增材制造SLM 工藝對Ti6Al4V 表面織構成型質量的影響

崔雲崴 田 斌 王子妍 馮青源 冉志勇

（北京工商大學人工智能學院，北京 100048）

鈦合金具有低密度、高比強度、耐高溫、耐腐蝕和高生物相容性等優點，是醫療器械、石油化工、船舶與海洋工程等重點領域機械制造零部件的常用材料之一[1]。采用3D 打印技術制造鈦合金零部件，具有成型效率高、成型質量好、工藝簡化、生產周期短、材料利用率高以及制造柔性化程度高等優勢[2]。

由于3D 打印鈦合金產品具有的高尺寸精度，使得通過后處理工藝進行表面性能改善受到高溫和變形等限制[3]。對于傳統工藝制備的鈦合金，利用激光拋光、表面滲氮[4]、表面鍍制固體潤滑膜[5]以及表面合金化[6]等技術可不同程度提高鈦合金零件表面的減摩抗磨性能[7]。但滲氮、熱噴涂等表面處理的高溫會造成熱變形，而表面織構化的影響相對較小[8-9]。已有研究表明，對傳統工藝制備的鈦合金進行織構化處理，可有效改善零件表面摩擦學性能，其中織構的直徑、深度、密度和形狀等參數都有重要影響[10-15]。Biswas S 等[11]對Ti-6Al-4V 試樣進行表面織構化處理后，相比基體，織構化鈦合金試樣的磨損率從4.4 μg/N/m 降低到2.4 μg/N/m，摩擦系數從1.73 降為0.359。毛璐璐等[12]研究表明，較小的凹坑深度、合適的凹坑面積率和凹坑直徑，可有效降低TC4 鈦合金的摩擦因數，其中織構最優參數為直徑230 μm、深度10 μm、面密度14%；連峰等[13]研究得出間距100 μm 的不同形狀織構均能提高TC4 鈦合金的耐磨性，但間距為200、300 μm時，相比網格織構和直線織構，只有凹坑織構可減小摩擦因數；徐鵬飛等[14]研究表明，Ti-6Al-4V 表面網紋型織構在寬度0.2 mm、深度0.125 mm、間寬比10、角度45°時，摩擦副的穩態摩擦系數最小。王明政等人[15]研究發現網格型織構對鈦合金耐磨性的提升更顯著，其中寬度和間距均為200 μm 的網格型織構磨損率最低。

以上研究表明，織構的直徑、深度和邊緣質量等都會影響試樣表面性能的改善效果，因此研究表面織構制備過程中的織構成型質量尤為重要。鄭凱瑞等[16]在YG8 硬質合金刀具表面制備了溝槽型微織構，發現織構深度和直徑與激光掃描速度成反比，與激光功率成正比。其原因在于掃描速度升高，則激光作用在試樣表面的時間縮短，材料去除率降低；激光功率增大，則激光能量密度增加，材料去除能力增加。同時發現，織構內部的球狀熔融物堆積隨激光功率的增加逐漸增多，但隨掃描速度的增加逐漸減少。當激光功率為20 W、掃描速度為300 mm/s時，織構底部的熔融物較少，織構成型質量較好。王斌等[17]采用光纖激光技術在Invar 36 合金塊上制備凹槽微織構，發現凹槽微織構寬度與激光掃描次數成反比，而微織構深度與激光功率和掃描次數均成正比，微織構邊緣凸起高度與激光掃描速度成反比。劉奇等[18]采用激光打標機在CoCrMo 合金塊表面制備了織構，研究發現激光路徑為單側推進時制備的織構質量較差，織構邊緣毛刺高度差異較大且分布不均勻，而圓形走線方式則較為理想。激光路徑為水平和垂直相互疊加時，金屬熔融物堆積增多，導致織構邊緣毛刺較高。然而，以上研究中并沒有對試樣表面織構的理論尺寸和實際成型尺寸之間的差異進行比較研究，而這對表面織構化處理本身來說非常重要，也會對機械部件的表面性能產生直接影響。

