梁曉康，周慶軍，嚴(yán)振宇，萬(wàn) 李，陶京新，張 偉

（首都航天機(jī)械有限公司，北京100076）

Ti-6Al-4V是一種α-β型兩相鈦合金，具有比 強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比高、耐蝕性好等優(yōu)異的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、造船、汽車(chē)等領(lǐng)域[1-2]，但其具有的高熔點(diǎn)、高熔融態(tài)活性及大變形抗力的特點(diǎn)為其制備成形過(guò)程帶來(lái)困難。隨著新一代航天、武器裝備對(duì)零部件服役性能要求的提高，鈦合金薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)成為制造業(yè)研究的熱點(diǎn)之一。比如在鈦合金、高溫合金等難加工金屬材料復(fù)雜型腔、型面、薄壁、變截面結(jié)構(gòu)的整體化制造方面，具有明顯優(yōu)勢(shì)的激光選區(qū)熔化（SLM）成形技術(shù)就是研究熱點(diǎn)之一。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)Ti-6Al-4V激光選區(qū)熔化過(guò)程微觀組織演化、力學(xué)性能檢測(cè)和冶金缺陷控制等方面進(jìn)行了較多研究。吳偉輝等[3-4]從理論上分析了金屬熔池球化的演變機(jī)制，提出了弱化消除球化的方法，并采用平均粒徑為75 μm的銅基合金粉末進(jìn)行了成形試驗(yàn)，還對(duì)以上分析進(jìn)行了驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)外有關(guān)Ti-6Al-4V激光選區(qū)熔化過(guò)程中的斷裂行為與斷裂機(jī)制的研究較少，比如張升等[5]分析了激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V試樣的開(kāi)裂機(jī)理，認(rèn)為主要是由顯微組織和殘余應(yīng)力引起，并提出了調(diào)整工藝參數(shù)、改善組織結(jié)構(gòu)以減少和避免開(kāi)裂的問(wèn)題。本文采用實(shí)驗(yàn)與斷口形貌分析的方法研究了姿態(tài)擺放、工藝制度和設(shè)備刮板等對(duì)Ti-6Al-4V激光選區(qū)熔化成形薄壁結(jié)構(gòu)斷裂行為和斷裂機(jī)制的影響，揭示了斷口形貌特征與微觀組織特征、力學(xué)性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，基于不同角度考慮提出了優(yōu)化的工藝方法和工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)采用NRD-SLM-Ⅲ型激光選區(qū)熔化成形設(shè)備。該設(shè)備由YLR-200型光纖激光器、掃描振鏡及聚焦系統(tǒng)、工作缸及成形件加熱系統(tǒng)、刮板式鋪粉裝置、氣體凈化系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。激光器最大功率為400 W、激光光斑直徑為80 μm、最小單層鋪粉厚度為20 μm，氣體凈化系統(tǒng)具有抽真空和回充惰性保護(hù)氣體功能，以滿足成形實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)氫、氧、氮等氣體含量的要求。

實(shí)驗(yàn)采用Ti-6Al-4V球形粉末，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，表面微觀形貌和粒徑分布見(jiàn)圖1?？梢?jiàn)，粉末具有良好的球形度，且粒徑分布較好地服從正態(tài)分布。在成形實(shí)驗(yàn)前，球形粉末在真空烘干箱中經(jīng)100～120℃高溫干燥，以去除可能吸附于粉末表面的水分等雜質(zhì)；對(duì)尺寸為250 mm×250 mm×30 mm的純鈦基板進(jìn)行表面吹砂處理，并用酒精擦拭去除吹砂帶來(lái)的多余粉體。Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)試樣的激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

2 姿態(tài)擺放對(duì)Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)斷裂行為與斷裂機(jī)制的影響

表1 Ti-6Al-4V粉末的化學(xué)成分

表2 Ti-6Al-4V粉末激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)表

圖1 Ti-6Al-4V粉末微觀形貌與粒徑分布圖

Ti-6Al-4V激光選區(qū)熔化成形橫向姿態(tài)和縱向姿態(tài)拉伸試片的斷口微觀形貌見(jiàn)圖2。橫向姿態(tài)試片與縱向姿態(tài)試片拉伸斷口形貌均為典型的等軸韌窩形貌，二者的區(qū)別在于：橫向姿態(tài)試片拉伸斷口韌窩形貌中韌窩細(xì)密且深，韌窩的大小分布更均勻；縱向姿態(tài)試片拉伸斷口韌窩形貌中韌窩較粗大且淺，大小分布不均勻；橫向姿態(tài)相較于縱向姿態(tài)，韌性和塑性更好。

