激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V鈦合金尺寸位置效應(yīng)研究

梁曉康，孫宏波，米彥龍，董 鵬，田彩蘭

（首都航天機(jī)械有限公司，北京100076）

激光選區(qū)熔化成形（selective laser melting，簡稱SLM）技術(shù)，是利用高能激光熔化處于松散狀態(tài)的粉末薄層，通過逐層鋪粉、逐層熔凝堆積的方式，成形出高致密度的三維零件（圖1）。該技術(shù)成形精度高、構(gòu)件質(zhì)量優(yōu)異，幾乎無需后續(xù)處理即可滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求,特別適合鈦合金、高溫合金等難加工材料的中小型復(fù)雜金屬零件的凈成形，在航空航天等工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-5]。

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、抗蝕性好，能夠充分發(fā)揮設(shè) 計(jì)/制造一體化的技術(shù)優(yōu)勢。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。但是，鈦合金本身具有高熔點(diǎn)、高熔融態(tài)活性以及大變形抗力，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。

圖1 SLM成形原理示意圖

本文采用SLM技術(shù)制備了TC4鈦合金特征結(jié)構(gòu)，考察了斜壁結(jié)構(gòu)的成形情況及SLM成形不同孔徑、壁厚、槽寬時(shí)的尺寸精度，為TC4鈦合金材料的SLM高精度成形奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用TC4鈦合金球形粉末，粉末的形貌見圖2、合金成分見表1。試驗(yàn)前，在真空烘干箱對粉末材料進(jìn)行處理，以除去吸附在粉末表面的水分。

表1 Ti-6Al-4V粉末的化學(xué)成分

圖2 Ti-6Al-4V粉末微觀形貌

成形基材選用同牌號TC4鈦合金板材，基材規(guī)格為250 mm×250 mm×30 mm。試驗(yàn)前，對基材表面進(jìn)行吹砂處理，使用干凈綢布蘸取酒精或丙酮擦拭基板上表面，去除吹砂帶來的多余粉體。

試驗(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)氣體功能，以滿足TC4鈦合金成形時(shí)對H、O、N等氣體含量的要求。

1.2 試驗(yàn)方法

采用單因素試驗(yàn)，設(shè)計(jì)斜壁結(jié)構(gòu)成形（傾斜角度分別為 45°、40°、35°）及特征結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，研究斜壁結(jié)構(gòu)的成形情況及SLM成形不同孔徑、壁厚、槽寬時(shí)的尺寸精度。試驗(yàn)工藝參數(shù)見表2。采用表面粗糙度儀對斜壁結(jié)構(gòu)的表面粗糙度進(jìn)行檢測，分析階梯效應(yīng)對成形斜壁結(jié)構(gòu)表面粗糙度的影響；通過光學(xué)顯微鏡觀察、測量圓孔、薄壁、槽等特征結(jié)構(gòu)（圖3）的尺寸誤差，分析光斑效應(yīng)對成形精度的影響。

表2 TC4鈦合金SLM成形工藝參數(shù)表

圖3 特征結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 傾斜角度對成形件表面粗糙度的影響

對成形試樣下表面進(jìn)行采樣檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著傾斜角度的減小，成形件下表面的表面狀態(tài)越來越惡化，表面粗糙度由 Ra13.944 μm逐步增至Ra18.863 μm（表 3、圖 4）。 這一方面是由于 SLM 成形斜壁結(jié)構(gòu)過程中存在“階梯效應(yīng)”（圖5），即實(shí)際成形過程中存在懸臂伸出長度ΔL、分層厚度ΔH兩個(gè)增量，且懸臂伸出長度 ΔL=ΔH/tan（θ），可知傾角θ越小，懸臂伸出長度ΔL越大，階梯效應(yīng)越顯著。當(dāng)所成形的斜壁結(jié)構(gòu)傾斜角度θ減小時(shí)，懸臂伸出長度ΔL顯著增加，懸臂部分的熔池下表面與實(shí)體接觸面積減小、與粉末床接觸面積增加，導(dǎo)致熔池處于不穩(wěn)定狀態(tài)，熔池與粉床接觸部位塌陷（圖6），影響該處的表面粗糙度。另一方面是由于粉床較實(shí)體的導(dǎo)熱率更低，懸臂部位的熱量難以傳遞，易導(dǎo)致該處產(chǎn)生更多的半熔粉以及粘粉現(xiàn)象，使懸臂下表面的表面粗糙度惡化。