綜上所述，現有研究中對鈦合金表面織構的制備都是采用激光織構后處理的“兩步法”，對于3D 打印鈦合金部件，如果能夠將表面織構制備和部件成型同步完成，將具有很好的理論和實際價值，但目前將零部件3D 打印和表面織構制備同步完成的“一步法”研究的報道較少。Kovac? H 等[19]利用選擇性激光熔覆（SLM）工藝在316L 不銹鋼表面進行了一步法制備微織構研究，重點探討了不同織構形狀和密度對316L 不銹鋼表面摩擦性能的影響，結果表明3D 打印一體成型的表面織構可以改善316L 不銹鋼表面摩擦學性能，且與面密度6.6%相比，面密度26%、直徑418 μm 的圓形織構試樣的改性效果更好。然而，合金材料成分的不同會對其表面織構成型情況產生顯著影響，目前對于鈦合金3D 打印一體成型制備表面織構的一步法研究還未見報道，更沒有對鈦合金一體成型后不同織構理論直徑和深度對其實際成型質量影響的研究。因此，本文將以TC4 鈦合金為研究對象，基于“一步法”思路，在選擇性激光熔覆（SLM）工藝下制備表面具有凹坑織構的TC4 鈦合金試樣，探究其成型可行性及不同尺寸參數對織構成型質量的影響，為3D 打印鈦合金零部件表面織構化處理提供借鑒。

1 實驗設備和實驗方案

1.1 實驗材料

本文中3D 打印所采用的TC4 鈦合金粉末，由飛而康快速制造科技有限責任公司提供（生產批號：NBBKY-2020-044），粒徑分布為D10=19.46 μm、D50=38.95 μm、D90=61.52 μm，振實密度為2.77 g/cm3，松裝密度為2.34 g/cm3，流動性為 39.74 s/50 g，化學成分見表1。

表1 Ti-6Al-4V 粉末的化學成分（%）

1.2 實驗設備及方法

采用雷尼紹公司生產的3D 打印設備Renishaw AM 400，在選擇性激光熔覆（SLM）工藝下制備Ti-6Al-4V 鈦合金塊狀試樣。試樣尺寸為20 mm×10 mm×2 mm。具體實驗參數：激光掃描功率為200 W、曝光時間為80 μs、點距為50 μm、線距為75 μm、層厚為50 μm。為了比較凹坑織構參數對其成型的影響，試樣表面的凹坑織構采用不同的理論直徑和深度，理論織構直徑包括50 μm、100 μm、200 μm、400 μm 和800 μm；理論織構深度包括50 μm、100 μm、150 μm、200 μm 和300 μm。為了便于標示試樣，文中將直徑和深度參數用于試樣區分，其中，D400H100 代表試樣的織構直徑為400 μm、深度為100 μm。

采用光學相機對鈦合金試樣的整體形貌進行觀察；采用Phenom 掃描電鏡（SEM）對鈦合金試樣表面織構的微觀形貌進行觀察；采用位移精度0.005 mm 的VHX-600E 三維超景深顯微鏡對鈦合金試樣表面織構的形貌進行觀察，并對其成型的實際直徑和深度進行測試分析，以同一參數下試樣的平均直徑和平均深度作為其實際直徑和實際深度數值進行比較。

2 實驗結果與討論

2.1 TC4 鈦合金織構試樣的設計與制備

圖1 所示為一步法制備獲得的試樣實物的光學形貌，可以發現試樣表面理論織構直徑為800 μm和400 μm 的區域存在明顯圓形凹坑織構，織構邊緣清晰，成型完整；而試樣表面理論織構直徑為200 μm、100 μm、50 μm 的區域則明顯不能觀察到清晰完整的凹坑織構，因此由光學相機獲得的形貌結果可知，利用一步法在3D 打印鈦合金試樣表面制備凹坑織構會受到理論尺寸的顯著影響。

圖1 試樣實物圖

2.2 不同織構直徑TC4 鈦合金試樣的SEM 形貌

圖2 所示為理論織構深度為50 μm 的不同理論織構直徑的3D 打印TC4 鈦合金試樣的表面SEM 形貌。

圖2 不同理論織構直徑TC4 鈦合金試樣的表面SEM 形貌

由圖2 可見，在50 μm 的單層鋪粉厚度條件下，試樣表面D100H50 和D200H50 織構區域無明顯的凹坑織構形成，只留下了激光熔覆處理的圓形邊緣印跡；而在試樣表面D400H50、D800H50 區域則存在完整的凹坑織構。由于鈦合金粉末顆粒大小、激光直徑、激光熱影響區域等因素在3D 打印一體成型過程中對基體表面存在影響，結合圖1 和圖2 的結果可以確認，在本文的實驗參數條件下，可以采用一步法在TC4 鈦合金表面制備直徑400 μm 以上的凹坑織構。同時發現凹坑深度一定時，隨著織構直徑的增加，織構凹坑內未熔化的鈦合金粉末增多，凹坑內壁和底部附著的粉末和瘤狀物也增多。D800 試樣織構內部顆粒狀粉末明顯多于D400 試樣，主要是凹坑織構直徑較大時，凹坑織構邊緣的熱影響不均勻以及激光熔覆時凹坑周圍粉末顆粒飛濺掉入所致。

