選區(qū)激光熔化成形TC4鈦合金技術(shù)研究現(xiàn)狀

李艷春，張玉婷，宋美慧，張曉臣

(黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020)

TC4合金是典型的α+β型雙相鈦合金，其化學(xué)式為Ti-6Al-4V。該合金具有比強度高、耐腐蝕性能好、生物相容性優(yōu)異等特點，在航空航天、汽車船舶、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。選區(qū)激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技術(shù)是金屬增材制造技術(shù)的一種，近年來得到廣泛的關(guān)注。這種技術(shù)在加工過程中，高能激光束直接作用在金屬和合金粉末使其完全熔化。金屬之間是冶金結(jié)合，加工的零件致密度相對較好，抗拉強度和延伸率也超過鑄件。本研究總結(jié)了近年來國內(nèi)選區(qū)激光熔化成形TC4合金制件所需的粉末和成形工藝的研究成果。

國內(nèi)對SLM技術(shù)研究較早和取得較大成就的單位主要有西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)和南京航空航天大學(xué)等。近年來，一些企業(yè)也積極參與這項研究，如北京隆源成形、華曙高科、中航邁特粉冶科技、西安塞隆、西安鉑立特和湖南頂立科技等。其研究的方向主要集中在SLM成形設(shè)備的開發(fā)、成形工藝的優(yōu)化和開發(fā)出符合該工藝要求的高品質(zhì)金屬和合金粉末。

1 選區(qū)激光熔化鈦合金粉末

SLM技術(shù)的原料是金屬和合金粉末。要成形出高質(zhì)量的制件，就需要高品質(zhì)的粉末。目前廣泛認(rèn)可的影響SLM成形件質(zhì)量的粉末參數(shù)包括粉末的純凈度、形貌、粒度、粒徑分布寬度、松裝密度、振實密度、流動性和氧含量等[2]。

粉末的純凈度差，容易產(chǎn)生缺陷，影響成形件的質(zhì)量。導(dǎo)致粉末的純凈度差的因素是生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了雜質(zhì)?？赡墚a(chǎn)生的雜質(zhì)有兩種[3]：一種是原料在生產(chǎn)過程中與設(shè)備或者氣體等發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了金屬化合物或非金屬成分，如C、P、O、Si等。另一種是機械夾雜，如生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生的雜質(zhì)和粉末表面吸附的氧、水汽和其他氣體等[4]。

SLM工藝使用的粉末對形貌的要求是球形度高、表面光滑、空心粉較少、少裂紋、孔隙和衛(wèi)星球等缺陷。這樣的粉末流動性會比較好，送粉鋪粉均勻，能夠提高成形件的致密度。圖1是我單位自主生產(chǎn)的球形TC4鈦合金粉末。

圖1 球形TC4合金粉末Fig.1 TC4 spherical alloy powder

SLM成形所需粉末粒度通常在15～53 μm。正常情況下，粉末的顆粒越小，分布越均勻，粉末之間的間隙就小，松裝密度就越高，越有利于成形過程的順利進(jìn)行，同時成形質(zhì)量也較好，制件的致密度高。但是顆粒過小，粉末也會出現(xiàn)團聚，影響粉末的流動性，使得鋪粉不均。如果粉末有一定的粒度梯度，粗粉和細(xì)粉混配，就會使得小顆粒能夠分散在大顆粒之間，從而也會提高粉末的松裝密度，進(jìn)而提高制件的致密度[5]。

粉末的流動性差，容易在鋪粉過程中粘連團聚，使鋪粉的厚度不均，使得在激光作用過程中，粉末的熔化不均勻，影響成形件的質(zhì)量。

目前，SLM成形鈦合金制件采用的粉末主要有純鈦粉、TC4、Ti6Al7Nb等。制備合金粉末的方法主要有電極感應(yīng)氣霧化法和等離子旋轉(zhuǎn)電極法。目前，國內(nèi)生產(chǎn)增材制造專用鈦及其合金粉末的企業(yè)不多，并且粉末質(zhì)量相對于國外還有一些差距。國外粉末的價格在4 000元/kg以上，原料價格昂貴也是制約SLM成形鈦合金制件技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的一個因素。

2 選區(qū)激光熔化成形工藝

選區(qū)激光熔化工藝涉及機械、材料、計算機軟件等多種學(xué)科，所以參數(shù)眾多，這些參數(shù)之間相互影響。目前的研究普遍認(rèn)為，這些參數(shù)中起主要作用的有激光功率、掃描速度、掃描層厚和掃描策略。有研究表明，激光功率和掃描速度是影響成形后制件性能的主要因素[6-7]。王凱[8]等人的研究指出，在一定范圍內(nèi)，激光功率越高，熱輸入量越大，成形件的致密度越好，強度越好。當(dāng)激光功率過高時，成形過程中，單位時間內(nèi)熱輸入量過大，就會使晶粒粗大降低零件的結(jié)合強度。

