激光選區(qū)熔化成形TC4鈦合金顯微組織與性能的研究進展

朱 冬,2，張 亮，吳文恒,盧 林，倪曉晴，宋 佳，朱文華2，王佳祺

(1.上海材料研究所，上海3D打印材料工程技術(shù)研究中心，上海 200437；2.上海第二工業(yè)大學(xué)工學(xué)部，上海 201209)

0 引 言

鈦合金具有密度低、強度高、耐腐蝕性能好等優(yōu)點，在航空航天、醫(yī)療、海洋工程等現(xiàn)代工業(yè)及國防重大裝備中應(yīng)用廣泛[1-2]。采用傳統(tǒng)方法制造整體鈦合金構(gòu)件時，需要大型鍛造裝備和模具，其制造難度大、周期長、成本高、材料利用率低[3-4]。激光選區(qū)熔化技術(shù)是近年來在航空航天、模具制造等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的增材制造技術(shù)之一，可實現(xiàn)復(fù)雜金屬構(gòu)件的快速、近凈成形[5]。常用激光選區(qū)熔化成形制備的鈦合金為α+β型TC4鈦合金[6]，其激光選區(qū)熔化組織主要為針狀α′馬氏體相，由初生柱狀β相通過非擴散切變形式分解形成。TC4鈦合金組織穩(wěn)定性好、綜合性能優(yōu)良，具有良好的塑性、韌性和高溫變形性能，可以進行熱處理強化[7]。

激光選區(qū)熔化技術(shù)涉及熔池凝固、相變等復(fù)雜的熱物理過程，各成形工藝參數(shù)都會對材料顯微組織及力學(xué)性能產(chǎn)生影響。工藝參數(shù)選用不恰當(dāng)，則容易出現(xiàn)金屬粉末球化、表面翹曲變形以及孔洞等缺陷，同時在較大的溫度梯度作用下，沿成形方向會形成柱狀晶，影響材料的力學(xué)性能。通過熱處理可以消除內(nèi)應(yīng)力，有效細化晶粒，改善組織形貌，進一步提高鈦合金的力學(xué)性能。研究激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)對TC4合金顯微組織與力學(xué)性能的影響規(guī)律，確定合理的熱處理方案，對于進一步推廣激光選區(qū)熔化成形TC4合金的工業(yè)應(yīng)用具有非常重要的意義。為此，作者從成形工藝參數(shù)和固溶時效處理兩方面，對現(xiàn)階段激光選區(qū)熔化成形TC4合金顯微組織及力學(xué)性能的控制研究進行了綜述，并對其后續(xù)發(fā)展方向進行了討論和展望。

1 激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)的影響

激光選區(qū)熔化技術(shù)是一種利用激光熱源將合金粉末完全熔化，然后迅速凝固成形的近凈成形方法，主要涉及基板溫度、激光光斑直徑、激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉厚度和掃描方式等工藝參數(shù)[8]。目前，相關(guān)研究主要集中在對材料性能影響較大的后5個參數(shù)上。

1.1 激光功率與掃描速度的影響

激光功率和掃描速度通常作為激光選區(qū)熔化技術(shù)中熱輸入的主要控制參數(shù)，兩者關(guān)聯(lián)較強。為了提高材料表面相對密度，通常采用低激光功率和高掃描速度相配合的工藝；而增加激光功率、降低掃描速度可以降低材料實體部分的孔隙率，改善成形效果。SUN等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在較高激光功率(高于175 W)下，隨著激光功率的增加和掃描速度的降低，成形試樣的相對密度可以達到99%。WANG等[10]通過正交試驗研究發(fā)現(xiàn)，在激光功率較低(50～100 W)時，TC4合金成形質(zhì)量較差，隨著掃描速度的增加，組織中孔洞增多，相對密度下降；激光功率為150200 W時，隨著掃描速度的增加，成形質(zhì)量提高，但掃描速度過快(1 4501 750 mm·s-1)時，孔洞缺陷再次出現(xiàn)，成形質(zhì)量下降。李學(xué)偉等[11]發(fā)現(xiàn)在250 W額定激光功率下，當(dāng)掃描速度從800 mm·s-1增至1 600 mm·s-1時，TC4合金的顯微硬度和相對密度先增大后減小。

