拼接順序?qū)﹄p激光選區(qū)熔化成形TC4鈦合金成形性的影響*

楊圣昆，謝印開(kāi)，胡全棟，李懷學(xué)

（1.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 100024；2.高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；3.高能束流增量制造技術(shù)與裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；4.增材制造航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024）

激光選區(qū)熔化技術(shù)（Selective laser melting，SLM）是一種利用激光束熔融粉末凝固成形的增材制造技術(shù)[1]，能基于CAD模型，以逐層成形的方式制造零件。在每層的成形過(guò)程中，掃描振鏡控制激光束在已鋪好粉的表面按照計(jì)算的路徑進(jìn)行掃描，使粉末在激光掃描的位置形成熔池并迅速冷卻凝固，在完成一層的掃描后，鋪粉繼續(xù)下一層的掃描，直至成形完成，這種離散的成形方式相較于傳統(tǒng)的鑄造等方式能夠成形更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)[2]。

隨著零件尺寸的不斷增大，單臺(tái)激光器的激光選區(qū)熔化設(shè)備因掃描振鏡、場(chǎng)鏡等器件的限制，難以實(shí)現(xiàn)大尺寸零件的成形。而使用雙激光甚至多激光的激光選區(qū)設(shè)備不僅解決了可成形零件在尺寸方面的限制，還因激光器數(shù)量的增加提高了成形效率。國(guó)內(nèi)外公司如EOS、SLM Solution、Renishaw、鉑力特等也相繼推出了采用多激光拼接技術(shù)的SLM設(shè)備。

目前已有部分研究人員對(duì)多激光選區(qū)熔化成形技術(shù)在拼接區(qū)域的成形進(jìn)行了一定研究。Li等[3]在自研四激光選區(qū)熔化系統(tǒng)上進(jìn)行了多激光拼接試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)重熔的雙激光拼接區(qū)域存在臺(tái)階效應(yīng)，而重熔區(qū)域在兩區(qū)域掃描線相對(duì)偏轉(zhuǎn)角為90°時(shí)可大大改善這一情況，并且拼接區(qū)域機(jī)械性能與其他區(qū)域相當(dāng)。張思遠(yuǎn)等[4]使用AM250設(shè)備，研究了重熔拼接與交錯(cuò)拼接兩類拼接方法對(duì)表面形貌尺寸誤差與內(nèi)部拼接缺陷的影響，并分析了拼接缺陷的產(chǎn)生機(jī)制。Wei等[5]在自研設(shè)備上對(duì)多激光器掃描點(diǎn)相遇的情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)掃描點(diǎn)相遇導(dǎo)致的能量輸入過(guò)高可能會(huì)產(chǎn)生大量的匙孔缺陷。Zou等[6]通過(guò)建立三維熱力學(xué)模型，研究掃描路徑與激光數(shù)量對(duì)零件殘余應(yīng)力的影響，指出合理規(guī)劃掃描路徑與掃描順序可以改善應(yīng)力集中現(xiàn)象。Tenbrock等[7]對(duì)多激光掃描羽流的相互干擾進(jìn)行了分析，以指導(dǎo)多激光掃描策略的制定。除此之外，還有較多研究人員也通過(guò)模擬仿真來(lái)研究多激光成形時(shí)的溫度場(chǎng)與殘余應(yīng)力等[8–11]。

上述文獻(xiàn)從不同方面為多激光選區(qū)熔化成形提供了有力參考，但對(duì)實(shí)際成形中常用的條帶掃描及其拼接方法沒(méi)有太多涉及，尤其沒(méi)有考慮拼接區(qū)域兩激光拼接順序?qū)ζ唇淤|(zhì)量的影響。本文將針對(duì)條帶掃描的拼接方法，研究拼接順序?qū)υ嚇釉谄唇訁^(qū)域成形特性的影響，同時(shí)分析不同拼接順序下缺陷及表面形貌的產(chǎn)生原因，尋求優(yōu)化的拼接方法，為大尺寸零件的高質(zhì)量拼接提供支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本研究在自研雙激光選區(qū)熔化設(shè)備M810上進(jìn)行試樣制備，該系統(tǒng)包含兩臺(tái)光纖激光器，設(shè)定的拼接區(qū)（拼接區(qū)不同于重熔區(qū)，僅代表相鄰兩激光器的拼接發(fā)生在該區(qū)域內(nèi)）寬度為10mm。成形采用的Ti6Al4V粉末主要化學(xué)成分見(jiàn)表1，粉末的累計(jì)粒度分布數(shù)達(dá)到10%、50%和90%所對(duì)應(yīng)的粒徑D10、D50和D90分別為25.6μm、37.9μm和56.0μm。

