鈦鋁異種合金選區(qū)激光熔化(SLM)成形的工藝

李慶棠，劉寶昌，王方彬(北京新風航天裝備有限公司，北京 100854)

0 引言

TC4鈦合金比強度大，耐磨性高，具有良好的綜合力學性能，AlSi10Mg具有良好的工藝，密度小，抗蝕性好，Ti合金和Al合金以其高強重比優(yōu)點在航空航天等產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用，將兩者材料連接起來可以達到材料使用性能和經(jīng)濟效益的平衡[1-2]。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，其已經(jīng)超越傳統(tǒng)單材均質(zhì)加工技術(shù)的限制，成為可實現(xiàn)多材料、功能梯度材料、多色及真彩色表面紋理貼圖制件的直接制造，與傳統(tǒng)加工工藝結(jié)合，可實現(xiàn)多種兼顧精度和形狀復雜度的新型加工方法[3]。張文奇[4]利用激光選區(qū)熔化(SLM)成形技術(shù)對AlSi10Mg鑄造鋁合金的成形工藝進行了研究，獲得了致密的成形，同時研究了熱處理工藝對SLM成形Al Si10Mg試樣組織及性能的影響，發(fā)現(xiàn)退火工藝對SLM試樣的組織及力學性能有著重要的影響。黃建國[5]以Ti6Al4V(TC4)粉末為實驗材料，研究了選區(qū)激光熔化成形TC4合金的工藝參數(shù)及力學性能，并探討了工藝參數(shù)及熱處理工藝對SLM成形TC4鈦合金的致密度、顯微組織及力學性能的影響。文獻[6]、[7]采用SLM成形技術(shù)分別對鈦/鋼連接、鋁/鋼連接等連接缺陷、金屬間化合物反應(yīng)層的特性以及各種工藝參數(shù)的變化對成型件表面質(zhì)量、致密度等進行了研究，提出了用密度能量來衡量異種材料SLM制造過程的連接質(zhì)量，研究表明SLM過程是一個制備雜化材料的有前途的方法。

1 實驗方法

實驗選取TC4鈦合金和AlSi10Mg鋁合金兩種金屬粉末開展異種材料增材工藝探索。TC4鈦合金的材料組成是Ti-6Al-4V， 是典型的(α+β)型鈦合金，比強度大，耐磨性高，具有良好的綜合力學性能。AlSi10Mg具有良好的工藝，密度小，抗蝕性好。兩種材料在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用上都具有較大的潛力，材料化學成分如表1和表2所示，兩種合金粉末粒度分析結(jié)果如表3所示。

表1 AlSi10Mg化學成分表

表2 TC4化學成分表

表3 粒度分布試驗結(jié)果

實驗用SLM成型設(shè)備為華曙高科FS271M激光3D打印機設(shè)備參數(shù)如表4所示。以打磨擦洗后的TC4鈦合金板為沉積基板，先制備TC4合金試塊，然后在TC4合金試塊上熔覆AlSi10Mg合金，制備時采用氬氣作為保護氣體，研究不同工藝參數(shù)對鈦鋁異種合金成型的影響。

表4 FS271M主要技術(shù)參數(shù)

圖1 鈦鋁合金試塊(2 mm AlSi10Mg熔覆)

圖2 鈦鋁合金試塊(15 mm×15 mm×15 mm)

試塊的宏觀成型可以通過目視觀察，孔洞、裂紋等界面缺陷可以通過熒光滲透探傷、射線探傷等方法進行檢測。采用OLYPMUS DP72 光學顯微鏡觀察SLM成形鈦鋁界面結(jié)合程度及裂紋分布情況。

力學性能通過制備拉伸試樣進行拉伸試驗獲取。拉伸試驗按照GB/T 228.1—2010標準制備，其尺寸如圖3所示，每組工藝參數(shù)制備3個試棒，拉伸試驗在CMT5105微機控制電子萬能試驗機上進行，加載速度為2.5 mm/min，試驗結(jié)束條件為試棒拉斷。實驗過程中采集試棒拉伸時的橫梁應(yīng)力，用引伸計測量試件對應(yīng)的變形量，并在實驗結(jié)束后測量試棒的斷后伸長率。

圖3 TC4/AlSi10Mg異種合金拉伸試樣尺寸圖

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)對宏觀成型的影響

鈦鋁異種合金宏觀成型的主要缺陷是翹曲和收縮。激光選區(qū)熔化過程中掃描區(qū)域先后順序也會導致各部分冷卻速率的不均勻，進而會產(chǎn)生溫度梯度，最終會使金屬試樣中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，鋁合金側(cè)發(fā)生翹曲變形。兩種合金熱物理參數(shù)差異較大，尤其是熱膨脹系數(shù)，會直接導致在鋁合金凝固過程中產(chǎn)生的收縮程度與鈦合金不相同，產(chǎn)生收縮不均的現(xiàn)象。另外，打印過程中界面表面成形不平整會導致鋪粉不均勻，缺粉位置會導致過熱，進而會進一步發(fā)生翹曲，直至界面明顯撕裂，如圖4(a)所示。

圖4 鈦鋁異種合金試塊宏觀成型優(yōu)化

采用棋盤掃描策略，減少掃描區(qū)域數(shù)量，使不同區(qū)域之間冷卻速率接近，可有效避免產(chǎn)生翹曲變形。成型過程中，每掃描一層旋轉(zhuǎn)一定角度(67°)，使每層激光起始位置都不相同，每一層鋁合金收縮方向不一致，這樣就避免了收縮累加，進而影響成形及界面質(zhì)量的情況。通過優(yōu)化后的工藝，可獲取成型良好的試樣。

2.2 工藝參數(shù)對宏觀裂紋的影響

界面宏觀裂紋的長度是SLM成形鈦鋁復合的重要指標。激光功率對成形件質(zhì)量起到了至關(guān)重要的作用，在研究范圍內(nèi)下，隨著激光功率的減小鈦鋁復合界面宏觀裂紋的長度先減小后增加，如圖5(a)所示。掃描速度與激光對粉末熔化時間有直接關(guān)系，影響激光熱輸入量。在特定的激光功率下，鈦鋁復合界面宏觀裂紋的長度隨著掃描速度的增加先降低后升高，如圖5(b)所示。激光功率200 W，掃描速度1 000 mm/s時鈦鋁界面光鏡圖如圖6所示，可見此工藝參數(shù)下，界面連接良好，無宏觀裂紋。

圖5 工藝參數(shù)對宏觀裂紋的影響

圖6 鈦鋁界面光鏡圖(200 W, 1 000 mm/s)

2.3 鈦鋁異種合金SLM制品力學性能

優(yōu)化后的工藝參數(shù)可獲取外觀成型良好、界面連接可靠試塊，通過拉伸試驗獲取界面拉伸力學性能見表5。

表5 鈦鋁異種合金成形拉伸力學性能

3 結(jié)語

鈦鋁異種金屬材料連接，具有減輕重量、降低成本及特殊使用性能的作用，被廣泛應(yīng)用于航空、航天及現(xiàn)代汽車工業(yè)。文章對TC4/AlSi10Mg異種合金SLM技術(shù)成型工藝進行了研究。結(jié)果表明，激光功率、掃描速度、預(yù)熱溫度、掃描策略都對鈦鋁異種合金SLM成形質(zhì)量有著重要影響，預(yù)熱溫度150 ℃，激光功率200 W，掃描速度1 000 mm/s，stripes 掃描策略，可以有效控制SLM翹曲、收縮并避免宏觀裂紋的產(chǎn)生，獲得高結(jié)合效果的鈦鋁復合試樣，界面強度可達55 MPa。