王寧寧 韓 冬 吳 軍 高世凱

TC11鈦合金電子束熔絲增材復(fù)合制造工藝研究

王寧寧 韓 冬 吳 軍 高世凱

（西安航天動(dòng)力機(jī)械有限公司，西安 710025）

對(duì)電子束增材制造技術(shù)成形TC11鈦合金工藝進(jìn)行研究，探索“增材+鍛造”復(fù)合制造大型鈦合金構(gòu)件的更優(yōu)工藝。使用改造設(shè)備開展正交試驗(yàn)，優(yōu)化工藝。結(jié)果表明：束流20mA，運(yùn)動(dòng)速度180mm/min，送絲速度15mm/s，橢圓掃描模式下獲得熔覆層表觀形貌良好，此時(shí)成形件的強(qiáng)度比鍛件標(biāo)準(zhǔn)高，增材金屬塑性略低于鍛件標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合處金屬塑性略高于鍛件標(biāo)準(zhǔn)。兩處試樣的拉伸斷裂方式均為韌性斷裂。

TC11鈦合金；電子束；增材制造；正交試驗(yàn)

1 引言

電子束增材制造（EBAM）是熱源電子束按照CAD中三維模型分層轉(zhuǎn)化的二維加工路徑圖移動(dòng)并熔化粉末絲材，原材料層層凝固層層堆積成形實(shí)體零件的“近凈”制造技術(shù)[1]。電子束增材制造過程中電子束、絲材、基材相互作用，增材熔池內(nèi)發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化[2～4]。因此，工藝參數(shù)是影響成形體的成形形貌、缺陷和顯微組織的重要因素。試驗(yàn)選取幾個(gè)主要影響因素，采用正交試驗(yàn)法分析其對(duì)TC11鈦合金成形質(zhì)量的影響規(guī)律，對(duì)該類合金增材制造提高工藝經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)[5～7]。利用該技術(shù)，使用優(yōu)化的工藝參數(shù)在已有的鍛件毛坯上局部成形，尤其適合于鈦合金等難加工高性能合金大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的短周期、低成本制造，對(duì)電子束快速成形鈦合金生產(chǎn)具有重要意義。

2 試驗(yàn)

2.1 試樣設(shè)備及材料

電子束增材制造所用設(shè)備為電子束焊機(jī)改造而成的電子束熔絲增材制造設(shè)備，圖1為電子束增材制造設(shè)備及設(shè)備真空室內(nèi)成形過程示意圖。主要參數(shù)指標(biāo)：加速電壓60kV；最大功率30kW；真空室尺寸2.5m×2.5m×2.5m；設(shè)備能力：////五軸四聯(lián)動(dòng)。

圖1 電子束增材制造設(shè)備

試驗(yàn)使用的絲材為某公司提供的2.0mm TC11鈦合金絲材，化學(xué)成分如表1所示，滿足GJB2744A—2007《航空用鈦及鈦合金鍛件規(guī)范》要求[8]。試驗(yàn)前使用無塵布蘸無水乙醇清理絲材，清理后的絲材在烘箱內(nèi)烘干。試驗(yàn)使用的基材為尺寸120mm×100mm×20mm TC11鈦合金鍛件基板。試樣前在銑床上將100mm×60mm的增材金屬堆積面的粗糙度加工到3.2μm以上，并用酒精擦洗干凈。

表1 TC11鈦合金絲材化學(xué)成分 wt%

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 單層單道電子束增材制造正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表2 正交試驗(yàn)因素和水平

電子束熔絲增材制造過程中，試樣是由焊縫逐層逐道堆積而成的。因此，單層單道焊縫的熔寬、熔深和余高決定了成形試樣最終尺寸和精度[9]。工藝參數(shù)如電子束流、加速電壓、聚焦電流、偏擺掃描、工作距離、工件運(yùn)動(dòng)速度、送絲速度、送絲方位、送絲角度、絲端距工件的高度、絲材伸出長度等共同作用影響成形質(zhì)量，準(zhǔn)確區(qū)分單一因素的作用十分困難。為了綜合分析電子束增材制造過程中工藝參數(shù)對(duì)熔池形貌的影響，設(shè)計(jì)四水平四因素正交試驗(yàn)，以成形系數(shù)熔深、熔寬和余高為考察指標(biāo)，分析各個(gè)因素的影響。采用的因素水平如表2所示。