表1 Ti6Al4V粉末主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） Table 1 Main chemical composition of Ti6Al4V powder (mass fraction) %

如圖1所示，本研究共設(shè)計(jì)了5種用于雙激光拼接的條帶拼接策略，使用策略1～5成形塊狀試樣（高度為5mm），使用策略4～5成形帶有實(shí)體支撐的圓柱試樣。使用優(yōu)化后的參數(shù)（激光器功率320W，掃描速度1200mm/s，掃描線間距0.13mm，層厚0.04mm）進(jìn)行成形，鋪粉所用刮刀為軟刮刀，成形過(guò)程中，使用氬氣作為保護(hù)氣體。條帶掃描策略示意圖如圖2所示，其中1#、2#表示區(qū)域掃描的先后順序，紅色、藍(lán)線實(shí)線分別為激光器1、激光器2的掃描線，不同顏色的帶箭頭虛線表示其對(duì)應(yīng)激光器的條帶掃描方向。

圖1 試樣擺放示意圖和拉伸試樣Fig.1 Samples arrangement sketch map and tensile samples

圖2 拼接成形試樣掃描及拼接策略示意圖Fig.2 Schematic of applied scanning and overlap strategies

策略1～3的相鄰層間掃描條帶相對(duì)偏轉(zhuǎn)角（簡(jiǎn)稱層間偏轉(zhuǎn)角）θ= 0，即相鄰層間條帶掃描方向一致，主要用于研究拼接區(qū)域兩激光器的拼接順序（兩區(qū)域掃描成形的先后與條帶掃描方向的相對(duì)順序）對(duì)成形的影響，根據(jù)區(qū)域成形順序的不同，本文把區(qū)域成形順序與條帶掃描方向相反的策略1稱為逆序拼接，把區(qū)域成形順序與條帶掃描方向相同的策略2、3稱為順序拼接。其中，策略2、3的區(qū)別為策略3在1#區(qū)域掃描完畢后馬上進(jìn)行2#區(qū)域的掃描，掃描間隔極短，而策略2兩區(qū)域掃描間隔為1s以上，為了方便區(qū)分，把策略3也稱為接序拼接。策略4、5的層間偏轉(zhuǎn)角θ= 67°，在拼接順序上，策略4采取逆序拼接，策略5采取順序拼接，策略4、5主要用來(lái)研究拼接順序?qū)Υ嬖趯娱g偏轉(zhuǎn)角的試樣成形性的影響。

對(duì)于成形的試樣，使用VHX–5000深度顯微鏡觀察其表面形貌，然后對(duì)其進(jìn)行鑲樣、磨拋和腐蝕，使用Leica DMI5000型金相顯微鏡觀察金相，對(duì)于使用策略4、5成形的試樣，使用顯微硬度計(jì)在x方向進(jìn)行拼接區(qū)域內(nèi)的顯微硬度測(cè)量，每隔0.1mm取一個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)試樣取11個(gè)點(diǎn)。對(duì)于使用策略4、5成形的沉積態(tài)試棒，根據(jù)航標(biāo)HB 5214 — 96《金屬室溫缺口拉伸試驗(yàn)方法》將其加工成直徑5mm的圓形缺口試樣，每種策略各3根，試樣如圖1所示，缺口開(kāi)在拼接區(qū)域中央，使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)圓形缺口試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 拼接順序?qū)娱g無(wú)相對(duì)偏轉(zhuǎn)雙激光選區(qū)熔化拼接成形性的影響

圖3為θ=0時(shí)成形的試樣表面形貌，可以明顯觀察到，使用逆序拼接策略的試樣在拼接線處有較大的起伏，測(cè)量表面形貌發(fā)現(xiàn)，其表面起伏差高達(dá)210μm，且后成形區(qū)域在拼接線處有明顯的凹陷。采取順序和接序拼接策略成形的試樣拼接處表面平整，且兩者形貌無(wú)明顯差別。這說(shuō)明在θ=0時(shí)，不同拼接順序?qū)@著影響試樣的表面形貌，而拼接線兩側(cè)區(qū)域掃描時(shí)間間隔對(duì)成形的表面質(zhì)量影響不大。

圖3 層間偏轉(zhuǎn)角θ=0時(shí)不同拼接順序試樣的表面形貌Fig.3 Surface appearance of samples with different overlap orders when interlayer deflection angle θ=0

不同拼接策略試樣的XOZ截面光鏡照片如圖4所示，其中虛線代表試樣每層拼接線組成的拼接界面，從圖4（a）中可以看出，采用逆序拼接策略的試樣在拼接界面處存在大量尺寸較大（>50μm）的孔洞，部分孔洞內(nèi)部觀察到了未融化的粉末。而在采用順序或者接序拼接策略的試件中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)分布在拼接界面附近的大尺寸孔洞。

