激光沉積預置TC4線材的顯微組織研究

林俊宇， 徐培全， 馬一帆

(上海工程技術(shù)大學 材料工程學院， 上海 201620)

鈦合金發(fā)展自20世紀50年代，具有高耐蝕性、比強度以及良好的生物相容性等優(yōu)異性能，在航空航天[1]、醫(yī)療植入物[2]和汽車船舶等領(lǐng)域都得以廣泛應(yīng)用[3]。Ti-6Al-4V合金又稱TC4，屬于α+β型鈦合金，因其各項性能均衡，使用量占鈦合金中的75%～85%[4]，被冠以鈦合金中的“王牌合金”的名號。傳統(tǒng)加工工藝在制造TC4合金零部件時，常受限于鈦合金較差的切削加工性，加工繁瑣[5-6]且周期長，而激光金屬沉積技術(shù)的特性能夠很好地規(guī)避這些問題[7]。目前對TC4激光金屬沉積研究中，絕大多數(shù)以TC4粉末作為原材料[8]，少數(shù)采用商用焊絲作為沉積材料[9]。粉材利用率不高，價格昂貴，且在開放環(huán)境中Ti粉的激光金屬沉積具有一定的危險性。而基于熔絲的激光沉積工藝具有速率快，材料利用率近100%，及制備成本低的特點[10]，預置金屬條的方式省略了送絲設(shè)備，簡化了生產(chǎn)過程與參數(shù)。課題組采用預置法在基體上通過電阻點焊固定預鋪金屬條后進行單層與多層激光金屬沉積，并分別對單層與多層試樣的組織進行了分析。

1 實驗材料與方法

實驗以6 mm厚度、經(jīng)退火處理后的Ti6Al4V合金板材作為基體進行激光金屬沉積，沉積材料為通過線切割加工而成的截面形狀為3 mm×1 mm矩形的Ti6Al4V金屬條?；w與金屬條的化學成分如表1所示。在進行試樣前基體與金屬條均依次用顆粒度為64 μm(240目)，39 μm(480目)，15 μm(800目)的碳化硅砂紙打磨，去除表層的氧化層與加工痕跡，隨后用乙醇作為清洗劑超聲清洗10 min去除表面油污并烘干備用。

表1 基體及沉積材料化學成分

由于鈦合金熱傳導性差，金屬條受激光輻照時易發(fā)生嚴重的翹曲和變形，因此使用hotspot II點焊機以電阻點焊的方式將金屬條預置在基板上再進行單層與多層的Ti6Al4V合金增材制造，其固定方式如圖1所示。對于多層試樣，在當前層激光掃描完成后再次進行下一層的金屬條電阻點焊預置，隨后進行下一層激光掃描，重復這個過程直至試樣達到目標層數(shù)。

圖1 試樣中金屬條預置方式Figure 1 Preset way of metal strip in sample

圖2(a)所示為本試驗中采用的美國IPG公司生產(chǎn)的光纖激光器與激光控制平臺，圖2(b)所示為德國HIGHYAG公司制造的BIMO QBH激光頭。該激光頭夾持在瑞士ABB的ABB-IRB 4600型機器人上，通過在ABB機器人中設(shè)定路徑與速度等參數(shù)后由機器人控制完成增材制造。激光器相應(yīng)參數(shù)如表2所示。單層試樣(A1)與多層試樣(A2)的激光金屬沉積根據(jù)表3所示的工藝參數(shù)進行。在增材制造過程中選用氬氣作為保護氣體，氣體流量為25 L/min，激光掃描路徑設(shè)定為往復式掃描。

圖2 激光金屬沉積所用設(shè)備Figure 2 Equipment used in laser metal deposition

表2 激光器設(shè)備參數(shù)

表3 激光金屬沉積工藝參數(shù)

激光金屬沉積增材制造結(jié)束后，將得到的單層與多層試樣沿橫截面切開，依次用顆粒度為64.0 μm(240目)，39.0 μm(480目)，15.0 μm(800目)，10.5 μm(1 200目)，8.5 μm(1 600目)，7 μm(2 000目)的SiC砂紙打磨后用顆粒度為3.5，1.5和0.5 μm的Al2O3粉末依次進行拋光。選用Kroll試劑(HF∶HNO3∶H2O=2∶5∶93)腐蝕試樣橫截面15 s后用超景深三維顯微鏡觀察分析沉積層及其與基體結(jié)合界面處的顯微組織形貌。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 單層沉積層顯微組織

