激光功率和掃描速度對選區激光熔化成形TC4鈦合金組織和性能的影響

吳慧敏，羅志強，金勝然

(1.河南農業職業學院，鄭州 451450；2.鄭州大學材料科學與工程學院，鄭州 450001)

0 引 言

Ti-6Al-4V(TC4)鈦合金因具有密度小、比強度高、強塑性良好和高溫變形能力強等優點而廣泛應用于航空發動機、火箭發動機及導彈殼體等方面。采用傳統熔煉、鑄造等工藝制造時，鈦合金中活性較高的鈦會與氧、氮、氫等發生劇烈反應，因此對工藝設備環境要求高，而且鈦合金的導熱性較差，其復雜形狀零件成形困難[1-3]。選區激光熔化(SLM)成形工藝是一種利用激光束熱作用使金屬粉末快速熔化和凝固的近凈成形技術，能夠直接成形得到致密且力學性能良好的復雜形狀金屬零件[4-6]，有望彌補傳統制造工藝的不足。在SLM成形過程中，成形工藝參數選擇不當引起的復雜熱交互和金屬飛濺等[7-10]會影響成形件的表面粗糙度和使用性能，因此研究成形工藝參數如激光功率和激光掃描速度等對成形件組織與性能的影響對于制備高表面質量、高性能復雜形狀金屬零件具有重要意義[11-13]，而目前這方面的研究較少。為此，作者研究了激光功率和激光掃描速度對SLM成形TC4鈦合金表面粗糙度、顯微組織、硬度和拉伸性能的影響，為SLM成形復雜形狀鈦合金零件提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗原料為TC4鈦合金粉末，采用等離子霧化法制備，由中航邁特粉冶科技(北京)有限公司提供，化學成分(質量分數/%)為6.3Al，3.98V，0.16Fe，0.02C，0.10O，0.011H，0.01N，余鈦。粉末顆粒呈類球形，粒徑在18～75 μm，組織為針狀α′馬氏體，如圖1所示。

圖1 TC4鈦合金粉末的微觀形貌和粒徑分布Fig.1 Micromorphology (a-b) and particle size distribution (c) of TC4 titanium alloy powder: (a) low magnification morphology and (b) high magnification morphology

在SLM 280 HL型光纖激光器上成形TC4鈦合金試樣。在成形前通過solidworks、Magics和SLM solution軟件對設計的試樣進行切片處理并設置激光掃描參數。選用與成形材料成分相同的鍛態TC4鈦合金為基板(尺寸為250 mm×250 mm×20 mm)，將基板打磨、清洗、吹干并預熱至220 ℃。將成形腔抽真空并充入高純氬氣(純度99.96%，氧質量分數低于200×10-7)后，采用落粉斗送粉、鋪粉輥鋪粉方式進行SLM成形。激光掃描策略如圖2所示，共分為3層，激光功率為50～300 W，激光掃描速度為250～1 750 mm·s-1，鋪粉層厚度為30 μm，光斑直徑為90 μm，掃描道間距為100 μm，相鄰層之間的掃描方向偏轉60°。

圖2 激光掃描策略示意Fig.2 Diagram of laser scanning strategy

1.2 試驗方法

采用Filmetrics Profilm 3D型光學輪廓儀測試成形試樣的表面粗糙度Ra，測試區域尺寸為5 mm×5 mm。采用Nova Nano SEM430型鎢燈絲掃描電鏡(SEM)觀察成形試樣上表面的微觀形貌。采用帕納科Empyrean型銳影X射線衍射儀(XRD)分析成形試樣的物相組成，采用銅靶，Kα射線，掃描范圍為34°～43°，掃描步長為0.02°。采用線切割法在成形試樣上截取金相試樣，磨拋，用Kroll試劑腐蝕后，在萊卡DVM6型光學顯微鏡上觀察平行于成形方向的縱截面顯微組織。在成形試樣上線切割出厚度為0.6 mm試樣，手工打磨后沖壓成直徑3 mm薄片，然后進行電解雙噴減薄(電解液為580 mL甲醇+360 mL乙二醇單丁醚+50 mL高氯酸混合溶液，電解溫度為-45 ℃，電解電壓為20 V)，在FEI Tecnai G2 F20型透射電子顯微鏡(TEM)上進一步觀察縱截面顯微組織。采用HVS-1000型數顯維氏硬度計測試成形試樣的顯微硬度，載荷1.96 N，保載時間15 s，在縱截面上、中、下層分別取2個點測試。在Instron 5967型萬能拉伸試驗機上對成形試樣進行室溫拉伸試驗，試樣標距部分尺寸為φ5 mm×25 mm，拉伸速度為0.5 mm·min-1，測3組試樣取平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 對表面粗糙度的影響

