽命僅為軋制合金的疲勞壽命的17%;EBM成型TC4鈦合金的斷口處分布著由于熔化不良區(qū)域?qū)е碌牟煌螤畹目紫叮移浔砻娲植诙纫策h(yuǎn)高于軋制TC4鈦合金，這是其低疲勞壽命的重要原因。

Tammas-Williams等發(fā)現(xiàn)熱等靜壓（hotisostatic pressing，HIP）處理能有效地消除EBM成型TC4鈦合金中的絕大部分孔隙，如圖6所示。但如果樣品中存在一些隧道孔并且連接到表面，HIP處理下的高壓氬氣會(huì)滲透到隧道孔中，使得這些隧道缺陷輕微擴(kuò)張，造成HIP處理失效;在HIP前對(duì)樣品添加涂層，可去除隧道缺陷。Shui等發(fā)現(xiàn)EBM成型的TC4鈦合金經(jīng)HIP處理后，雖然。板條變厚，位錯(cuò)密度降低，抗拉強(qiáng)度以及屈服強(qiáng)度分別由870MPa和788MPa降至819MPa和711MPa，但HIP處理使組織變得更加均勻，合金相對(duì)密度由99.3%上升至99.8%，減少了裂紋萌生源，進(jìn)而使疲勞強(qiáng)度由460boa升高至580MPa。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，國(guó)內(nèi)外針對(duì)EBM成型TC4鈦合金的研究結(jié)果表明：EBM成型TC4鈦合金宏觀組織為沿構(gòu)建方向生長(zhǎng)的柱狀晶，顯微組織為α+β層狀結(jié)構(gòu)，冷卻速率越快，越易得到更精細(xì)的顯微組織。優(yōu)化工藝參數(shù)使EBM具有最佳能量密度，能有效避免大量缺陷的產(chǎn)生。后續(xù)HOP處理也能夠去除孔隙并使顯微組織均勻，雖然導(dǎo)致晶粒粗化、降低位錯(cuò)密度，合金強(qiáng)度略有下降，但卻能顯著提高疲勞性能。優(yōu)化EBM成型過程的各項(xiàng)參數(shù)，輔以恰當(dāng)?shù)暮罄m(xù)處理，能夠獲得與常規(guī)鑄鍛方式性能相當(dāng)?shù)腡C4鈦合金。EBM節(jié)省原材料、速度快、效率高，便于復(fù)雜形狀工件成型，必將逐步取代目前的減材制造方式應(yīng)用于航空航天、化工和醫(yī)療等領(lǐng)域。