2.2.2 TC11鈦合金電子束增材制造成形性能測試

采用優(yōu)化的工藝參數(shù)通過EBF在尺寸為200mm×100mm×20mm的鍛件基板上成形150mm×40mm×40mm的TC11鈦合金力學(xué)性能試驗(yàn)件，并定義制造過程中熔池移動(dòng)方向?yàn)榉较颍鄢貙挾仍黾臃较驗(yàn)榉较?，打印?shí)體高度增加方向?yàn)榉较?，如圖2所示。成形后，試驗(yàn)件首先在SGM2853H型人工智能箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，采用的熱處理制度為950℃/2h/AC+560℃/8h/AC[10，11]。然后沿增材金屬的方向在增材部位和鍛件與增材結(jié)合部位截取拉伸試樣。試樣由電火花線切割加工，每組試驗(yàn)重復(fù)3件試樣。拉伸試驗(yàn)參照GB/T2652《焊縫及熔覆金屬拉伸試驗(yàn)方法》在CMT5305型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上測試電子束熔絲增材TC11鈦合金的拉伸性能。

圖2 電子束增材制造TC11鈦合金試塊與拉伸試樣尺寸圖

3 結(jié)果與討論

根據(jù)正交試驗(yàn)試驗(yàn)表，設(shè)計(jì)L16(44)正交表。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)16組不同工藝參數(shù)組合進(jìn)行單層單道熔覆試驗(yàn)，每組試驗(yàn)測量得到的熔寬、熔深、余高如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)測量結(jié)果

3.1 工藝參數(shù)對(duì)熔覆層成形系數(shù)的影響

3.1.1 束流

工藝參數(shù)對(duì)單層單道EBF3熔覆層成形系數(shù)的影響規(guī)律如圖3所示。從圖3a可知，熔覆層寬度和深度隨束流的增大而明顯增加，熔覆層高度變化不明顯。這是由于加速電壓60kV不變，束流加大，功率增大，熱輸入增大，熔池深度、寬度增加。束流大于50mA時(shí)，束流增大，余高減小，這是由于束流較大時(shí)，溫度升高較多，金屬蒸發(fā)量增加，層高略有減小。

圖3 因素變量與響應(yīng)變量的關(guān)系

3.1.2 運(yùn)動(dòng)速度

由圖3b觀察到基板運(yùn)動(dòng)速度從150mm/min增加到450mm/min過程中，熔覆層寬度、深度和高度隨運(yùn)動(dòng)速度的增大都呈減小趨勢(shì)。運(yùn)動(dòng)速度增大，單位長度熔覆金屬的熱輸入功率減小，熔寬、熔深減?。浑S運(yùn)動(dòng)速度的增加，單位長度基板上堆積金屬量減少，余高減少。

3.1.3 送絲速度

圖3c為單層單道熔覆層成形系數(shù)與送絲速度之間的關(guān)系。由圖可知，隨著送絲速度的增加，層寬、層高略有增加，層深無規(guī)律變化。送絲速度不斷增加時(shí)，電子束直接作用在基板的能量略有減小，但絲材熔化形成熔滴進(jìn)入熔池的頻率增加，進(jìn)入熔池的熔滴金屬體積增加，熔覆層寬度稍有增長，熔池總能量不斷變化，熱影響區(qū)深度波動(dòng)變化；送絲速度的增加，單位長度基板上的熔滴金屬增加，余高應(yīng)該隨之增加，而圖3c送絲速度在第二水平20mm/s時(shí)出現(xiàn)最小值，這是由于正交試樣第15組試驗(yàn)工藝參數(shù)不匹配，基板單位長度的熱輸入過大、送絲速度過小，導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常。

3.1.4 掃描模式

從圖3d可以觀察到改變掃描模式對(duì)熔覆層寬度、深度和高度的影響不大，熔覆層寬度和深度隨掃描模式的變化趨勢(shì)相同，而層高的變化可忽略不計(jì)。結(jié)合熔覆層表面形貌觀察分析可知，添加掃描后，電子束能量在熔池內(nèi)的分布更加均勻化。

3.2 極差與方差分析

為準(zhǔn)確檢驗(yàn)各影響因子熔覆層尺寸的影響程度，借助 Minitab 軟件對(duì)測量值進(jìn)行極差和方差分析，分析結(jié)果如表4所示，是平均極差，是檢驗(yàn)值。在分布表查得臨界值 F，通過檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性水平（）判斷。在 Minitab 中，主要通過值（介于 0 到 1 之間）與值比較來判斷影響因子的顯著性。根據(jù)方差分析顯著性定義，取＜（0.05）表示該因子顯著，?。迹?.01）表示該因子高度顯著。觀察表4中極差值可知，電子束增材制造各工藝因素對(duì)單層單道熔覆金屬熔深和熔寬的影響具有一致性，束流的影響最顯著，其次是運(yùn)動(dòng)速度，送絲速度和掃描模式的影響差別較小且不顯著。而工藝因素對(duì)單層單道熔覆層余高的影響不同，主要影響因素是運(yùn)動(dòng)速度，其次是送絲速度，束流和掃描模式的影響最小，束流和掃描模式對(duì)余高影響的極差值為0.539、0.320，說明束流和掃描模式的改變對(duì)余高幾乎沒有影響。由表4可以看出，值均大于1，根據(jù)定義，束流對(duì)熔寬、熔深的影響顯著，運(yùn)動(dòng)速度和送絲速度對(duì)余高的影響顯著。

