选区激光熔化工艺参数对钛合金Ti-6Al-4V成形质量的影响研究*

2021-10-16袁美霞陈欣祎

航空制造技术 2021年17期

袁美霞，华明，陈欣祎，孟浩

（北京建筑大学，北京 100044）

选区激光熔化技术（Selective laster melting，SLM）属于增材制造技术，该技术以金属粉末为原料，运用离散、堆积原理，基于计算机控制技术，采用高能量源激光束对原料进行逐点、逐层熔化堆积成形出产品。SLM 技术相比传统的加工技术，能够制造出具有复杂形状的金属零件，实现复杂零件的快速制造，缩短了产品的开发周期，提高了材料的利用率，降低了开发成本[1-3]。选区激光熔化技术制造的产品已经应用到诸多领域，如航空航天、建筑、轨道车辆、医疗器械等产业[4-6]。

目前，SLM 技术可成形的原材料品类很多，如钛合金、铝合金、不锈钢、高温合金、钴铬合金等。各原材料的物理性能、化学性能和工艺性能不尽相同，因此在熔化成形过程中，其成形工艺参数也不同，成形质量各异。选区激光熔化技术应用的局限是工艺参数与加工材料的匹配关系不明确，使得应用该技术的企业需要前期进行大量试验，才能确定满足质量要求的成形工艺参数。近年来，许多研究人员已经做了相关方面的研究。宗学文等[7]研究了选区激光熔化成形的Ti-6Al-4V 合金的摩擦磨损特性，发现了不同方向摩擦性能的差异并阐述了磨损机制。张建国等[8]研究了选区激光融化成形不同空间结构多孔合金的力学性能，表明复合结构综合力学性能更优异，为医用植入提供了新的理论基础。Sagbas[9]和 Oyesola[10]等对选区激光融化的工艺参数进行了优化，以期提高成形件的表面质量。Wang 等[11]采用选区激光熔化成形了薄壁钛合金结构，分析了压缩过程并描述了薄壁件的变形破坏机理。门正兴等[12]研究了选区激光熔化成形的Ti-6Al-4V 合金叶片疲劳寿命问题，展示了超高周疲劳裂纹的产生机制。Xiao 等[13]研究了选区激光融化成形钛合金成形过程的重熔问题，发现成形质量随重熔次数先提升后下降。

尽管科研人员对SLM 工艺参数做了很多研究，但SLM 成形参数对Ti-6Al-4V 平面度、直线度误差的影响的研究很少。本文主要以线间距、点间距、曝光时间为变量，以Ti-6Al-4V 钛合金粉末为原料，通过对试件表面形貌、平面度、直线度数据采集与分析，研究线间距、点间距和曝光时间对表面形貌、几何精度误差的影响规律，对制定Ti6Al4V 钛合金的SLM 成形工艺参数具有指导意义。

1 试验及方法

1.1 试验设备及材料

试验所用金属3D 打印机型号为雷尼绍AM400 （图1（a）），该打印机内部的Nd∶YAG 激光器连续脉冲激光模式波长为1075nm，最大功率为400W，激光束直径为70μm，能够加工体积不超过250mm×250mm× 300mm 的零件。相较于连续激光器，脉冲式激光器能输出更高峰值功率，并在该功率下通过激光辐照更加充分地使不锈钢粉末熔化。曝光时间指激光辐照作用在金属粉末的时长，可通过3D 打印机自带分层软件设置调整该时间段长短。打印机工作区满足封闭环境的必要条件，同时使用氩气作为保护气体，以保持氧气浓度低于200×10-6。

使用如图1（b）所示的基恩士（KEYENCE）VKX250K 形状测量激光显微系统对SLM 成形试件的表面形貌及粗糙度数据信息进行采集。使用如图1（c）所示的三丰精密量仪有限公司的三坐标测量仪Crysta-Plus M544 对试件的平面度和直线度误差进行测量。

图1 试验设备Fig.1 Experimental equipment

SLM 增材制造试验选用Ti-6Al-4V 钛合金粉末。钛合金Ti-6Al-4V 比重较小、质量轻，使用温度范围较宽，具有非常好的机械性能和耐腐蚀性，适用于机械制造和航空航天、医用人工关节等领域。此粉末含有Ti、Fe、C、O、N、H、Al 及V 等元素，其质量分数如图2 所示。在振实情况下密度为2.77g/cm3，松装情况下密度为2.43g/cm3，流动性为37.85g/50g。颗粒的粒度控制在15～53μm，粉末形貌如图3 所示。