表3 表面粗糙度檢測結(jié)果

圖4 SLM成形TC4試樣表面形貌

圖5 “階梯效應(yīng)”示意圖

圖6 懸臂部位熔池形態(tài)

2.2 特征尺寸對成形精度的影響

對圓孔、方槽、薄壁三類典型特征結(jié)構(gòu)的SLM成形尺寸進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，三類結(jié)構(gòu)均存在一定誤差，但其絕對誤差隨著尺寸的變化并不大，分別為-0.395、-0.34、0.287 mm（圖 7～圖 9）。 這主要是由于激光束存在一定光斑直徑（200 μm），當(dāng)光斑掃描到理論截面的邊緣時(shí)會產(chǎn)生1個(gè)熔寬（約300 μm）的“邊緣誤差”（圖10），導(dǎo)致SLM成形的構(gòu)件呈現(xiàn)孔小、槽窄、壁厚的現(xiàn)象，即“光斑效應(yīng)”（圖 11）。

圖7 孔徑與尺寸誤差的關(guān)系

圖9 壁厚與尺寸誤差的關(guān)系

圖10 光斑直徑示意圖

圖11 SLM成形過程中的光斑效應(yīng)

通過檢測還發(fā)現(xiàn)，圓孔、方槽的尺寸誤差相較于光斑效應(yīng)導(dǎo)致的誤差均偏大（偏差分別為0.094、0.04 mm），薄壁的尺寸誤差相較于光斑效應(yīng)導(dǎo)致的誤差則偏?。ㄆ顬?.013 mm），這可能是由于熱脹冷縮效應(yīng)，即SLM成形件尺寸誤差=光斑效應(yīng)誤差+熱脹冷縮誤差。圓孔、方槽在光斑效應(yīng)導(dǎo)致的負(fù)偏差基礎(chǔ)上，疊加了冷縮量（負(fù)偏差），因此實(shí)際尺寸更??；薄壁在光斑效應(yīng)導(dǎo)致的正偏差基礎(chǔ)上，疊加冷縮量（負(fù)偏差），偏差得到了部分抵消，實(shí)際尺寸相對的更接近理論值。此外，根據(jù)熱脹冷縮理論可知，SLM成形的鈦合金材料冷縮量與溫度變化量、材料線性尺寸成正比。在本文設(shè)計(jì)的特征結(jié)構(gòu)中，圓孔部分實(shí)體量較大，導(dǎo)致的冷縮量更大，因此相較其他兩種特征尺寸的最終誤差則更大。

3 結(jié)論

（1）在Ti-6Al-4V鈦合金的激光選區(qū)熔化成形過程中，Z方向存在階梯效應(yīng)、X、Y方向上存在光斑效應(yīng)，上述因素對成形精度有著重要影響。

（2）由于階梯效應(yīng)，成形件表面粗糙度受其成形部位與水平面傾斜角度的影響，傾角越小，表面狀態(tài)越惡劣，當(dāng)傾角由45°減為35°時(shí)，相應(yīng)的表面粗糙度由 Ra13.944 μm 增至 Ra18.863 μm。

（3）圓孔、方槽、薄壁三類典型特征結(jié)構(gòu)由于光斑效應(yīng)的影響，其SLM成形尺寸均存在一定誤差，但絕對誤差隨著尺寸的變化并不大，分別為-0.395、-0.34、0.287 mm。