2.3 不同織構深度TC4 鈦合金試樣的SEM 形貌

為了研究織構深度對織構成型的影響，分別選取成型效果較好的400 μm 和800 μm 作為理論織構直徑，對具有不同理論深度的織構試樣形貌進行分析。圖3 所示為D400 和D800 區域不同理論深度凹坑織構的SEM 圖。

由圖3 可見，不同深度的D400 和D800 試樣表面凹坑織構中部都呈現明顯的圓形凹陷，且隨著深度的增加，凹坑形貌更為明顯。凹坑邊緣存在較寬的一圈凸起，這是3D 打印一體成型過程中激光對輪廓進行掃描熔覆時留下的，凸起表面均存在搭接痕跡。

進一步對比凹坑織構的內部形貌可以發現，凹坑織構內部的邊緣和底部均存在顆粒狀粉末和瘤狀物黏結，這些顆粒狀粉末大小不一，尺寸從數微米到一百微米不等，且這些粉末顆粒之間存在不同程度的連接。比較D400 和D800 試樣的形貌可見，顆粒狀粉末和瘤狀物隨著理論織構直徑的增大而增多，隨著理論織構深度的增大而增多。結合3D 打印一體成型的工序與粉末在凹坑內呈逐層分布的特點，可知這是由于激光掃描熔覆過程中TC4 鈦合金熔化不完全以及多次熔覆過程中凹坑周圍粉末顆粒飛濺所致，凹坑織構深度越深則掃描次數越多，相應形成的未熔粉末越多，飛濺現象越明顯，經過逐次累積，最終形成較多較大的“瘤狀物”，加工過程中液態金屬飛濺到凹坑底部未熔化金屬粉末上也會形成更多更大的“球化”顆粒。

2.4 TC4 鈦合金織構試樣的成型尺寸

為進一步觀察不同理論織構直徑在不同理論織構深度下的實際成型尺寸情況，采用立體成型效果更好的VHX-600E 超景深顯微鏡以D400 和D800 織構試樣為例進行對比分析。圖4 所示為超景深顯微鏡觀察的D400 和D800 凹坑織構的表面形貌?？梢杂^察到D400 和D800 凹坑織構整體接近圓形，個別凹坑呈橢圓形，且D800 凹坑織構形貌更規則；凹坑邊緣輪廓具有一定寬度，凹坑邊緣表面有明顯的激光掃描線條狀形貌。凹坑織構的邊緣清晰，有助于其織構直徑進行準確測量。

圖4 超景深顯微鏡觀察的D400 和D800 凹坑織構的表面形貌

下文中的凹坑織構的實際直徑和實際深度，均為測量得到的凹坑織構的平均直徑和平均深度，為了獲得更好的代表性，針對同等條件下的3 個凹坑織構進行尺寸測試。由于不同理論深度下凹坑織構的實際成型質量不同，為了更好地反映同一條件下不同凹坑試樣成型后實際尺寸相對其平均尺寸的離散程度，通過誤差棒的方式來反映其標準差，如圖5 所示；進一步地，實際測試得到的平均直徑和平均深度與理論尺寸之間存在差異，以不同理論深度下獲得的凹坑織構的平均直徑和平均深度為對象，將其與理論直徑和理論深度對比，得到平均直徑誤差和平均深度誤差，反映實際成型凹坑尺寸平均值與理論尺寸之間的接近程度，見表2。