图2 打印粉末的化学成分（质量分数，%）Fig.2 Chemical composition of the printing powder (mass fraction, %)

图3 粉末形貌图Fig.3 Powder morphology

1.2 试验方案

该试验主要是研究点距、曝光时间和线间距对钛合金试件的加工精度的影响。SLM 成形过程采用如图4 所示的扫描策略，其中d为点间距；δ为线间距；黑色箭头为扫描方向，因为是脉冲激光器，每一个面是由点成线再成面的。为了减少气孔和不良缺陷，曝光时间范围一般在60～100μs，选用的能量密度范围为50～110J/mm3。基于上述约束，故SLM 成形参数选用层厚50μm，激光功率P为250W，激光扫描速率为500mm/s。以曝光时间、点间距、线间距作为变量，选定线间距分别为0.050mm、0.075mm、0.100mm、0.124mm 以及0.140mm。选择点间距为30μm、40μm、50μm，曝光时间为60μs、80μs、100μs，如表1 所示，共15 组SLM 成形参数。

图4 扫描策略Fig.4 Scanning strategy

表1 成形试验工艺参数Table 1 Forming test process parameters

在上述成形参数下，打印成形15 个长12.5mm×宽2.5mm×高2.5mm 的钛合金Ti-6Al-4V 榫构件，如图5 所示。使用VK-X250K 形状测量激光显微系统对SLM 成形试件的表面形貌及粗糙度数据信息进行采集，使用三坐标测量仪Crysta-Plus M544 对试件的平面度和直线度误差进行测量。为了减小误差，对同一个试件分别测量5次直线度、平面度误差，取其平均值。通过对采集数据的分析，研究SLM 工艺参数线间距、点间距、曝光时间对钛合金Ti-6Al-4V 试件的表面形貌、几何精度的影响规律。

图5 SLM 成形试件三维图及尺寸（mm）Fig.5 Three-dimensional drawing and size of SLM forming test piece (mm)

2 试验结果与分析

2.1 表面形貌及缺陷

通过基恩士VK-X250K 形状测量激光显微系统采集的成形试件的表面形貌，如图6～8 所示。在曝光时间/点间距为60μs/30μm 时，随着扫描线间距的增大，试件表面微观组织结构变得粗大，试件微观组织纹路从整齐变得扭曲。在曝光时间/点间距分别为100μs/50μm 时，试件表面微观组织也表现出了同样的变化趋势。而曝光时间/点间距为80μs/40μm 时，表面形貌在线间距从0.05mm 到0.075mm 时变得平整些，而线间距从0.075mm 到0.124mm 时平整度下降，但在线间距为0.14mm 时可以看到此时表面形貌优于线间距为0.124mm 和0.1mm 时，但差于线间距0.075mm 时。究其原因，根据SLM 成形原理，两个熔池以及两条熔道之间是存在搭接的，曝光时间会直接影响熔池的大小进而影响搭接比例。当扫描速度一定、线间距由小变大时，熔道搭接比例会从不合理到合理再到不合理。在曝光时间少时会出现组织粗大和断口（图6（e）），这是由于线间距过大导致粉末融化不充分便冷却了；当曝光时间过长时可以看到组织的扭曲，如图6、图7、图8（c）～（e）所示，这是由于熔池过大导致相邻熔道发生了干扰。

在线间距δ为0.05mm 时对比图6（a）、图7（a）和图8（a），可以看到随着曝光时间与点间距的增大，表面形貌呈现出一种先平整再到不平整的趋势。通过比较线间距分别为0.075mm、0.1mm、0.124mm、0.14mm时不同的曝光时间与点间距匹配下的表面形貌，也可发现一致变化规律。究其原因，是曝光时间/点间距为80μs/40μm 时与扫描速度和激光功率匹配，粉末融化充分。故线间距为0.075mm、曝光时间/点间距为80μs/40μm 时，可获得较优表面形貌。

图6 曝光时间/点间距为60μs/30μm 试件的表面形貌Fig.6 Surface morphology of specimen with ratio of exposure time to point spacing of 60μs/30μm

图7 曝光时间/点间距为80μs/40μm 试件的表面形貌Fig.7 Surface morphology of specimen with ratio of exposure time to point spacing of 80μs/40μm