單層沉積試樣A1的橫截面顯微組織及沉積層/基體間界面如圖3所示。由于Kroll試劑會優(yōu)先腐蝕鈦合金中β相，因此α相與β相在光學顯微鏡下有襯度的存在，造成α相顏色稍淺，β相顏色更深。由于鈦合金導熱系數(shù)低，不同區(qū)域冷卻速率不同，在沉積層有多種組織的存在。圖3(c)所示沉積層的頂部為取向相似的豎直方向的條狀α，條狀的α表現(xiàn)出枝晶生長的趨勢，條狀α之間則為片層狀的次生α+晶間β相。圖3(d)所示組織為細長的針狀，針與針之間為次生α相與晶間β相，其中次生α相以片層狀和長寬比較小的條狀2種形態(tài)出現(xiàn)。在沉積層靠近基體的界面處可以觀察到完全β轉(zhuǎn)變組織α′相，該組織以片層狀交錯分布在原始β晶界內(nèi)側(cè)，形成魏氏組織，此類組織一般對合金塑性、疲勞強度和熱穩(wěn)定性等性能有不好的影響[11]，如圖3(f)所示。此外，在長針狀α′相與全片層狀β轉(zhuǎn)變組織之間還存在一個過渡區(qū)域，過渡區(qū)中針狀α′相的長寬比減小變?yōu)槎提樑c小塊狀的α相與晶間β組織，如圖3(e)所示。

圖3 單層沉積層和界面的顯微組織Figure 3 Microstructure of single-layer deposited sample and interface

2.2 多層沉積層顯微組織

圖4所示為低倍光學顯微鏡下的多層沉積試樣A2的橫截面及沉積層/基體之間界面的顯微組織圖。從圖中可以看到在多層的沉積層中有少量氣孔和裂紋。在多層增材制造的過程中，由于多層的金屬條的逐層堆疊，易對試樣表層的不平整度起到一個累加的效果。而在某一層表層上繼續(xù)預置金屬條時，新預置的金屬條與試樣的表面就會存在一定的縫隙，若沉積過程中熔池存在時間過短，縫隙中的氣體未能及時從熔池中溢出就會導致氣孔的形成。

圖4 低倍顯微鏡下多層沉積層和界面的顯微組織Figure 4 Microstructure of multi-layer deposited sample and interface under low power microscope

圖5(a)，(b)和(c)分別為圖4中方框所標E，F(xiàn)和G區(qū)域的高倍放大圖。圖5(a)所示為沉積層頂部條狀α相與晶間β，與單層試驗相比頂部的條狀α相表現(xiàn)出明顯的枝晶生產(chǎn)的特性，呈現(xiàn)為魚骨狀。圖5(b)為沉積層中冷裂紋區(qū)域的放大圖，多層多道的激光掃描增大了熱輸入，在過大的熱輸入和鈦合金相對較差的導熱性雙重影響下易使基板發(fā)生變形，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，在隨后的冷卻過程中發(fā)生開裂形成裂紋。解決方法是通過去應(yīng)力退火方式消除內(nèi)應(yīng)力，防止此類裂紋的產(chǎn)生[12]。此外在多層沉積試樣中有少量偏析的情況出現(xiàn)，如圖4頂部以及圖5(c)中都觀察到了粗大α塊。由于此類位置出現(xiàn)α穩(wěn)定元素富集與偏析，在富集處α相首先析出，并沿晶界向晶內(nèi)生長，從而形成了偏析引起的大塊α相的出現(xiàn)。圖5(d)為圖5(c)的進一步放大圖，從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)多層沉積試樣中的針狀α′相相對于單層沉積試樣而言數(shù)量與長寬比都有所減小；針狀α′相之間的片層狀α與短條α數(shù)量增多。圖5(e)為多層沉積試樣中較為典型的由交錯的片層α構(gòu)成的魏氏組織，相比單層沉積試樣，這一類組織在多層沉積試樣中的含量大大減少，僅在沉積層與界面處有少部分存在。圖5(f)為多層沉積試樣中典型的網(wǎng)籃組織，原始的晶界基本破碎，α與晶間的β小片呈現(xiàn)短且歪扭的形狀并具有較小的縱橫比；由于各α集束交錯排列，在多層沉積試樣中此類組織出現(xiàn)的相對更多。

圖5 多層沉積層中典型顯微組織Figure 5 Typical microstructure in multi-layer deposited sample

3 結(jié)論

課題組采用電阻點焊預置TC4金屬條后激光掃描的方式，實現(xiàn)了基于預置TC4線材的單層與多層激光沉積，并對沉積層的組織進行了研究，得到以下結(jié)論：

1) 沉積層中組織主要為長針狀α′相，條狀α相及晶間β，多層的堆疊增大了組織中條狀α相枝晶生長的趨勢，也極大地減小了沉積層中魏氏組織的含量。

2) 在組織上A2試樣更佳，但也存在少量的裂紋與氣孔。原因是在多層沉積放大了試樣表面起伏，氣孔容易在表面凹陷較大處出現(xiàn)；而成型過程中多道多層的激光掃描提升了熱輸入量，在冷卻過程容易形成較大的內(nèi)應(yīng)力使工件開裂，在實際生產(chǎn)中應(yīng)注意防控此類問題。

本研究中降低了激光沉積技術(shù)對設(shè)備及材料的要求，顯著降低了生產(chǎn)成本，對于工業(yè)化生產(chǎn)中中型和大型零部件的激光沉積制造有積極影響和重要意義。在此研究的基礎(chǔ)上可進一步研究如工藝參數(shù)對組織及性能的影響，或是預置不同成分與形狀的金屬條以實現(xiàn)梯度材料的制造。