圖5 不同理論深度下D400 和D800 區域織構的實際直徑和深度

表2 D400 和D800 區域織構的理論尺寸和實際尺寸對比

圖5 a 所示為不同理論深度下D400 凹坑織構的實際直徑和實際深度，隨著理論織構深度的增加，成型凹坑織構的實際直徑圍繞400 μm 上下浮動，且先增加后減小，實際直徑最小為392 μm，最大為433 μm。每個參數條件下凹坑織構的實際直徑和實際深度數據的離散性相對較好，誤差棒的高度變化都不大。結合表2 的理論尺寸和實際尺寸的對比分析可見，隨著理論織構深度的增加，D400 凹坑織構的平均直徑誤差同樣呈先增加后減小的趨勢。理論織構深度為50 μm 時，其平均直徑誤差最小為2.08%，實際直徑與理論直徑最相近，織構在直徑方向成型質量最好；理論織構深度為150 μm 時，其平均直徑誤差最大為8.37%。D400 凹坑織構的平均深度誤差隨理論織構深度的增加逐漸減小。理論織構深度為50 μm 時，D400 凹坑織構的實際深度與理論深度相差較多，平均深度誤差最大，達到27%，此時織構的實際深度為64 μm，織構在深度方向成型質量較差。深度從150 μm 開始，D400 凹坑織構的平均深度誤差明顯降低，織構理論深度為300 μm 時，平均深度誤差最小為2.23%，實際深度為307 μm，實際深度與理論深度最相近，織構在深度方向成型質量最好。綜合來看，在較小的織構直徑下，理論織構深度的增加更有利于實際深度尺寸的成型。

圖5 b 所示為不同理論深度下D800 凹坑織構的實際直徑和實際深度，隨著理論織構深度的增加，成型凹坑織構的實際直徑圍繞800 μm 上下浮動，實際直徑最小為773 μm，最大為834 μm。不同理論織構深度下，D800 試樣的實際直徑離散性變化不大，但實際深度數據離散性方面相比D400 試樣有所加大，體現在誤差棒高度明顯增加。結合表2分析，D800 凹坑織構的平均直徑誤差呈現整體下降趨勢，但變化程度不顯著，表明凹坑織構在較大理論直徑條件下，增加理論織構深度對凹坑織構的成型實際直徑的影響不再顯著。理論織構深度為300 μm 時，實際直徑為777 μm，此時平均直徑誤差最小為2.84%，實際直徑與理論直徑最相近，織構在直徑方向成型質量最好。理論織構深度為100 μm時，平均直徑誤差最大為4.25%。理論織構深度為150 μm 時，織構實際成型直徑顯著降低。由圖5b的實際深度和表2 分析可見，D800 試樣隨凹坑織構理論深度的增加，其平均深度誤差無明顯變化規律。理論織構深度為150 μm 時，平均深度誤差最小，僅為3.47%，其實際深度為145 μm，實際深度與理論深度最相近，織構在深度方向成型質量最好；理論織構深度為200 μm 時，平均深度誤差達到最大，為25.87%，其實際深度為252 μm，織構在深度方向成型質量較差?？傮w來看，D800 凹坑織構的平均深度誤差值均較高，與D400 試樣相比，其平均深度誤差呈現增大趨勢，表明3D 打印一步法制備大直徑織構時其深度方向受到激光熔覆熱影響和未熔粉末飛濺影響更顯著，導致其成型質量可控性較差。綜合比較，D800H150 試樣的平均直徑誤差和平均深度誤差均較小，成型質量最好。

綜上所述，以不超過10%的誤差作為較好成型質量的判定，可以得到以下優化結果：D400H300試樣和D800H150 試樣的平均直徑誤差和平均深度誤差均較小，織構成型質量相對較好。

3 結語

（1）采用金屬3D 打印機在SLM 工藝下，利用一步法成功制備表面具有直徑400 μm 以上凹坑織構的TC4 鈦合金試樣。

（2）TC4 鈦合金試樣的凹坑織構整體接近圓形，凹坑內部存在未熔粉末和“瘤狀物”團聚，且隨織構直徑和深度的增大而增多。

（3）對于一步法獲得的3D 打印TC4 鈦合金表面凹坑織構，理論織構直徑和理論織構深度對其實際成型尺寸有著明顯影響。對于D400 凹坑織構，隨理論織構深度的增加，其實際直徑和平均直徑誤差均呈先增加后減小的趨勢，平均深度誤差則逐漸減小。理論織構深度為50 μm 時，平均直徑誤差最小為2.08%；理論織構深度為300 μm 時，平均深度誤差最小為2.23%。對于D800 凹坑織構，隨理論織構深度增加，其平均直徑誤差呈下降趨勢，其平均深度誤差無明顯變化規律。理論織構深度為300 μm時，平均直徑誤差最小為2.84%；理論織構深度為150 μm 時，平均深度誤差最小，僅為3.47%。

（4）比較來看，對于一步法獲得的3D 打印TC4 鈦合金，表面凹坑織構的實際成型上，直徑方向的成型質量優于深度方向。以不超過10% 的誤差作為較好成型質量的判定，可以得到以下優化結果：D400H300 試樣和D800H150 試樣的平均直徑誤差和平均深度誤差均較小，成型質量相對較好。