選區(qū)激光熔化工藝參數(shù)對鈦合金Ti-6Al-4V成形質(zhì)量的影響研究*

袁美霞，華 明，陳欣祎，孟 浩

（北京建筑大學(xué)，北京 100044）

選區(qū)激光熔化技術(shù)（Selective laster melting，SLM）屬于增材制造技術(shù)，該技術(shù)以金屬粉末為原料，運用離散、堆積原理，基于計算機控制技術(shù)，采用高能量源激光束對原料進行逐點、逐層熔化堆積成形出產(chǎn)品。SLM 技術(shù)相比傳統(tǒng)的加工技術(shù)，能夠制造出具有復(fù)雜形狀的金屬零件，實現(xiàn)復(fù)雜零件的快速制造，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了材料的利用率，降低了開發(fā)成本[1-3]。選區(qū)激光熔化技術(shù)制造的產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用到諸多領(lǐng)域，如航空航天、建筑、軌道車輛、醫(yī)療器械等產(chǎn)業(yè)[4-6]。

目前，SLM 技術(shù)可成形的原材料品類很多，如鈦合金、鋁合金、不銹鋼、高溫合金、鈷鉻合金等。各原材料的物理性能、化學(xué)性能和工藝性能不盡相同，因此在熔化成形過程中，其成形工藝參數(shù)也不同，成形質(zhì)量各異。選區(qū)激光熔化技術(shù)應(yīng)用的局限是工藝參數(shù)與加工材料的匹配關(guān)系不明確，使得應(yīng)用該技術(shù)的企業(yè)需要前期進行大量試驗，才能確定滿足質(zhì)量要求的成形工藝參數(shù)。近年來，許多研究人員已經(jīng)做了相關(guān)方面的研究。宗學(xué)文等[7]研究了選區(qū)激光熔化成形的Ti-6Al-4V 合金的摩擦磨損特性，發(fā)現(xiàn)了不同方向摩擦性能的差異并闡述了磨損機制。張建國等[8]研究了選區(qū)激光融化成形不同空間結(jié)構(gòu)多孔合金的力學(xué)性能，表明復(fù)合結(jié)構(gòu)綜合力學(xué)性能更優(yōu)異，為醫(yī)用植入提供了新的理論基礎(chǔ)。Sagbas[9]和 Oyesola[10]等對選區(qū)激光融化的工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，以期提高成形件的表面質(zhì)量。Wang 等[11]采用選區(qū)激光熔化成形了薄壁鈦合金結(jié)構(gòu)，分析了壓縮過程并描述了薄壁件的變形破壞機理。門正興等[12]研究了選區(qū)激光熔化成形的Ti-6Al-4V 合金葉片疲勞壽命問題，展示了超高周疲勞裂紋的產(chǎn)生機制。Xiao 等[13]研究了選區(qū)激光融化成形鈦合金成形過程的重熔問題，發(fā)現(xiàn)成形質(zhì)量隨重熔次數(shù)先提升后下降。

盡管科研人員對SLM 工藝參數(shù)做了很多研究，但SLM 成形參數(shù)對Ti-6Al-4V 平面度、直線度誤差的影響的研究很少。本文主要以線間距、點間距、曝光時間為變量，以Ti-6Al-4V 鈦合金粉末為原料，通過對試件表面形貌、平面度、直線度數(shù)據(jù)采集與分析，研究線間距、點間距和曝光時間對表面形貌、幾何精度誤差的影響規(guī)律，對制定Ti6Al4V 鈦合金的SLM 成形工藝參數(shù)具有指導(dǎo)意義。

1 試驗及方法

1.1 試驗設(shè)備及材料

試驗所用金屬3D 打印機型號為雷尼紹AM400 （圖1（a）），該打印機內(nèi)部的Nd∶YAG 激光器連續(xù)脈沖激光模式波長為1075nm，最大功率為400W，激光束直徑為70μm，能夠加工體積不超過250mm×250mm× 300mm 的零件。相較于連續(xù)激光器，脈沖式激光器能輸出更高峰值功率，并在該功率下通過激光輻照更加充分地使不銹鋼粉末熔化。曝光時間指激光輻照作用在金屬粉末的時長，可通過3D 打印機自帶分層軟件設(shè)置調(diào)整該時間段長短。打印機工作區(qū)滿足封閉環(huán)境的必要條件，同時使用氬氣作為保護氣體，以保持氧氣濃度低于200×10-6。