張慧[12]研究了激光功率對TC4合金單層單道成形的影響，發(fā)現(xiàn)隨激光功率增大，熔池中心溫度升高，熔池深度、寬度增大，金屬粉末的熔合更加充分，但熔池深度過大或過小都會出現(xiàn)粉末球化現(xiàn)象，影響成形質(zhì)量。In718高溫合金激光選區(qū)熔化成形過程中亦存在該現(xiàn)象[13]。激光功率過高或過低時，由于粉末球化或未熔，合金中會出現(xiàn)孔洞等缺陷，進而導(dǎo)致成形件變形或開裂[14]。因此，通過將激光功率控制在一定范圍內(nèi)來調(diào)控成形過程中熔池的大小，可以減少粉末球化現(xiàn)象和孔洞缺陷，提高成形件的性能。激光掃描速度過快或過慢同樣會對合金微觀形貌產(chǎn)生不良影響：激光掃描速度過慢時，金屬粉末與激光接觸時間較長，吸收的能量相對較高，易發(fā)生粉末重熔進而導(dǎo)致過燒；掃描速度過快時，粉末不能完全融化，合金中則會形成大量孔洞缺陷，導(dǎo)致成形質(zhì)量下降[8]。

不同激光功率和掃描速度下，成形TC4合金的強度和塑性相差較大。朱加雷等[15]研究發(fā)現(xiàn)，掃描速度在1 5002 000 mm·s-1時，隨著激光功率的增大(150300 W)，TC4合金的抗拉強度逐漸升高，伸長率先升高后下降；掃描速度在2 0002 500 mm·s-1時，抗拉強度和伸長率均隨激光功率的增大而增加；掃描速度在2 500～3 000 mm·s-1時，抗拉強度和伸長率則隨激光功率的增大顯著降低。在合適的掃描速度下，適當(dāng)增大激光功率有利于粉末的充分熔合，提高合金致密性，進而改善成形件的強度和塑性；但激光功率過大會引起元素過燒和晶粒粗化，對合金強度和塑性產(chǎn)生不良影響。采用同軸送粉激光增材制造技術(shù)，通過調(diào)控掃描速度，可以有效促進等軸晶的形成，細化晶粒，提高鈦合金3D打印成形試樣的抗拉強度和屈服強度[16]。同軸送粉激光增材制造TC4合金的抗拉強度可以達到1 360 MPa，較熱軋棒材的(840 MPa)[17]提高了62%。

1.2 掃描間距的影響

掃描間距是激光選區(qū)熔化成形的重要參數(shù)之一，直接決定激光光斑的大小。當(dāng)掃描間距過小時，高度集中的能量會導(dǎo)致合金出現(xiàn)重熔區(qū)域，相對密度下降；增大掃描間距，重熔現(xiàn)象得到減輕，此時粉末與基體潤濕較好，合金相對密度得到提高；掃描間距過大時，掃描線相鄰區(qū)域粉末熔合較差，易出現(xiàn)表面球化現(xiàn)象。根據(jù)吉布斯自由能最低原則，在激光選區(qū)熔化成形過程中，熔池表面冷卻較快，表面能量迅速降低，而熔池內(nèi)部能量較高，這會造成部分液相飛濺，冷卻后在表面形成球狀顆粒[18]。球化現(xiàn)象會使合金中形成孔隙缺陷，導(dǎo)致其相對密度下降、表面粗糙度增大，從而影響力學(xué)性能[19-20]。

1.3 鋪粉厚度的影響

一般而言，鋪粉厚度較小時，單位體積內(nèi)能量密度相對較大，可保證粉末完全熔化，合金表面成形質(zhì)量較好；鋪粉較厚時，單位體積內(nèi)能量密度相對較小，未熔粉末顆粒較多，合金致密性較差。QIU等[21-22]研究發(fā)現(xiàn)：鋪粉厚度低于0.02 mm時，TC4合金成形試樣孔隙率較低；鋪粉厚度高于0.04 mm時，其對成形質(zhì)量的影響高于激光功率和掃描速度，合金表面粗糙度和孔隙率均增大；隨著鋪粉厚度的增加，熔池中出現(xiàn)未熔粉末顆粒，粉末積聚使得試樣表面起伏增大，成形質(zhì)量變差。SUN等[23]亦有類似發(fā)現(xiàn)。在其他工藝參數(shù)一定的情況下，較小的掃描間距和鋪粉厚度有利于提高成形件的相對密度，進而改善其顯微硬度、抗拉強度等力學(xué)性能[24]。

黃建國[8]研究發(fā)現(xiàn)，在一定掃描速度和激光功率條件下，鋪粉厚度為0.05 mm時激光選區(qū)熔化成形TC4合金的相對密度略高于鋪粉厚度為0.03 mm和0.07 mm的；激光掃描速度低于2 000 mm·s-1時，隨著掃描速度的增加，3種鋪粉厚度試樣的相對密度均呈上升趨勢；掃描速度高于2 000 mm·s-1時，0.03 mm鋪粉厚度下，粉末發(fā)生重熔，試樣相對密度降低；0.07 mm鋪粉厚度下，激光難以熔化全部合金粉末，導(dǎo)致形成孔洞等缺陷，試樣相對密度亦降低。

