梁曉康，陳濟(jì)輪，嚴(yán)振宇，侯誼飛，黃 超，何京文（首都航天機(jī)械公司，北京100076）

激光選區(qū)熔化成形TC4鈦合金表面粘粉及殘余應(yīng)力研究

梁曉康，陳濟(jì)輪，嚴(yán)振宇，侯誼飛，黃 超，何京文
（首都航天機(jī)械公司，北京100076）

采用激光選區(qū)熔化成形技術(shù)制備了TC4鈦合金試樣，檢測(cè)分析了試樣的表面粘粉現(xiàn)象及表面殘余應(yīng)力分布狀態(tài)。在保證熔池充分熔化的前提下，減少熔池?zé)彷斎肟捎行Ь徑獬尚渭砻娴恼撤郜F(xiàn)象。成形件沿生長方向存在較大的拉伸殘余應(yīng)力，易導(dǎo)致層間剝離，應(yīng)通過后續(xù)熱處理減小殘余應(yīng)力累積。

激光選區(qū)熔化成形；TC4鈦合金；表面粘粉；表面殘余應(yīng)力

激光選區(qū)熔化成形 （selective laser melting，SLM）技術(shù)是采用激光束對(duì)合金粉末逐層掃描、疊加成形的數(shù)字化增材制造方法（圖1）。該技術(shù)不受構(gòu)件復(fù)雜程度的影響，可直接制備出形狀復(fù)雜、尺寸精度高、組織結(jié)構(gòu)致密、性能穩(wěn)定的構(gòu)件，且后續(xù)加工量甚少，在航空航天等工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。

圖1 SLM制造過程示意圖

鈦及其合金是20世紀(jì)50年代興起并開始用于航空航天領(lǐng)域的重要金屬材料，具有較高的比強(qiáng)度和熱強(qiáng)度，且重量輕、抗蝕性能好，能充分發(fā)揮設(shè)計(jì)制造一體化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。TC4為α+β型兩相鈦合金，具有良好的綜合性能，是使用最廣泛的一種鈦合金[4]。但是，鈦合金本身具有的高熔點(diǎn)、高熔融態(tài)活性及大的變形抗力使鈦合金的傳統(tǒng)機(jī)械加工具有一定的難度。隨著新型航空航天飛行器對(duì)其零部件服役性能的要求日益提高，鈦合金材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制備技術(shù)成為制造技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。

本文將通過SLM技術(shù)成形TC4鈦合金材料，觀察分析激光功率、掃描速度、掃描間距等工藝參數(shù)對(duì)成形件表面粘粉現(xiàn)象及表面應(yīng)力狀態(tài)分布的影響，為TC4鈦合金材料的SLM高精度成形奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

采用TC4鈦合金球形粉末，其合金成分見表1，形貌見圖2。實(shí)驗(yàn)前，粉末材料置于真空烘干箱進(jìn)行處理，以除去吸附在粉末表面的水分。成形基材選用商業(yè)純鈦，規(guī)格為250 mm×250 mm×30 mm。先對(duì)基材表面進(jìn)行吹砂處理，用干凈綢布蘸取酒精或丙酮擦拭基板上表面，以去除吹砂帶來的多余粉體。

表1 TC4鈦合金粉末化學(xué)成分

圖2 TC4鈦合金粉末形貌

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由YLR-200型光纖激光器（峰值功率400 W）、掃描振鏡及聚焦系統(tǒng)、刮板鋪粉系統(tǒng)、氣氛保護(hù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。設(shè)備的最小鋪粉厚度為20 μm，配備的氣氛保護(hù)系統(tǒng)具有抽真空和填充惰性保護(hù)氣體的功能，以滿足TC4鈦合金成形時(shí)對(duì)H2、O2、N2等氣體含量的要求。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用單因素實(shí)驗(yàn)并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析的方法，開展激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù) （如激光功率、掃描速度、填充間距等）對(duì)成形件表面粘粉現(xiàn)象及表面應(yīng)力狀態(tài)分布規(guī)律的研究。實(shí)驗(yàn)采用的工藝參數(shù)見表2。

表2 TC4鈦合金激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)

通過SEM掃描電鏡對(duì)1～8#試樣表面進(jìn)行觀察分析；采用X射線衍射方法測(cè)量21～24#試樣表面的殘余應(yīng)力。每個(gè)試樣取6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)點(diǎn)測(cè)試X方向和Y方向的殘余應(yīng)力，測(cè)量點(diǎn)編號(hào)見圖3。

圖3 TC4鈦合金SLM制件及測(cè)量點(diǎn)編號(hào)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)對(duì)表面粘粉現(xiàn)象的影響

圖4是不同工藝參數(shù)下，SLM成形試片的表面狀態(tài)。分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)成形表面質(zhì)量影響較大的參數(shù)主要為線能量密度、填充間距和掃描輪廓。

對(duì)比分析線能量密度分別為450 J/m （1～3#）、300 J/m（5～7#）時(shí)成形件表面狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)線能量密度高時(shí)表面粘粉現(xiàn)象較嚴(yán)重。這主要是由于線能量密度高時(shí)，熔池?zé)彷斎胼^大，熔池周圍有更多的軟化粉末，周圍粉末的粘附效應(yīng)更明顯，因此表面粘粉現(xiàn)象更嚴(yán)重。