图8 曝光时间/点间距为100μs/50μm 试件的表面形貌Fig.8 Surface morphology of specimen with ratio of exposure time to point spacing of 100μs/50μm

通过基恩士VK-X250K 形状测量激光显微系统对SLM 成形试件的表面形貌进行观察，如图9 所示。可以观察到多条裂纹与表面组织脱落，究其原因在于SLM 是一个急速加热急速冷却的过程，这一过程在几秒的时间内发生，熔池具有较高的温度梯度和冷却速度，导致熔池难以保证温度变化均一，试件内部就容易产生热应力和组织应力。当试件内应力超过材料的屈服强度时，就会产生裂纹以释放内应力。而多条裂纹组合作用则可导致材料组织脱落。即使采取最优试验数据成形钛合金，由于温度梯度和残余应力无法彻底消除，故裂纹是不可避免的，只能优化参数来减少裂纹的产生。

图9 SLM 打印表面裂纹Fig.9 Cracks on SLM printed surface

从图6～8 可以看到大小不一的圆形或近圆形的亮点，这些亮点是球化现象的体现。在曝光时间80μs、点间距40μm、线间距0.05mm 时成形的试件表面的微观立体结构如图10 所示，存在明显的球化现象，有一大两小3 个球化点。大球化点的产生是因为曝光时间与扫描速度不匹配，扫描速度相对快时，熔道会存在某一段粉末融化完整而临近一段粉末融化不完整，从而影响最终表面形貌；当曝光时间相对长时，熔池过大以致吸收同一临近的粉末，也影响表面形貌。小球化点的产生往往伴随着大尺寸球化点的出现，小尺寸球化现象产生是因为金属液和粉末受到高速激光的冲击而发生飞溅，故小球化点大小不同、分布随机。大球化点可通过加热工作台、调整工艺参数得到改善，而小球化点则难以通过改善工艺解决。球化情况的出现对于成形试样的品质有较大影响，会直接导致扫描线路不连续，降低了致密度，影响其表面的粗糙度并造成铺粉不平整进而影响到加工精度。

图10 打印表面球化Fig.10 Printed surface spheroidization

2.2 SLM 工艺参数对钛合金试件几何精度的影响

在打印功率250W、打印速率500mm/s 时，线间距在0.05～0.14mm 范围内，试件的直线度误差变化规律如图11 所示。线间距从0.05mm 变化到0.14mm 时，曝光时间/点间距为60μs/30μm、80μs/40μm、100μs/50μm 时成形的试件的直线度误差均呈现先下降后上升趋势。由图11 可知，曝光时间/点间距为60μs/30μm 时最优线间距为0.124mm，曝光时间/点间距为100μs/50μm 时最优线间距为0.075mm，曝光时间/点间距为80μs/40 μm 时最优线间距为0.124mm。

在打印功率250W、打印速率500mm/s 时，线间距在 0.05～0.14mm 范围内，试件的平面度误差变化规律如图12 所示。线间距从0.05mm 变化到0.14mm 时，曝光时间/点间距为60μs/30μm、100μs/50μm 时成形的试件的平面度误差均呈现先下降后上升的趋势，而曝光时间/点间距为80μs/40μm 时呈现先上升后下降再上升的趋势，与直线度图像变化趋势类似。

误差产生原因，首先是成形过程中试件不同部位温度差距大，在冷却过程中产生内应力，导致翘曲现象，而翘曲对几何精度影响较大，由于翘曲现象的存在，整个平面会呈现一个从面中心到平面边缘曲率越来越大的趋势，边缘处误差会大于中心处；其次是因为金属液冷却凝固时金相组织分布不是绝对均匀，翘曲的程度不一样；另外是球化现象和粉粒飞溅难以消除，导致测量数据偏差。在图11 和图12 中都可以看到曝光时间/点间距为100μs/50μm 时直线度和平面度误差都有一个较大的下降，原因是0.05mm 的线间距太小，使得每一层相邻熔道互相干扰，导致最终的上表面成形质量差。而曝光时间/点间距为60μs/30μm 的两条折线走向是因为曝光时间短，导致融化凝固的过程不完全，所以整体误差偏高。曝光时间/点间距为80μs/40μm 时图像在最底下，是因为此时粉末融化适度，从而组织均匀导热性好，应力分布均匀，对几何误差影响小。因此，在曝光时间80μs、点间距40μm、线间距0.124mm 时，试件的直线度和平面度都最优。