1.4 掃描方式的影響

激光選區(qū)熔化成形過程中的掃描方式包括同層掃描和異層掃描兩種。常見的同層掃描方式為島式[25]和S形掃描[26]。陳德寧等[26]利用數(shù)值模擬方法分析了S形與島式掃描方式對溫度場的影響，并進行了試驗驗證。結(jié)果表明:S形掃描是一種長邊掃描方式，已掃描部分與未掃描部分溫度差異大，較大的溫度梯度導(dǎo)致較大的應(yīng)力集中，最終影響成形質(zhì)量；而島式掃描是一種短邊掃描方式，能量積聚較低使得熔池溫度較低，熱傳導(dǎo)不穩(wěn)定，且島嶼邊緣會出現(xiàn)二次升溫，造成粉末層浸潤與黏附加劇，表面質(zhì)量降低。異層掃描時，每掃完一層，激光會旋轉(zhuǎn)一個角度，該方式可有效降低殘余應(yīng)力，在實際增材制造成形過程中使用廣泛。SONG等[27]通過有限元模擬發(fā)現(xiàn)，激光旋轉(zhuǎn)角度為15°時，合金產(chǎn)生的殘余應(yīng)力最小，這與試驗結(jié)果一致。ALI等[28]在Renishaw平臺上采用90°交替掃描方式進行激光選區(qū)熔化成形，即每掃描完一層，掃描方向旋轉(zhuǎn)90°再對下一層進行掃描，該掃描方式有效降低了成型過程中的殘余應(yīng)力。

2 固溶時效處理的影響

熱處理是改善金屬材料力學(xué)性能最常用的方法之一，其可以減小快速凝固成形過程中形成的殘余應(yīng)力，改變析出相的大小和形狀，從而調(diào)控顯微組織，提高力學(xué)性能[18]。目前，激光選區(qū)熔化成形鈦合金的熱處理工藝主要為固溶和時效處理，合理的熱處理方式能夠顯著提高其強度和塑性。

CHICOS等[29]研究發(fā)現(xiàn)，在850 ℃(β相轉(zhuǎn)變溫度以下)空冷2 h后，TC4合金中形成了柱狀晶；而在850 ℃隨爐冷卻2 h可形成明顯的等軸晶組織，合金硬度由374 HV增至407 HV。李文賢等[30]在920，950，980 ℃下對激光選區(qū)熔化成形TC4合金進行固溶處理，并在650 ℃進行時效處理，發(fā)現(xiàn)與未經(jīng)熱處理的相比，920 ℃固溶和時效后，合金中雜亂的短棒狀α相變得排列有序，伸長率提高了1.63倍；隨固溶溫度升高，條狀α相變長，980 ℃時形成魏氏組織，伸長率明顯下降。周俊等[31]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)固溶時效處理后，TC4合金原始晶面不再連續(xù)，晶內(nèi)α相由細針狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀，呈典型的網(wǎng)籃組織特征，由于晶界發(fā)生不同程度的破碎，晶界對滑移的阻礙作用減弱，合金強度降低；但網(wǎng)籃組織中板條狀α相尺寸變得均勻，合金塑性有所提高。王文博等[32]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時效溫度從500 ℃升高到600 ℃，網(wǎng)籃狀初生α相中析出尺寸更大的次生β相，鈦合金強度得到提高。SYED等[33]對TC4合金進行應(yīng)力消除熱處理，使其殘余應(yīng)力從450 MPa降低為30 MPa。

3 結(jié)束語

合理的激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)可以使TC4合金粉末充分熔化,減少球化現(xiàn)象，有效降低合金孔隙率,提高相對密度,減小殘余應(yīng)力，避免變形開裂。固溶和時效熱處理可以有效細化晶粒，使組織中的α相由細針狀變?yōu)榘鍡l狀，進而提高合金塑性，但強度會有所下降。

當(dāng)前選區(qū)激光熔化TC4合金顯微組織和性能的控制還主要局限于工藝參數(shù)或熱處理手段調(diào)控，兩者未能有效結(jié)合，且缺乏系統(tǒng)的工藝參數(shù)調(diào)控方法體系，未建立顯微組織演變與宏觀力學(xué)性能的影響作用機制。顆粒增強鈦基復(fù)合材料中增強體可與基體發(fā)生原位反應(yīng)，生成更加細小的彌散增強相分布在鈦基體中，增強復(fù)合材料的硬度、強度和耐磨性；但通過在鈦基體中添加增強相配合工藝參數(shù)調(diào)控來進一步改善TC4鈦合金顯微組織和性能的方法尚未見報道。開發(fā)適用于不同牌號鈦合金的形核添加劑，以制備性能更好的激光選區(qū)熔化鈦基合金，對于完善材料基因組工程，推動我國3D打印行業(yè)、航空航天事業(yè)、海洋工程等的發(fā)展具有深遠意義。