表4 正交試驗(yàn)極差與方差分析

為了得到成形穩(wěn)定，表面光滑的熔覆層，對(duì)成形系數(shù)進(jìn)行回歸分析，可以實(shí)現(xiàn)通過工藝參數(shù)預(yù)測熔覆層形貌。經(jīng)模擬分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，得到的優(yōu)化工藝參數(shù)為束流20mA，運(yùn)動(dòng)速度180mm/min，送絲速度15mm/s，橢圓掃描模式。

3.3 電子束增材制造TC11鈦合金拉伸性能

采用優(yōu)化的工藝參數(shù)制備力學(xué)性能試驗(yàn)件，試樣的力學(xué)性能如表5所示。分析表5可知，鍛件與增材金屬結(jié)合處的塑性優(yōu)于純?cè)霾慕饘?，硬度低于增材金屬?/p>

表5 EBAM成形TC11鈦合金拉伸性能

TC11鈦合金EBF成形拉伸性能與GJB2744A—2007《航空用鈦及鈦合金鍛件規(guī)范》鍛件標(biāo)準(zhǔn)比較，如圖4所示。由圖可知，EBF成形增材和與鍛件結(jié)合處TC11鈦合金拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度約為鍛件工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的112%，增材鈦合金斷后伸長率、斷面收縮率略低于鍛件工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合處鈦合金斷后伸長率、斷面收縮率略高于鍛件工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這是由于EBF成形過程中已成形層熔覆金屬經(jīng)歷了熱循環(huán)，電子束熔化絲材時(shí)，已成形熔覆金屬在熱傳遞作用下自淬火，金屬晶粒細(xì)化，強(qiáng)度增加。同時(shí)細(xì)晶強(qiáng)化也造成拉伸過程塑性增加緩慢，使得伸長率、斷面收縮率要比鍛件工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)低。而且電子束增材制造時(shí)，鍛件基材在電子束作用下部分熔化，與增材金屬完全冶金結(jié)合。

圖4 EBAM TC11鈦合金與鍛件工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)拉伸性能比較

圖5 EBAM成形TC11鈦合金拉伸斷口SEM形貌

圖5所示為EBF成形TC11鈦合金斷口形貌，由圖可知兩處拉伸斷口均為韌性斷裂。圖5a、圖5b典型的杯錐狀斷口，具有明顯的剪切唇和纖維區(qū)，斷口韌窩形貌如圖5c、圖5d所示，韌窩數(shù)量多，韌窩較小。

4 結(jié)束語

a. 電子束增材制造單層熔覆金屬的熔寬和熔深的顯著影響因素為束流，余高的顯著影響因素為運(yùn)動(dòng)速度和送絲速度。優(yōu)化工藝參數(shù)：束流20mA，運(yùn)動(dòng)速度180mm/min，送絲速度15mm/s，橢圓掃描模式。

b. EBF成形增材和與鍛件結(jié)合處TC11鈦合金拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均高于鍛件工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，增材鈦合金斷后伸長率、斷面收縮率略低于鍛件工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合處鈦合金斷后伸長率、斷面收縮率略高于鍛件工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。兩處的拉伸斷裂方式為典型的韌性斷裂。

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Study on the Forming Technology and Mechanical Properties of Titanium Alloys Produced by Electron Beam Additive Manufacturing

Wang Ningning Han Dong Wu Jun Gao Shikai

(Xi’an Aerospace Power Machinery Co., Ltd., Xi’an 710025)

The process of electron beam additive manufacturing based on TC11 titanium alloy was studied to explore the optimized process of large and complex titanium alloy structural parts fabricated by “additive manufacturing + forging”. Upgraded EBAM equipment KL-106M was adopted to carry out orthogonal experiment. The results show that with beam intensity of 20Am, welding speed of 180mm/min, wire feed rate of 15mm/s and scan mode of ellipse, cladding titanium alloy layer by EBAM was lubricous and steady. Their strengths are significantly higher than standard for forgings. Cladding metal is slight lower and the joint with forging is slight higher. Fracture modes of both are ductile fracture.

TC11 titanium alloys；electron beam；additive manufacturing；orthogonal experiment

王寧寧（1993），碩士，材料科學(xué)與工程專業(yè)；研究方向：金屬材料成型技術(shù)。

2020-04-17