圖2 不同姿態(tài)的Ti-6Al-4V試片拉伸斷口形貌

Ti-6Al-4V激光選區(qū)熔化成形橫向姿態(tài)和縱向姿態(tài)試片拉伸力學(xué)性能見(jiàn)圖3。一方面，橫向姿態(tài)和縱向姿態(tài)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度顯著高于鍛件強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)（σb：895 MPa，σ0.2：825 MPa），而延伸率明顯低于鍛件延伸率標(biāo)準(zhǔn)（δ5：10%）；另一方面，橫向姿態(tài)試片不僅塑性更好（δ5：8.1%），且抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度（σb：1390 MPa，σ0.2：1280 MPa）均高于縱向姿態(tài)試片，這與橫、縱向試片拉伸斷口韌窩形貌反映的情況一致。

圖3 不同姿態(tài)的Ti-6Al-4V試片拉伸力學(xué)性能

在Ti-6Al-4V激光選區(qū)熔化成形過(guò)程中，堆積方向的溫度梯度遠(yuǎn)大于其他方向，微觀組織呈現(xiàn)連續(xù)外延生長(zhǎng)的柱狀晶定向凝固特征，且生長(zhǎng)方向與堆積方向一致，這說(shuō)明不同掃描層間的熱影響區(qū)引起的組織粗化與不均勻性遠(yuǎn)大于同一層相鄰掃描道間搭接的熱影響區(qū)引起的組織粗化與不均勻性，從而使沉積高度（即縱向姿態(tài)）方向的晶粒更加粗大和不均勻，其力學(xué)性能也較橫向姿態(tài)方向差。

3 工藝制度對(duì)Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)斷裂行為與斷裂機(jī)制的影響

當(dāng)成形倉(cāng)氧的體積分?jǐn)?shù)由0.2‰以下突變?yōu)?.5‰，持續(xù)約1 h后又降回0.2‰以下，再持續(xù)約5h后，激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)在設(shè)備刮板的輕微刮蹭下發(fā)生了斷裂，不同斷裂位置的斷口微觀形貌見(jiàn)圖4。可見(jiàn)，其呈現(xiàn)河流花樣且具有撕裂嶺等特征，基本為典型的準(zhǔn)解理斷裂形貌，說(shuō)明隨著成形倉(cāng)氧含量的升高，激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)件的斷裂機(jī)制由韌性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)解理斷裂，即成形倉(cāng)氧含量升高后，零件的氧含量也升高，其韌性和塑性將顯著降低，這與陳靜等[6]提出的氧含量會(huì)明顯降低激光熔化沉積Ti-6Al-4V拉伸試樣塑性的結(jié)論是一致的。

圖4 不同位置的Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)斷口微觀形貌

激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)件的韌性和塑性對(duì)成形倉(cāng)氧含量較敏感。當(dāng)成形倉(cāng)氧的體積分?jǐn)?shù)由0.2‰以下突變?yōu)?.5‰，持續(xù)約1 h后又降回0.2‰以下，再持續(xù)約5 h后，在設(shè)備刮板的輕微刮蹭下，Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)斷裂產(chǎn)生準(zhǔn)解理斷裂形貌。而當(dāng)成形倉(cāng)氧的體積分?jǐn)?shù)持續(xù)穩(wěn)定在0.2‰以下時(shí)，Ti-6Al-4V試樣在激光選區(qū)熔化成形過(guò)程中不會(huì)發(fā)生刮蹭，且試片拉伸斷口形貌為典型的等軸韌窩形貌（圖2）。因此，在實(shí)際優(yōu)化工藝生產(chǎn)中，一般控制成形倉(cāng)氧的體積分?jǐn)?shù)低于0.2‰，以調(diào)控激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)的斷裂機(jī)制，并改善斷口韌窩的形貌。

完全退火前后的激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V試片拉伸斷口微觀形貌見(jiàn)圖5。完全退火制度選擇700～850℃、保溫60～120 min后空冷?？梢?jiàn)，完全退火前后的試片拉伸斷口形貌均為典型的等軸韌窩形貌，二者的區(qū)別在于：完全退火后的試片拉伸斷口形貌中的韌窩明顯細(xì)密且深度更深，大小分布十分均勻，而完全退火前的試片拉伸斷口形貌中的韌窩明顯粗大且深度較淺，大小分布也不均勻。