由圖3可以看出：隨著激光掃描速度的增加，高激光功率下試樣的上表面粗糙度增大，低激光功率下則呈波動增加趨勢，側表面粗糙度先急劇減小，當激光掃描速度達到850 mm·s-1及以上時基本不變；激光功率越大，試樣上表面粗糙度越小，側表面粗糙度在激光掃描速度小于850 mm·s-1時呈相反趨勢，當激光掃描速度不小于850 mm·s-1時，不同激光功率下的側表面粗糙度相近。

圖3 不同激光功率和掃描速度下SLM成形試樣的上表面和側表面粗糙度Fig.3 Upper surface (a) and lateral surface (b) roughness of SLM formed samples at differet laser power and scanning speeds

2.2 對微觀形貌的影響

由圖4可以看出：在激光掃描速度1 150 mm·s-1下，當激光功率為50 W時，由于熱輸入較小，粉末沒有完全熔化，成形試樣上表面熔道中出現半熔化的合金粉末和球形顆粒，熔道呈現半連續分布特征；當激光功率為100 W時，試樣上表面的熔道質量提高，但搭接效果仍較差，熔道表面可見局部孔洞；激光功率增大至150 W時，熔道搭接效果改善，孔洞等缺陷減少，但局部仍存在半熔化粉末和球形顆粒；激光功率增大至200 W及以上時，試樣上表面由連續熔道組成，孔洞等缺陷基本消除，局部可見少量粉末球化產生的球形顆粒，整體成形質量較好。

圖4 在激光掃描速度1 150 mm·s-1、不同激光功率下SLM成形試樣的上表面SEM形貌Fig.4 SEM morphology of upper surface of SLM formed samples at laser scanning speed of 1 150 mm·s-1 and different laser power

由圖5可以看出：在激光功率200 W下，當激光掃描速度為250 mm·s-1時，試樣上表面熔道搭接效果較好，局部可見孔洞和球形顆粒；隨著掃描速度增大，試樣上表面熔道的搭接效果逐漸惡化，球形顆粒逐漸增多；當激光掃描速度達到1 450 mm·s-1及以上時，上表面熔道呈半連續未搭接形貌，局部出現半熔化粉末和孔洞缺陷，因此上表面粗糙度增大[14]。

圖5 在激光功率200 W、不同激光掃描速度下SLM成形試樣的上表面SEM形貌Fig.5 SEM morphology of upper surface of SLM formed samples at laser power of 200 W and different laser scanning speeds

2.3 對顯微組織的影響

由圖6可以看出：當激光功率為200 W,激光掃描速度為250 mm·s-1時，試樣縱截面可見粗大等軸β晶以及晶內針狀α′相；當激光掃描速度增至550 mm·s-1時，激光貫穿深度減小造成成形組織由等軸β晶和外延生長的柱狀β晶組成；當激光掃描速度增加至850 mm·s-1及以上時，試樣縱截面可見與成形方向相同的外延生長的柱狀β晶，并且當激光掃描速度為1 750 mm·s-1時柱狀β晶發生了扭曲。

圖6 在激光功率200 W、不同激光掃描速度下SLM成形試樣縱截面的顯微組織Fig.6 Microstructure of longitudinal section of SLM formed samples at laser power of 200 W and different laser scanning speeds

由圖7可以看出，當激光功率為200 W,激光掃描速度分別為250，1 150 mm·s-1時，試樣縱截面組織中均可見針狀α′相和尺寸不一的納米級β相，且高掃描速度下的針狀α′相寬度更小，β相含量更低。

圖7 在激光功率200 W、不同激光掃描速度下SLM成形試樣的縱截面TEM形貌Fig.7 TEM morphology of longitudinal section of SLM formed samples at laser power of 200 W and different laser scanning speeds