掃描間距影響著制件的成形質(zhì)量和致密度[9]。合理的掃描間距讓焊道之間有部分搭接，能夠減少孔隙的產(chǎn)生，使相鄰道次之間冶金性能良好，制件表面質(zhì)量好。如果掃描間距過大，也會形成非常大的空隙。

掃描速度影響著制件成形過程中的加熱時間，掃描速度低，粉末的加熱時間長，熔覆層厚度隨著掃描速度的提高而減小。掃描速度過快，一方面激光與合金粉末作用的時間太短，合金粉末不能完全熔化，熔池中存在未完全熔化的粉末，從而使制件的致密度降低；另一方面可能導(dǎo)致一部分粉末被送粉氣體吹跑，從而降低了熔覆層的厚度；掃描速度過慢，激光在粉末作用的時間過長則容易發(fā)生燒損[10]。美國路易斯維爾大學(xué)的Ravi K.Enneti[11]等人研究了SLM成形金屬鎢的工藝，結(jié)果表明掃描速度對致密度的影響最大。

掃描策略影響成形件的精度。目前采用的掃描策略有分區(qū)掃描、單向掃描、Z型掃描和螺旋掃描等。萬樂[12]等研究了采用分區(qū)掃描的策略成形TC4鈦合金，有效地提高了成形件的成形質(zhì)量。葛亞楠[13]等研究了掃描策略對TC4鈦合金制件精度的影響，指出螺旋線形掃描成形過程的能量比單向掃描和Z型掃描能量傳遞更均勻，溫度梯度小，成形件的殘余應(yīng)力小，平面度值小，外形結(jié)構(gòu)精度高。

朱加雷[14]等人的研究指出，在激光功率300 W、掃描速度1.5 m/s時，TC4合金的抗拉強度為1 150.49 MPa，延伸率為8.0%，力學(xué)性能超過鑄造件。

李懷學(xué)[15]等人在功率為400 W、掃描速度為7 000 mm/s成形TC4鈦合金制件，其拉伸強度達(dá)到了1 100 MPa，延伸率為11%，拉伸強度已經(jīng)高于鍛造TC4鈦合金。

3 制件的熱處理工藝

SLM成形制件都需要熱處理，這種熱處理工藝主要是指制件經(jīng)過升溫、恒溫和降溫的過程。在這一過程中，合金組織改變，相的形狀和大小變化，從而改善了制件的性能[16]。SLM成形工藝是快速熔融工藝，這就會由于冷熱變化、膨脹收縮使工件產(chǎn)生應(yīng)力，也可能存在著孔洞、成分不均勻使制件開裂，熱處理能夠減小甚者消除工件內(nèi)部的應(yīng)力，還可以去除制件的氣孔，提高致密度。

華南理工大學(xué)李敬[17]等采用SLM技術(shù)成形TC4鈦合金，在950℃保溫30 min之后爐冷，觀察合金的顯微組織，發(fā)現(xiàn)原始針狀α’粗化為板條狀馬氏體α。950℃保溫30 min之后水冷，α相轉(zhuǎn)化成了β 相。

西安航空大學(xué)的魯媛媛[18]等研究了熱處理對TC4鈦合金組織和性能的影響，指出，TC4合金棒材在先加熱到970℃保溫1 h，隨后水冷，然后進(jìn)行時效，隨著時效溫度由450℃升高到550℃，強度逐漸增加，當(dāng)溫度升高到600℃時，強度降低，發(fā)生了過時效。在溫度為550℃時，金相照片中觀察到析出相多切分布均勻，彌散強化效果顯著。

梁曉康[19]等研究指出，SLM成形TC4鈦合金制件的組織形態(tài)呈粗大的初生柱狀晶，晶內(nèi)呈現(xiàn)出典型的α+β板條組織。退火處理后，針狀α相的體積分?jǐn)?shù)有所增加，α板條發(fā)生了粗化。

南昌航空大學(xué)的黃建國[20]研究了熱處理工藝對SLM成形TC4合金試樣物相分布的影響，指出了熱處理前，合金中沒有β相衍射峰；不同的熱處理后，出現(xiàn)了β相衍射峰，并且隨著溫度的升高，β峰值強度變強變大。確定了最佳SLM成形工藝參數(shù)為激光功率400 W、掃描速度1 800～2 200 mm/s、掃描間距0.07 mm、層厚0.05 mm、熱處理制度為960℃保溫1 h，隨后，水冷，560℃保溫4 h。在這個成形工藝和熱處理制度下，合金試樣的拉伸強度為1 314 MPa，屈服強度為1 221 MPa，延伸率為2.3%。，試樣的致密度可達(dá)99.5%。

4 結(jié)語

目前，隨著與增材制造各項相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展及人力和財力投入的不斷加大，制約其技術(shù)發(fā)展的問題也必將被攻破，這一新型的制造技術(shù)必將飛速發(fā)展，增材制造的零件也會在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、醫(yī)療教育等領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。