激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V試片在完全退火前后的拉伸力學(xué)性能見(jiàn)圖6。經(jīng)700～850℃、保溫60～120 min后空冷的完全退火處理后，激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V試片的延展性得到顯著提高，并達(dá)到鍛件的延展性標(biāo)準(zhǔn)（δ5：10%），其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度適當(dāng)降低，但仍高于鍛件的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)（σb：895MPa，σ0.2：825 MPa），這與完全退火前后試片拉伸斷口韌窩形貌反映的情況一致。經(jīng)完全退火處理后，試片內(nèi)部部分殘余應(yīng)力得到減輕和消除，且針狀α相的體積分?jǐn)?shù)有所增加，α板條發(fā)生一定的粗化，但整體顯微組織變化不大，激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V試片的綜合性能得到提高。

圖5 完全退火前后的Ti-6Al-4V試片拉伸斷口形貌

圖6 安全退火前后的Ti-6Al-4V試片拉伸力學(xué)性能

基于改善激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V試片斷口韌窩形貌及分布、提高Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能的考慮，選擇合適的熱處理方法和制度對(duì)激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)件使用性能的影響至關(guān)重要?；谇笆龇治龊陀懻摽芍?，在實(shí)際優(yōu)化工藝生產(chǎn)過(guò)程中，選擇700～850℃、保溫60～120 min后空冷的完全退火方法，對(duì)提高試件的韌性和塑性、實(shí)現(xiàn)Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)件良好的強(qiáng)塑性匹配具有較好的效果。

4 設(shè)備刮板對(duì)Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)斷裂行為與斷裂機(jī)制的影響

設(shè)備刮板與置于鋪粉方向終止端附近的Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)發(fā)生刮蹭，引起薄壁結(jié)構(gòu)斷裂，不同位置的斷口微觀形貌見(jiàn)圖7?？梢?jiàn)，各位置的斷口形貌撕裂嶺明顯為典型的韌窩形貌，圖7a～圖7c所示的韌窩形貌中均含有大量氣孔缺陷，且呈逐漸減小的趨勢(shì)，而圖7d所示的韌窩形貌基本沒(méi)有氣孔缺陷，且撕裂嶺具有一定的方向性。因?yàn)橐环矫?，在激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，表面產(chǎn)生了球化現(xiàn)象，導(dǎo)致與設(shè)備刮板間發(fā)生刮蹭行為；另一方面，圖7a所示位置存在大量氣孔缺陷而形成了薄弱區(qū)，在設(shè)備刮板的刮蹭下，薄弱區(qū)產(chǎn)生初始裂紋，在刮板的進(jìn)一步刮蹭和帶動(dòng)下，引發(fā)裂紋沿氣孔缺陷較多的脆弱區(qū)擴(kuò)展，而圖7d所示無(wú)氣孔缺陷區(qū)的斷裂則是由設(shè)備刮板與已斷裂部分之間的摩擦撕裂引起的。

圖7 不同位置的Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)蹭斷斷口微觀形貌

在鋪粉過(guò)程中，刮板與基板之間的距離會(huì)對(duì)Ti-6Al-4V球形粉末產(chǎn)生選擇效應(yīng)，故沿設(shè)備刮板鋪粉方向的球形粉末平均粒徑將逐漸增大 （圖8）。一方面，沿刮板鋪粉方向，同一粉層中的大粒徑粉末比例增加（圖9a～圖9b），會(huì)引起同一粉層中粉末間的孔隙度和致密度不一致，即沿刮板鋪粉方向、同一粉層的孔隙度增大而致密度逐漸減小，進(jìn)而造成同一粉層工藝參數(shù)的不匹配，沿刮板鋪粉方向產(chǎn)生氣孔等冶金缺陷的趨勢(shì)和可能也逐漸增大；另一方面，沿刮板鋪粉方向，同一粉層中的大粒徑粉末比例增加（圖9a～圖9b），也可能會(huì)引起同一粉層中不同位置的粉層厚度不一致，即沿刮板鋪粉方向、同一粉層厚度增大的可能性逐漸增大，進(jìn)而造成激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)的不匹配，比如：同一粉層相對(duì)較厚處的激光功率可能偏小、掃描速度可能偏快，前一基體層熔化程度不夠，未熔化的球形粉末在熔池的粘附作用下產(chǎn)生了如圖9c、圖9d所示的球化現(xiàn)象[2-3]。而如圖7所示置于鋪粉方向終止端附近的Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)，從圖7a～圖7d所示位置即為刮板鋪粉方向的反方向，因此，也就說(shuō)明了從圖7a～圖7d所示位置出現(xiàn)球化和氣孔缺陷的可能性逐漸減小，即呈現(xiàn)的氣孔缺陷逐漸減小。