使用如圖1（b）所示的基恩士（KEYENCE）VKX250K 形狀測量激光顯微系統(tǒng)對SLM 成形試件的表面形貌及粗糙度數(shù)據(jù)信息進行采集。使用如圖1（c）所示的三豐精密量儀有限公司的三坐標測量儀Crysta-Plus M544 對試件的平面度和直線度誤差進行測量。

圖1 試驗設(shè)備Fig.1 Experimental equipment

SLM 增材制造試驗選用Ti-6Al-4V 鈦合金粉末。鈦合金Ti-6Al-4V 比重較小、質(zhì)量輕，使用溫度范圍較寬，具有非常好的機械性能和耐腐蝕性，適用于機械制造和航空航天、醫(yī)用人工關(guān)節(jié)等領(lǐng)域。此粉末含有Ti、Fe、C、O、N、H、Al 及V 等元素，其質(zhì)量分數(shù)如圖2 所示。在振實情況下密度為2.77g/cm3，松裝情況下密度為2.43g/cm3，流動性為37.85g/50g。顆粒的粒度控制在15～53μm，粉末形貌如圖3 所示。

圖2 打印粉末的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Fig.2 Chemical composition of the printing powder (mass fraction, %)

圖3 粉末形貌圖Fig.3 Powder morphology

1.2 試驗方案

該試驗主要是研究點距、曝光時間和線間距對鈦合金試件的加工精度的影響。SLM 成形過程采用如圖4 所示的掃描策略，其中d為點間距；δ為線間距；黑色箭頭為掃描方向，因為是脈沖激光器，每一個面是由點成線再成面的。為了減少氣孔和不良缺陷，曝光時間范圍一般在60～100μs，選用的能量密度范圍為50～110J/mm3?；谏鲜黾s束，故SLM 成形參數(shù)選用層厚50μm，激光功率P為250W，激光掃描速率為500mm/s。以曝光時間、點間距、線間距作為變量，選定線間距分別為0.050mm、0.075mm、0.100mm、0.124mm 以及0.140mm。選擇點間距為30μm、40μm、50μm，曝光時間為60μs、80μs、100μs，如表1 所示，共15 組SLM 成形參數(shù)。

圖4 掃描策略Fig.4 Scanning strategy

表1 成形試驗工藝參數(shù)Table 1 Forming test process parameters

在上述成形參數(shù)下，打印成形15 個長12.5mm×寬2.5mm×高2.5mm 的鈦合金Ti-6Al-4V 榫構(gòu)件，如圖5 所示。使用VK-X250K 形狀測量激光顯微系統(tǒng)對SLM 成形試件的表面形貌及粗糙度數(shù)據(jù)信息進行采集，使用三坐標測量儀Crysta-Plus M544 對試件的平面度和直線度誤差進行測量。為了減小誤差，對同一個試件分別測量5次直線度、平面度誤差，取其平均值。通過對采集數(shù)據(jù)的分析，研究SLM 工藝參數(shù)線間距、點間距、曝光時間對鈦合金Ti-6Al-4V 試件的表面形貌、幾何精度的影響規(guī)律。

圖5 SLM 成形試件三維圖及尺寸（mm）Fig.5 Three-dimensional drawing and size of SLM forming test piece (mm)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 表面形貌及缺陷