圖4 層間偏轉(zhuǎn)角θ=0時(shí)不同拼接順序試樣金相Fig.4 Metallograph composite of overlap samples with different overlap orders when interlayer deflection angle θ=0

2.2 拼接順序?qū)娱g相對(duì)偏轉(zhuǎn)雙激光選區(qū)熔化拼接成形性的影響

圖5為θ= 67°時(shí)不同拼接策略成形試樣的表面形貌，可以看出，使用逆序拼接策略時(shí)，成形試樣表面在拼接線處出現(xiàn)了較大的起伏，其高度差約為90μm，由于層間偏轉(zhuǎn)角為67°，試樣相鄰多層間拼接線不重合，因此可近似認(rèn)為該參數(shù)下，90μm為逆序拼接策略在拼接線處產(chǎn)生的單層表面起伏。而對(duì)于采用順序拼接策略成形的試樣，其表面平整，拼接線處無(wú)明顯起伏。

由圖5（a）和圖6可知，采用逆序拼接的雙激光選區(qū)熔化成形試樣在拼接區(qū)域存在一條不同于當(dāng)前層拼接線的凸起線，此處起伏高達(dá)50μm，考慮到正常掃描區(qū)塊的內(nèi)部一般不會(huì)出現(xiàn)較大起伏，此處起伏可能是由上一層成形的表面起伏導(dǎo)致的粉末厚度不均所致，其產(chǎn)生原理如圖7所示。測(cè)量發(fā)現(xiàn)凸起線與第n層掃描線方向夾角為67.5°，近似等于層間相對(duì)偏轉(zhuǎn)角67°，因此可判斷其為在第n–1層成形時(shí)拼接界面處的起伏所致，這說(shuō)明新一層掃描并不能完全消除上一層較大起伏帶來(lái)的影響，而達(dá)到“自愈合”的目的。該凸起線在第n層的表面起伏約為50μm，而其在n–1層的原始表面起伏很可能為與n層拼接處起伏一致，為90μm。Bidare等[12]的研究表明，當(dāng)設(shè)定每層316L不銹鋼粉末的鋪粉厚度為40μm時(shí)，成形穩(wěn)定后每層用于成形的粉末厚度可達(dá)133μm，在本研究成形條件下，若拼接試樣在每層成形時(shí)均在拼接線處有高達(dá)90μm的起伏，仍將對(duì)拼接線處粉末厚度的均勻性造成較大影響，導(dǎo)致成形條件的惡化。

圖5 層間偏轉(zhuǎn)角θ=67°時(shí)不同拼接順序試樣的表面形貌Fig.5 Surface appearance of overlap samples with different overlap orders when interlayer deflection angle θ=67°

圖6 層間偏轉(zhuǎn)角θ=67°時(shí)逆序拼接試樣表面形貌Fig.6 Surface appearance of overlap samples with reverse order when interlayer deflection angle θ=67°

圖7 第n層的表面起伏對(duì)第n+1層成形的影響Fig.7 Influence of surface relief of n-th layer on formation of (n+1)-th layer

圖8給出了不同拼接策略雙激光選區(qū)熔化成形TC4鈦合金試樣的XOZ截面缺陷特征照片，因?yàn)閷娱g67°偏轉(zhuǎn)角的存在，試樣中無(wú)固定的拼接界面。從圖8（a）中可以看出，采用逆序條帶策略雙激光選區(qū)熔化成形TC4鈦合金試樣在拼接區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布著一些孔洞缺陷，這些缺陷主要是由每層拼接線處的起伏所致；由于拼接線位置逐層變化，逆序拼接導(dǎo)致拼接線起伏位置不斷變化，相鄰層粉末對(duì)拼接線位置起伏具有一定彌補(bǔ)作用，但在拼接區(qū)域仍然存在一定離散分布的微缺陷。采用順序條帶策略雙激光選區(qū)熔化成形TC4鈦合金試樣，在其拼接區(qū)域尚未發(fā)現(xiàn)明顯的微缺陷，如圖8（b）所示。

圖8 層間偏轉(zhuǎn)角θ=67°時(shí)不同拼接順序試樣金相圖Fig.8 Metallograph composite of overlap samples with different overlap orders when interlayer deflection angle θ=67°

