激光3D打印工藝對鈦合金質(zhì)量的影響

陳偉強

（中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所，福建 福州 350000）

1 激光3D工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展

目前，激光3D打印工藝已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了有效的推廣與應(yīng)用，作為一種新型的技術(shù)，該工藝可以被應(yīng)用于承受大荷載實體金屬零件的快速成型、復(fù)雜形狀與大體積制造缺陷的修復(fù)、誤加工損傷的修復(fù)等多個領(lǐng)域。在激光3D打印工藝的應(yīng)用中，原材料粉末的存在為快速成型提供了物質(zhì)條件。激光成形的過程中，3D打印設(shè)備是核心設(shè)備。通過該設(shè)備，合金粉末能夠被激光加以快速熔化、凝固，隨后隨著材料的累加成型。制粉工藝與粉末特征是影響激光3D打印制件性能的重要因素[1]。近年來，我國的激光3D打印技術(shù)已經(jīng)取得了一定的發(fā)展成果，但是其發(fā)展水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家，尤其是在粉末原料的生產(chǎn)、新材料的開發(fā)方面，其技術(shù)水平相對落后、產(chǎn)業(yè)化不足、粉末原料制備技術(shù)落后都是制約我國激光3D打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的重要因素?，F(xiàn)階段，我國國內(nèi)激光3D打印技術(shù)中所使用的鈦合金金屬粉末原料多依賴于進口，嚴(yán)重阻礙了技術(shù)的快速發(fā)展。

鈦合金材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用相對較多，比如各類飛機的制造、航天器的制造等。近年來，隨著激光3D打印工藝的快速發(fā)展，鈦合金的需求量逐年增加。激光3D打印技術(shù)在大型復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的成形方面有著較大的技術(shù)優(yōu)勢，尤其是隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展，用激光3D打印工藝來進行高性能鈦合金構(gòu)件的成形更是具有良好的發(fā)展前景。比如，以TC4鈦合金為例，由于其本身具有強度高、耐高溫、抗氧化的特性，在航空航天事業(yè)中的應(yīng)用較為普遍。隨著航空航天事業(yè)的快速發(fā)展，鈦合金構(gòu)件輕量化將是未來發(fā)展的主要方向，而傳統(tǒng)的制造方法下，存在效率低下、成本較高的劣勢，其復(fù)雜構(gòu)件難以保障成形效果，而激光3D打印工藝的應(yīng)用恰好有效解決了這些問題[2]。激光3D打印工藝的應(yīng)用中，工藝參數(shù)將直接影響鈦合金成形的質(zhì)量以及構(gòu)件的性能，因此，必須進行工藝參數(shù)的科學(xué)設(shè)置，保障鈦合金成形質(zhì)量。

2 試驗設(shè)備與方法

要詳細(xì)了解激光3D打印工藝對鈦合金質(zhì)量的直接影響，可以進行相應(yīng)的試驗，獲得定量化的影響結(jié)果。以TC4鈦合金材料為研究對象，選用LDW-8060設(shè)備為打印設(shè)備。該設(shè)備內(nèi)主要由4kW光纖耦合半導(dǎo)體激光器、四路送粉3D打印頭、氣載式送粉器、氬氣工作倉+凈化系統(tǒng)、水冷機等部分組成。激光3D打印工藝參數(shù)的正交試驗結(jié)果如表1所示。

表1 正交試驗設(shè)計方案

TC4基板采用鈦合金材料，為保障試驗結(jié)果的可靠性，在正式的試驗開始之前，相關(guān)人員需首先對該基板進行必要的打磨處理，隨后使用丙酮來擦拭，避免基板上存在各種油污等雜質(zhì)。TC4鈦合金粉末的粒度范圍為75～120μm，由于其化學(xué)成分的特殊性，在試驗之前，首先將TC4粉末放于惰性氣體加熱器中，在200℃的溫度條件下進行烘干處理，該處理過程主要是為了及時去除粉末中多余的水分。當(dāng)獲得激光3D打印制造的塊體以后，實施線切割處理，其制備尺寸為15mm×10mm×10mm的單道金相試樣以及Z方向和XY方向向拉伸試樣，其拉伸試樣如圖1所示。

圖1 拉伸試樣尺寸（單位：mm）

利用砂紙對金相試樣進行相應(yīng)的研磨、拋光處理，隨后利用Kroll腐蝕液對其加以腐蝕處理，腐蝕時間維持在0.5min左右。隨后，利用蔡司ZX-10型金相顯微鏡、SU8010型場發(fā)射掃描電子顯微鏡來進行金相試樣組織的具體分析，使用電子萬能試壓機進行試樣力學(xué)性能的檢測。

3 試樣結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

試樣結(jié)果如表2所示。根據(jù)熔合比指標(biāo)，3、6、7號的熔合比相對較小。根據(jù)其最終的單道3D打印層外觀，在3號試樣表面，存在著大量的粘粉，這種情況可能是激光功率不夠造成的；6號與7號試樣中的3D打印層外觀相對較好，而且其熔合比都略微高于3號試樣。從3、6與7號試樣的總體來看，7號試樣的送粉量相對較多。因此，相比較而言，7號試樣的相關(guān)參數(shù)更為合理。