為了避免氣孔和球化等冶金缺陷的產(chǎn)生，并減小設(shè)備刮板刮蹭成形表面而引起Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)斷裂的可能性，需控制粉末粒徑及其分布范圍，并基于表2所示數(shù)據(jù)適時(shí)調(diào)整分區(qū)成形工藝參數(shù)，比如：在刮板鋪粉方向終止端附近，適當(dāng)增大激光掃描功率、降低掃描速度；將大面積截面結(jié)構(gòu)置于刮板鋪粉方向的起始端附近，將小面積截面結(jié)構(gòu)置于刮板鋪粉方向的終止端附近，則大面積截面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生氣孔與球化等冶金缺陷的可能性更大，起始端粉末顆粒較細(xì)，有利于通過(guò)增加激光在粉球顆粒間的反射次數(shù)來(lái)提高激光的穿透深度，使粉末熔化更加充分，改善Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)的成形質(zhì)量，避免氣孔與球化等冶金缺陷的產(chǎn)生；優(yōu)化刮板的材料與結(jié)構(gòu)形狀，以減少沿刮板鋪粉方向球形粉末粒徑的差異，也可有效避免氣孔與球化等冶金缺陷，以及設(shè)備刮板蹭斷Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)等問(wèn)題的產(chǎn)生。

圖8 鋪粉方向不同位置的Ti-6Al-4V粉末粒徑分布圖

圖9 Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)氣孔與球化冶金缺陷的產(chǎn)生

5 結(jié)論

（1）橫向姿態(tài)試片拉伸斷口形貌中韌窩更細(xì)密且更深，韌窩大小分布也更均勻，驗(yàn)證其強(qiáng)度（σb：1390 MPa，σ0.2：1280 MPa）較縱向姿態(tài)試片強(qiáng)度（σb：1207 MPa，σ0.2：1140 MPa） 也更高， 尤其延伸率為8.1%明顯高于縱向姿態(tài)試片的4.8%。

（2）激光選區(qū)熔化成形過(guò)程中，當(dāng)成形倉(cāng)氧的體積分?jǐn)?shù)由0.2‰以下突變?yōu)?.5‰，持續(xù)約1 h后又降回0.2‰以下，再持續(xù)約5 h后，Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)在刮板輕微刮蹭下斷裂產(chǎn)生準(zhǔn)解理斷裂形貌，相應(yīng)的韌性和塑性也變差。因此，實(shí)際生產(chǎn)中必須控制成形倉(cāng)氧的體積分?jǐn)?shù)低于0.2‰，以控制激光熔化成形Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)件的斷裂機(jī)制，并改善斷口韌窩的形貌。

（3）完全退火（700～850 ℃、保溫 60～120 min 后空冷）態(tài)試片的拉伸斷口形貌中，韌窩更細(xì)密且更深，韌窩大小分布也更均勻，驗(yàn)證其力學(xué)性能（σb：1110 MPa，σ0.2：1080 MPa，δ5：12%）較激光選區(qū)熔化成形態(tài)試片力學(xué)性能（σb：1390 MPa，σ0.2：1280 MPa，δ5：8%）更匹配，完全退火實(shí)現(xiàn)了Ti-6Al-4V試片良好的強(qiáng)塑性匹配。

（4）刮板蹭斷Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)不同位置處的斷口形貌均為韌窩形貌，韌窩中的氣孔大小和數(shù)量沿刮板鋪粉方向依次增大、增多。沿刮板鋪粉方向，Ti-6Al-4V粉末中的大粒徑顆粒數(shù)量增多、小粒徑顆粒數(shù)量減少，粉層孔隙度增大而致密度減小，氣孔和球化等冶金缺陷出現(xiàn)的可能性增大，易產(chǎn)生刮板與薄壁結(jié)構(gòu)表面間的刮蹭，引起薄壁結(jié)構(gòu)沿氣孔較多部位發(fā)生斷裂而產(chǎn)生以上形式的韌窩斷口形貌。適時(shí)調(diào)整不同區(qū)域成形工藝參數(shù)、將大面積截面結(jié)構(gòu)放置于刮板鋪粉方向的起始端附近、小面積截面結(jié)構(gòu)放置于刮板鋪粉方向的終止端附近，均可有效避免氣孔和球化等冶金缺陷及刮板蹭斷Ti-6Al-4V薄壁結(jié)構(gòu)等問(wèn)題的產(chǎn)生。