對(duì)比分析填充間距分別為 0.06 mm（1、5#）、0.08 mm（2、6#）、0.10 mm（3、7#）時(shí)成形件表面狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)隨著填充間距增加，成形件表面狀態(tài)逐漸改善，表面粘粉現(xiàn)象減弱。這主要是由于隨著填充間距的增加，成形層熱輸入減小，軟化的粉末減少，粉末粘附效應(yīng)降低，因此表面粘粉現(xiàn)象得到改善。

對(duì)比分析有、無掃描輪廓時(shí)成形件表面狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加掃描輪廓時(shí)（4、8#），成形件表面粘粉較多，但表面平整度得到一定改善。這主要是由于輪廓掃描會(huì)對(duì)成形層進(jìn)行重熔，提高成形層的平整度，但掃描輪廓一般采用較低的激光功率密度，與粉末層作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的半熔粉末，因此表面粘粉現(xiàn)象更嚴(yán)重。

圖4 SLM成形TC4試樣表面形貌

2.2 工藝參數(shù)對(duì)表面殘余應(yīng)力分布的影響

如圖5a所示，21#試樣5、6兩測(cè)點(diǎn)在X、Y兩個(gè)方向的殘余應(yīng)力值均較小，且無明顯規(guī)律，故在22～24#試樣上未進(jìn)行5、6兩點(diǎn)的測(cè)量。

上述試樣采用分區(qū)掃描策略，根據(jù)線長設(shè)置，試樣X-Y截面上存在2個(gè)分區(qū)區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)1、2測(cè)點(diǎn)。由圖5可看到，由于分區(qū)掃描導(dǎo)致每個(gè)試樣左右兩部分表面呈現(xiàn)不一樣的狀態(tài)，每組對(duì)應(yīng)位置測(cè)點(diǎn)上（1和2測(cè)點(diǎn)、3和4測(cè)點(diǎn)）的殘余應(yīng)力值都不同，表明分區(qū)掃描對(duì)殘余應(yīng)力值有一定影響。特別是1、2測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值表現(xiàn)出的現(xiàn)象較復(fù)雜，甚至出現(xiàn)了壓應(yīng)力現(xiàn)象，需進(jìn)一步優(yōu)化掃描策略（如采用較大線長或減少分區(qū)）實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的控制。

圖5 21～24#試樣各測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力

由圖6可看出，當(dāng)線能量密度一定時(shí)，隨著填充間距的增加，成形層內(nèi)的殘余應(yīng)力有減小的趨勢(shì)。這主要是由于隨著填充間距的增加，層內(nèi)的激光能量累積較小，導(dǎo)致殘余應(yīng)力也較小。

圖6 21～24#試樣1、2測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力對(duì)比圖

圖7 21～24#試樣3、4測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力對(duì)比圖

由圖7可看出，3、4測(cè)點(diǎn)在Y方向的殘余應(yīng)力值都大于X方向。Y方向?yàn)樯L方向，該方向的拉伸殘余應(yīng)力易導(dǎo)致層與層之間的剝離。這主要是由于Y方向上不同位置的兩點(diǎn)分別屬于上下兩層粉末，存在較大的溫度梯度[5]，因而產(chǎn)生了更大的殘余應(yīng)力。

3 結(jié)論

（1）線能量密度、填充間距、掃描輪廓等工藝參數(shù)對(duì)成形件表面粘粉現(xiàn)象的影響較明顯。在保證熔池充分熔化的前提下，應(yīng)盡量減少熔池?zé)彷斎胍蕴岣叱尚渭砻尜|(zhì)量。

（2）掃描策略對(duì)表面殘余應(yīng)力分布有一定的影響。當(dāng)線能量密度一定時(shí)，隨著填充間距的增加，成形層表面殘余應(yīng)力有減小的趨勢(shì)。

（3）成形件沿生長方向存在較大的拉伸殘余應(yīng)力，易導(dǎo)致層間剝離，應(yīng)通過后續(xù)熱處理減小殘余應(yīng)力累積。

[1] 梁曉康，董鵬，陳濟(jì)輪，等.激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V鈦合金的顯微組織及性能 [J].應(yīng)用激光，2014，34（2）：101-104.

[2] 楊永強(qiáng)，王迪，楊斌，等.激光快速成型技術(shù)在精密金屬零件快速制造中的應(yīng)用 [J].航空制造技術(shù)，2010（16）：48-52.

[3] 朱林泉，白培康，朱江森.快速成型與快速制造技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

[4] 王向明，劉文珽.飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[5] 黃衛(wèi)東.激光立體成形 [M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

Study on Surface Adhesion and Residual Stress of TC4 Titanium Alloy by Selective Laser Melting

Liang Xiaokang，Chen Jilun，Yan Zhenyu，Hou Yifei，Huang Chao，He Jingwen
（Capital Aerospace Machinery Company，Beijing 100076，China）

TC4 titanium alloy samples were fabricated by selective laser melting，the surface adhesion and the residual stress distribution of the samples were analyzed.Under the premise of ensuring the full melting of the weld pool，reducing the heat input of the molten pool can effectively alleviate the surface adhesion.There is great tensile residual stress along the growth direction，which is easy to lead to delamination between layers.The residual stress accumulation should be reduced by the heat treatment.

selective laser melting；TC4 titanium alloy；surface adhesion；residual stress

TG669

A

1009－279X（2016）05－0052-04

2016-01-28

梁曉康，男，1985年生，工程師。