表2 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

在本次試驗中，有關(guān)人員能夠充分獲得單道3D打印層的橫截面組織情況。根據(jù)每個試樣的呈現(xiàn)結(jié)果，有關(guān)人員直接進行熔深與余高的測量，當(dāng)獲得這些參數(shù)以后，依舊熔合比的計算公式，能夠有效進行各個試樣熔合比的精確計算。根據(jù)所計算的熔合比，可得出在試驗過程中基板材料對3D打印層的影響大小，即在熔合比越小的情況下，基板材料對打印層的影響越小，越能夠保障打印質(zhì)量[3]。

4 激光3D打印對鈦合金質(zhì)量的影響

4.1 顯微組織

根據(jù)此次試驗，能夠直接獲得激光3D打印工藝下TC4鈦合金的顯微組織圖。根據(jù)相應(yīng)的試驗分析，在高溫條件下，粗大的β柱狀晶基本上可以與3D打印方向保持垂直方向，且此種條件下柱狀晶寬度僅僅為0.5mm左右。此外，通過深入分析可知，柱狀晶線先析出α相，其表現(xiàn)為棒狀分布的狀態(tài)。隨著試驗的繼續(xù)，柱狀晶內(nèi)逐步析出大量片層α相、少量片層α魏氏板條相、短棒狀α相。其中，α魏氏板條相呈現(xiàn)出細(xì)長的結(jié)構(gòu)形態(tài)，其長度較大，尖端基本上不存在球化現(xiàn)象，主體沿著晶界向晶內(nèi)生長，呈現(xiàn)集束狀形態(tài)。短棒狀α相的出現(xiàn)主要是在激光3D打印技術(shù)的應(yīng)用過程中，先析出與后析出的α相都逐步在長大，由于生長方向的差異性，不同方向上的α相在相互接觸以后會立即停止生長，這種情況下對一些α相起到了重要的抑制作用，最終形成了短棒狀α相。激光3D打印技術(shù)條件下，柱狀晶組織的存在將會影響鈦合金的拉伸性能。一般情況下，沿著柱狀晶生長方向的鈦合金拉伸性能相對較好[4]。

4.2 室溫拉伸性能

在本次試驗中，只有當(dāng)工藝參數(shù)最優(yōu)的情況下，室溫拉伸性能才能夠符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。在本試驗中，其最佳的工藝參數(shù)為激光輸出功率1900W、掃描速度700mm/min、送粉量10g/min。此條件下，能夠獲得TC4鈦合金試驗的室溫拉伸性能結(jié)果。根據(jù)對試驗結(jié)果的分析，可以得出：鈦合金Z方向的拉伸塑性相對要高于XY方向，但是Z方向的屈服強度、拉伸強度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于XY方向。從激光3D打印工藝的實際應(yīng)用來看，TC4鈦合金的強度符合國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與要求，且Z方向的塑性指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于TC4鈦合金構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)，而XY方向的塑性指標(biāo)相對較差[5]。

從根本上來看，激光3D打印工藝所制造出的TC4鈦合金構(gòu)件在Z方向上的塑性相對較好，這主要是由晶粒生長方向、組織形態(tài)所決定的。由于在Z向晶粒的生長方向大致與3D打印方向垂直，而柱狀晶粒組織的形態(tài)使得在3D打印條件下，存在于晶粒與晶粒之間的晶界能夠始終與拉伸方向保持平行狀態(tài)，最大程度上減小了位錯運動的阻力。XY方向鈦合金的拉伸方向始終與晶界垂直，基本上不會存在位錯運動，使得此方向上的強度相對較高，而塑性相對較小。

4.3 室溫拉伸斷口

根據(jù)此次試驗，能夠最終獲得激光3D打印層分別在Z方向與XY方向的拉伸試樣斷口形態(tài)，根據(jù)最終的呈現(xiàn)結(jié)果來看，3D打印條件下，鈦合金在Z方向、XY方向上的斷口都表現(xiàn)為不滿韌窩、塑性斷口的形態(tài)。

總之，激光3D打印工藝雖然是一種有效的工藝技術(shù)，尤其是在鈦合金構(gòu)件的制造方面。但要想充分發(fā)揮激光3D打印工藝的應(yīng)用效果，則在實際的應(yīng)用過程中，相關(guān)人員必須從鈦合金構(gòu)件的性能、質(zhì)量要求著手，對激光3D打印工藝的相關(guān)參數(shù)加以必要的優(yōu)化與處理，保障其工藝參數(shù)能夠符合鈦合金處理的質(zhì)量要求，發(fā)揮激光3D打印工藝在鈦合金快速成型、控制成本、提高效率方面的技術(shù)優(yōu)勢，保障鈦合金構(gòu)件的性能。

5 結(jié)束語

近年來，隨著我國工業(yè)與城市的快速發(fā)展，各種技術(shù)不斷進步，在鈦合金材料的應(yīng)用方面，激光3D打印工藝是一種有效的處理技術(shù)，能夠在鈦合金構(gòu)件的質(zhì)量控制、性能優(yōu)化方面發(fā)揮重要的作用。但是，在實際的工藝應(yīng)用中，相關(guān)人員需結(jié)合鈦合金構(gòu)件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與要求，對3D打印工藝的參數(shù)進行優(yōu)化，最大程度達(dá)到技術(shù)應(yīng)用的理想效果。