激光選區(qū)熔化TA15材料缺陷分布研究

顧曉春，程爽爽，宋國華，2，王帥，李婷

1.北京星航機(jī)電裝備有限公司 北京 100074 2.航天增材科技（北京）有限公司 北京 100074

1 序言

增材制造技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)制造技術(shù)，具有材料利用率高、制造周期短、易成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)，尤其適合于航空航天復(fù)雜金屬構(gòu)件的快速制造[1-3]。激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)是目前在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種增材制造技術(shù)，歐洲空客公司和北京衛(wèi)星制造廠等已在其相關(guān)產(chǎn)品上應(yīng)用了采用SLM技術(shù)成形的構(gòu)件[4，5]。

由于SLM成形過程涉及復(fù)雜的物理化學(xué)過程，成形件內(nèi)部難以避免地會(huì)存在缺陷，如裂紋、氣孔、未熔合等。國內(nèi)研究人員對(duì)SLM成形件的缺陷成因、影響因素及如何避免缺陷開展了大量研究[6-11]，有力地推動(dòng)了SLM技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用。對(duì)于SLM成形件的缺陷情況，已有涉及TA15材料的研究較少，且主要集中在缺陷類型及成因分析上，對(duì)于缺陷分布的研究較少。

本文基于實(shí)際SLM成形TA15構(gòu)件的質(zhì)量控制與改進(jìn)需求，開展了激光選區(qū)熔化成形TA15材料缺陷分布研究，為SLM成形工藝的改進(jìn)和產(chǎn)品質(zhì)量驗(yàn)收條件的確定提供了支撐。

2 試樣制備與分析方法

2.1 試樣設(shè)計(jì)與制備

基于實(shí)際產(chǎn)品的幾何尺寸，同時(shí)考慮實(shí)際產(chǎn)品主要為薄壁構(gòu)件，以及SLM工藝已較為成熟，存在的缺陷主要是微小缺陷，因此需要采用金相顯微鏡對(duì)缺陷進(jìn)行分析。本文設(shè)計(jì)了0.6mm、1.0mm和1.5mm3種厚度，尺寸均為15mm×15mm的試樣，每種規(guī)格的試樣制備5件。

采用的TA15粉末粒度為15～53mm，粉末為球形粉末，球形度93%，粉末化學(xué)成分見表1。采用實(shí)際產(chǎn)品的工藝參數(shù)進(jìn)行SLM成形，具體見表2。為盡可能保證分析試樣與實(shí)際產(chǎn)品的一致性，分析試樣與實(shí)際產(chǎn)品一同隨爐制備。

表1 TA15粉末化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 SLM成形工藝參數(shù)

2.2 分析方法

基于實(shí)際產(chǎn)品的情況，本文重點(diǎn)關(guān)注缺陷在增長方向和厚度上的分布情況，為此選取了3個(gè)具有代表性的截面進(jìn)行缺陷分布分析，如圖1所示。3個(gè)截面分別標(biāo)記為截面A（試樣表層，距表面0.2～0.3mm）、截面B（距表面約Y向尺寸的1/4處）、截面C（距表面約Y向尺寸的1/2處）。

圖1 缺陷分析截面示意

采用掃描電鏡進(jìn)行缺陷分析，相比光學(xué)顯微鏡，掃描電鏡具有以下優(yōu)勢(shì)。

1）掃描電鏡景深長，放大倍數(shù)更高且調(diào)節(jié)方便，載物臺(tái)可以旋轉(zhuǎn)及傾斜，能夠更好地對(duì)缺陷清晰成像，從而便于全面、準(zhǔn)確地觀察和判斷缺陷的情況，特別是對(duì)于本研究所用試樣而言，缺陷尺度為幾微米到幾十微米量級(jí)，對(duì)缺陷清晰成像的要求很高，圖2和圖3分別為同一個(gè)缺陷的掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡照片，可見掃描電鏡的成像效果遠(yuǎn)好于光學(xué)顯微鏡，掃描電鏡可以對(duì)缺陷表面和內(nèi)部同時(shí)清晰成像，而金相顯微鏡則只能對(duì)缺陷表面（見圖3a）和內(nèi)部（見圖3b）分別成像，且對(duì)于缺陷內(nèi)部的成像效果較差。

圖2 某缺陷的掃描電鏡照片

圖3 某缺陷的光學(xué)顯微鏡照片

2）對(duì)于缺陷的分布研究而言，缺陷位置信息非常重要，掃描電鏡在觀察缺陷的同時(shí)可以方便地對(duì)其位置參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，而光學(xué)顯微鏡在這方面遠(yuǎn)不及掃描電鏡方便。