2.4 物相組成

由圖8可以看出，當激光功率為200 W，激光掃描速度從250 mm·s-1增大至1 450 mm·s-1時，SLM成形試樣的α′相衍射峰逐漸向大角度方向偏移，半高寬逐漸增大，這主要與SLM成形過程中熔池的冷卻速率有關[15]。隨著激光掃描速度增加，激光熱輸入減小，熔池冷卻速率增大，試樣中納米級β相析出量減少，α′相晶格尺寸減小，其衍射峰朝大角度方向偏移。

圖8 在激光功率200 W、不同激光掃描速度下SLM成形試樣的XRD譜Fig.8 XRD patterns of SLM formed samples at laser power of 200 W and different laser scanning speeds

2.5 對顯微硬度的影響

由圖9可以看出：當激光掃描速度為250 mm·s-1時，隨著激光功率增加，SLM成形試樣縱截面上部、中部和下部區域的顯微硬度均增大，且相同激光功率下上部區域的硬度最高，下部區域的最低；當激光功率為200 W時，隨著激光掃描速度增加，SLM成形試樣縱截面上部、中部和下部區域的顯微硬度均減小，且當激光掃描速度不大于850 mm·s-1時，上部區域的硬度最高，下部的最低，當激光掃描速度在1 150 mm·s-1及以上時，3個區域的硬度較為接近。推測顯微硬度的變化主要與組織中針狀α′相和納米級β相的形態有關[5]。當激光掃描速度相同時，隨著激光功率的增加，單位體積內激光熱輸入增大，α′相粗化并且硬度較高的納米級β相析出量增多，因此試樣的硬度增大。當激光功率相同時，激光掃描速度的增加降低了單位體積內的激光熱輸入，針狀α′相粗化趨勢降低，同時納米級β相含量減少[6]，因此試樣的硬度降低；在較低的掃描速度下，熔道下部區域的α′相由于受到激光熱輸入作用發生粗化，而上部區域由于冷卻速率較快而細化，因此上部區域的硬度高于下部區域的；但激光掃描速度在1 150 mm·s-1及以上時，激光貫穿性較弱，中部和下部區域的α′相不會發生明顯粗化，因此上部、中部和下部區域的硬度較為接近。

圖9 激光功率和掃描速度對SLM成形試樣縱截面不同位置顯微硬度的影響Fig.9 Effect of laser power (a) and laser scanning speed (b) on microhardness at different locations on longitudinal section ofSLM formed samples

2.6 對拉伸性能的影響

由圖10可以看出：當激光掃描速度為1 150 mm·s-1時，隨著激光功率增加，SLM成形試樣的抗拉強度逐漸減小，但減小幅度不大，抗拉強度均介于1 350～1 400 MPa之間，而斷后伸長率在激光功率為200～250 W時基本保持在7.5%左右，在激光功率增加至275 W時降低至5.0%；當激光功率為200 W時，激光掃描速度的變化對SLM成形試樣抗拉強度的影響較小，斷后伸長率則隨激光掃描速度的增加先增大后減小，當激光掃描速度為1 150 mm·s-1時試樣獲得較好的強度和塑性匹配。

圖10 激光功率和掃描速度對SLM成形試樣室溫拉伸性能的影響Fig.10 Effect of laser power (a) and laser scanning speed (b) on room temperature tensile properties of SLM formed samples

綜上，單一因素激光功率或激光掃描速度對SLM成形試樣抗拉強度的影響不大，但對斷后伸長率的影響較為顯著。這主要與試樣中的納米級β相有關[16-17]。較低掃描速度下成形件中的β相含量較高，而高硬度納米級β相在外力作用下會阻礙位錯運動并降低斷后伸長率[18]，

3 結 論

(1) 隨著激光掃描速度增加，高激光功率下SLM成形TC4鈦合金試樣的上表面粗糙度增大，低激光功率下則呈波動增大趨勢，側表面粗糙度先急劇減小后趨于穩定；隨著激光功率的增大，試樣上表面粗糙度減小，側表面粗糙度先增大后趨于穩定。

(2) 隨著激光功率的增大或掃描速度的減小，試樣成形質量提高，縱截面組織中的針狀α′相尺寸減小，β相含量降低。

(3) 隨著激光功率的增大或掃描速度的減小，試樣側表面上、中、下部的硬度均增大。改變激光功率或掃描速度對試樣抗拉強度的影響不大，但對斷后伸長率的影響較大，在激光功率為200 W，掃描速度為1 150 mm·s-1時試樣可獲得較好的強度和塑性匹配。