通過基恩士VK-X250K 形狀測量激光顯微系統(tǒng)采集的成形試件的表面形貌，如圖6～8 所示。在曝光時間/點間距為60μs/30μm 時，隨著掃描線間距的增大，試件表面微觀組織結(jié)構(gòu)變得粗大，試件微觀組織紋路從整齊變得扭曲。在曝光時間/點間距分別為100μs/50μm 時，試件表面微觀組織也表現(xiàn)出了同樣的變化趨勢。而曝光時間/點間距為80μs/40μm 時，表面形貌在線間距從0.05mm 到0.075mm 時變得平整些，而線間距從0.075mm 到0.124mm 時平整度下降，但在線間距為0.14mm 時可以看到此時表面形貌優(yōu)于線間距為0.124mm 和0.1mm 時，但差于線間距0.075mm 時。究其原因，根據(jù)SLM 成形原理，兩個熔池以及兩條熔道之間是存在搭接的，曝光時間會直接影響熔池的大小進而影響搭接比例。當掃描速度一定、線間距由小變大時，熔道搭接比例會從不合理到合理再到不合理。在曝光時間少時會出現(xiàn)組織粗大和斷口（圖6（e）），這是由于線間距過大導(dǎo)致粉末融化不充分便冷卻了；當曝光時間過長時可以看到組織的扭曲，如圖6、圖7、圖8（c）～（e）所示，這是由于熔池過大導(dǎo)致相鄰熔道發(fā)生了干擾。

在線間距δ為0.05mm 時對比圖6（a）、圖7（a）和圖8（a），可以看到隨著曝光時間與點間距的增大，表面形貌呈現(xiàn)出一種先平整再到不平整的趨勢。通過比較線間距分別為0.075mm、0.1mm、0.124mm、0.14mm時不同的曝光時間與點間距匹配下的表面形貌，也可發(fā)現(xiàn)一致變化規(guī)律。究其原因，是曝光時間/點間距為80μs/40μm 時與掃描速度和激光功率匹配，粉末融化充分。故線間距為0.075mm、曝光時間/點間距為80μs/40μm 時，可獲得較優(yōu)表面形貌。

圖6 曝光時間/點間距為60μs/30μm 試件的表面形貌Fig.6 Surface morphology of specimen with ratio of exposure time to point spacing of 60μs/30μm

圖7 曝光時間/點間距為80μs/40μm 試件的表面形貌Fig.7 Surface morphology of specimen with ratio of exposure time to point spacing of 80μs/40μm

圖8 曝光時間/點間距為100μs/50μm 試件的表面形貌Fig.8 Surface morphology of specimen with ratio of exposure time to point spacing of 100μs/50μm

通過基恩士VK-X250K 形狀測量激光顯微系統(tǒng)對SLM 成形試件的表面形貌進行觀察，如圖9 所示?？梢杂^察到多條裂紋與表面組織脫落，究其原因在于SLM 是一個急速加熱急速冷卻的過程，這一過程在幾秒的時間內(nèi)發(fā)生，熔池具有較高的溫度梯度和冷卻速度，導(dǎo)致熔池難以保證溫度變化均一，試件內(nèi)部就容易產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。當試件內(nèi)應(yīng)力超過材料的屈服強度時，就會產(chǎn)生裂紋以釋放內(nèi)應(yīng)力。而多條裂紋組合作用則可導(dǎo)致材料組織脫落。即使采取最優(yōu)試驗數(shù)據(jù)成形鈦合金，由于溫度梯度和殘余應(yīng)力無法徹底消除，故裂紋是不可避免的，只能優(yōu)化參數(shù)來減少裂紋的產(chǎn)生。

圖9 SLM 打印表面裂紋Fig.9 Cracks on SLM printed surface

從圖6～8 可以看到大小不一的圓形或近圓形的亮點，這些亮點是球化現(xiàn)象的體現(xiàn)。在曝光時間80μs、點間距40μm、線間距0.05mm 時成形的試件表面的微觀立體結(jié)構(gòu)如圖10 所示，存在明顯的球化現(xiàn)象，有一大兩小3 個球化點。大球化點的產(chǎn)生是因為曝光時間與掃描速度不匹配，掃描速度相對快時，熔道會存在某一段粉末融化完整而臨近一段粉末融化不完整，從而影響最終表面形貌；當曝光時間相對長時，熔池過大以致吸收同一臨近的粉末，也影響表面形貌。小球化點的產(chǎn)生往往伴隨著大尺寸球化點的出現(xiàn)，小尺寸球化現(xiàn)象產(chǎn)生是因為金屬液和粉末受到高速激光的沖擊而發(fā)生飛濺，故小球化點大小不同、分布隨機。大球化點可通過加熱工作臺、調(diào)整工藝參數(shù)得到改善，而小球化點則難以通過改善工藝解決。球化情況的出現(xiàn)對于成形試樣的品質(zhì)有較大影響，會直接導(dǎo)致掃描線路不連續(xù)，降低了致密度，影響其表面的粗糙度并造成鋪粉不平整進而影響到加工精度。