3 試樣缺陷類型

為明確不同類型缺陷的分布情況，先對(duì)缺陷的類型進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部主要存在氣孔和未熔合兩種缺陷，未發(fā)現(xiàn)裂紋、夾雜等其他缺陷。

根據(jù)氣孔缺陷的形成原理[7，8]，因其體積為球形或類球形，故其在金相照片上主要表現(xiàn)為圓形（見圖4a）或橢圓形（見圖4b）。

圖4 氣孔缺陷

觀察到的未熔合缺陷可以分為兩種：一種是未熔合孔洞，如圖5所示，可以看到缺陷內(nèi)部表面光滑，表面呈現(xiàn)典型的金屬流動(dòng)形態(tài)；另一種是層間未熔合，其是相鄰掃描線間的熔池未能有效搭接而形成的較大連續(xù)缺陷，典型的層間未熔合缺陷在二維尺度上一般具有較大的長寬比，如圖6所示。

圖5 未熔合孔洞

圖6 層間未熔合

4 激光選區(qū)熔化成形TA15材料缺陷分布

采用掃描電鏡對(duì)試樣3個(gè)不同截面上的缺陷進(jìn)行了觀察。記錄缺陷的類型和位置數(shù)據(jù)，由此繪制了缺陷的分布圖。

4.1 0.6mm厚試樣缺陷分布

5件0.6mm厚試樣在3個(gè)截面上的缺陷分布情況分別如圖7～圖9所示，分析表明，其缺陷分布表現(xiàn)出以下規(guī)律。

圖7 0.6mm厚試樣在截面A上的缺陷分布

圖8 0.6mm厚試樣在截面B上的缺陷分布

圖9 0.6mm厚試樣在截面C上的缺陷分布

1）試樣表面區(qū)域的缺陷數(shù)量明顯多于試樣內(nèi)部的缺陷數(shù)量。

2）未熔合缺陷主要分布于試樣表面區(qū)域，試樣內(nèi)部少有未熔合缺陷，即靠近表面區(qū)域的未熔合缺陷數(shù)量明顯多于試樣內(nèi)部的未熔合缺陷數(shù)量。

3）氣孔缺陷主要呈無規(guī)則的彌散分布，雖然未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，但分布于試樣表面區(qū)域的氣孔缺陷的數(shù)量略微占優(yōu)。

4）缺陷的分布呈現(xiàn)一定的聚集性趨勢(shì)，即缺陷的分布相對(duì)較為集中，大部分缺陷較為密集地分布于某些區(qū)域。

4.2 1.0mm厚試樣缺陷分布

5件1.0mm厚試樣在3個(gè)截面上的缺陷分布情況分別如圖10～圖12所示，分析表明，其缺陷分布規(guī)律與0.6mm厚試樣的缺陷分布規(guī)律相同。

圖10 1.0mm厚試樣在截面A上的缺陷分布

圖11 1.0mm厚試樣在截面B上的缺陷分布

圖12 1.0mm厚試樣在截面C上的缺陷分布

4.3 1.5mm厚試樣缺陷分布

5件1.5mm厚試樣在3個(gè)截面上的缺陷分布情況分別如圖13～圖15所示。分析表明，其缺陷分布規(guī)律與0.6mm厚試樣的缺陷分布規(guī)律相同。

圖13 1.5mm厚試樣在截面A上的缺陷分布

圖14 1.5mm厚試樣在截面B上的缺陷分布

圖15 1.5mm厚試樣在截面C上的缺陷分布

5 結(jié)束語

0.6mm、1.0mm、1.5mm共3種厚度的激光選區(qū)熔化成形TA15材料試樣內(nèi)部主要存在氣孔和未熔合缺陷，不同厚度試樣的缺陷均呈現(xiàn)相同的分布規(guī)律。

1）試樣表面區(qū)域的缺陷數(shù)量明顯多于試樣內(nèi)部的缺陷數(shù)量。

2）未熔合缺陷主要分布于試樣表面區(qū)域，試樣內(nèi)部少有未熔合缺陷。

3）氣孔缺陷主要呈無規(guī)則的彌散分布，但分布于試樣表面區(qū)域的氣孔缺陷數(shù)量略微占優(yōu)。

4）缺陷的分布呈現(xiàn)一定的聚集性趨勢(shì)。