圖10 打印表面球化Fig.10 Printed surface spheroidization

2.2 SLM 工藝參數(shù)對鈦合金試件幾何精度的影響

在打印功率250W、打印速率500mm/s 時，線間距在0.05～0.14mm 范圍內(nèi)，試件的直線度誤差變化規(guī)律如圖11 所示。線間距從0.05mm 變化到0.14mm 時，曝光時間/點間距為60μs/30μm、80μs/40μm、100μs/50μm 時成形的試件的直線度誤差均呈現(xiàn)先下降后上升趨勢。由圖11 可知，曝光時間/點間距為60μs/30μm 時最優(yōu)線間距為0.124mm，曝光時間/點間距為100μs/50μm 時最優(yōu)線間距為0.075mm，曝光時間/點間距為80μs/40 μm 時最優(yōu)線間距為0.124mm。

在打印功率250W、打印速率500mm/s 時，線間距在 0.05～0.14mm 范圍內(nèi)，試件的平面度誤差變化規(guī)律如圖12 所示。線間距從0.05mm 變化到0.14mm 時，曝光時間/點間距為60μs/30μm、100μs/50μm 時成形的試件的平面度誤差均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，而曝光時間/點間距為80μs/40μm 時呈現(xiàn)先上升后下降再上升的趨勢，與直線度圖像變化趨勢類似。

誤差產(chǎn)生原因，首先是成形過程中試件不同部位溫度差距大，在冷卻過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致翹曲現(xiàn)象，而翹曲對幾何精度影響較大，由于翹曲現(xiàn)象的存在，整個平面會呈現(xiàn)一個從面中心到平面邊緣曲率越來越大的趨勢，邊緣處誤差會大于中心處；其次是因為金屬液冷卻凝固時金相組織分布不是絕對均勻，翹曲的程度不一樣；另外是球化現(xiàn)象和粉粒飛濺難以消除，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)偏差。在圖11 和圖12 中都可以看到曝光時間/點間距為100μs/50μm 時直線度和平面度誤差都有一個較大的下降，原因是0.05mm 的線間距太小，使得每一層相鄰熔道互相干擾，導(dǎo)致最終的上表面成形質(zhì)量差。而曝光時間/點間距為60μs/30μm 的兩條折線走向是因為曝光時間短，導(dǎo)致融化凝固的過程不完全，所以整體誤差偏高。曝光時間/點間距為80μs/40μm 時圖像在最底下，是因為此時粉末融化適度，從而組織均勻?qū)嵝院茫瑧?yīng)力分布均勻，對幾何誤差影響小。因此，在曝光時間80μs、點間距40μm、線間距0.124mm 時，試件的直線度和平面度都最優(yōu)。

圖11 SLM 成形參數(shù)對直線度誤差的影響Fig.11 Influence of SLM forming parameters on straightness error

圖12 SLM 成形參數(shù)對平面度誤差的影響Fig.12 Influence of SLM forming parameters on flatness error

3 結(jié)論

（1）SLM 掃描間距、點間距與SLM 成形微觀形貌有著明顯的相關(guān)性，隨著掃描線間距的增大，試件微觀表面微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出從整齊有序、組織均勻到雜亂、扭曲的變化趨勢。

（2）SLM 成形過程容易發(fā)生熔池失穩(wěn)熔滴飛濺和金屬粉末飛濺，出現(xiàn)球化現(xiàn)象，曝光時間/點間距為100μs/50μm 時成形件表面球化最少。

（3）SLM 是一個急速加熱急速冷的過程，成形試件會出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致Ti-6Al-4V 試件有裂紋出現(xiàn)。

（4）隨著掃描線間距的增大，直線度誤差、平面度誤差呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，曝光時間為80μs、點間距為40μm 時的成形精度較好，優(yōu)于曝光時間為60μs、100μs，點間距為30μm、50μm 條件下的成形件的精度。