當(dāng)層間偏轉(zhuǎn)角θ=67°時(shí)，雙激光選區(qū)熔化成形TC4鈦合金試樣在拼接區(qū)域的顯微硬度如圖9（a）所示，可以看出不論哪種拼接策略，其拼接區(qū)域的顯微硬度無(wú)明顯差異，均在400HV上下波動(dòng)；其缺口拉伸試樣拉伸得到的抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)如圖9（b）所示，逆序拼接策略成形試樣的抗拉強(qiáng)度約為1353MPa，順序拼接策略成形試樣的抗拉強(qiáng)度略高，約為1387MPa。使用相鄰層間掃描條帶相對(duì)偏轉(zhuǎn)拼接策略時(shí)，拼接順序?qū)ζ唇訁^(qū)域顯微硬度和抗拉強(qiáng)度的影響不大。

圖9 沉積態(tài)試樣靜態(tài)力學(xué)性能Fig.9 Static mechanical properties of as-deposited samples

2.3 討論

如圖10所示，在激光選區(qū)熔化成形過(guò)程中，激光束作用于金屬粉末形成熔池，同時(shí)在熔池上方產(chǎn)生高速流動(dòng)的金屬蒸氣，在伯努利效應(yīng)下，熔池周圍的氬氣流向熔池方向，使得熔池周圍的粉末一部分進(jìn)入熔池，另一部分卷入蒸氣流產(chǎn)生飛濺，從而導(dǎo)致粉末的剝蝕現(xiàn)象[13–15]，這將造成掃描線附近粉末量減少。由圖11（a）所示，在使用層間無(wú)相對(duì)偏轉(zhuǎn)的逆序拼接策略成形時(shí)，最先成形的1#區(qū)域邊緣粉末將出現(xiàn)剝蝕區(qū)，并且在其首條掃描軌跡處出現(xiàn)首道堆高現(xiàn)象[16]。當(dāng)1#區(qū)域成形完成后，激光器2對(duì)2#區(qū)域的掃描線按X軸坐標(biāo)值遞減的順序逐條掃描，在掃描過(guò)程中，最前端掃描線處粉末也會(huì)出現(xiàn)剝蝕現(xiàn)象，等該區(qū)域成形的最后，粉末由于兩側(cè)的剝蝕而大大減少，掃描后將產(chǎn)生一定凹陷，逆序拼接成形的本層也就出現(xiàn)了較大的表面起伏。這將導(dǎo)致下一層所鋪粉末厚度在拼接線處產(chǎn)生較大變化，惡化其成形條件。根據(jù)張思遠(yuǎn)等[4]的研究，拼接試樣在拼接界面處存在的起伏現(xiàn)象將會(huì)向下一層傳遞，因此拼接線處成形條件將持續(xù)惡化，在本試驗(yàn)中最終導(dǎo)致了高達(dá)210μm的表面起伏，并在拼接界面產(chǎn)生熔合不良的孔洞缺陷。

圖10 粉末剝蝕現(xiàn)象示意圖Fig.10 Schematic diagram of powder denudation phenomenon

圖11 表面形貌成因示意圖Fig.11 Schematic diagram of formation mechanism of surface appearance

如圖11（b）所示，在使用層間無(wú)相對(duì)偏轉(zhuǎn)的順序拼接策略成形時(shí)，2#區(qū)域的第一條掃描線相當(dāng)于1#區(qū)域掃描線的繼續(xù)，成形可用的粉末與1#區(qū)域正常條帶掃描時(shí)相當(dāng)，這既避免了拼接線處的首道堆高現(xiàn)象，也避免了因剝蝕導(dǎo)致的粉末不足，因此其表面沒(méi)有較大起伏，其內(nèi)部拼接界面處也無(wú)因熔合不良導(dǎo)致的孔洞缺陷。

如圖5所示，在設(shè)置67°的層間偏轉(zhuǎn)角時(shí)，逆序拼接也將導(dǎo)致雙激光選區(qū)熔化TC4鈦合金試樣在拼接區(qū)出現(xiàn)表面起伏現(xiàn)象，但與層間無(wú)偏轉(zhuǎn)的逆序拼接成形試樣相比，其表面起伏程度大幅降低，內(nèi)部存在少量隨機(jī)分布的孔洞缺陷；當(dāng)采取順序拼接策略時(shí)，雙激光選區(qū)熔化TC4鈦合金試樣在拼接區(qū)表面形貌平整，無(wú)明顯拼接痕跡，內(nèi)部也無(wú)明顯缺陷。通過(guò)層間偏轉(zhuǎn)和順序拼接策略，可大幅提高雙激光選區(qū)熔化成形TC4鈦合金在拼接區(qū)域的成形質(zhì)量。

3 結(jié)論

（1）相鄰層間掃描條帶無(wú)相對(duì)偏轉(zhuǎn)時(shí)，因粉末的剝蝕效應(yīng)的存在，雙激光選區(qū)熔化逆序拼接成形的TC4鈦合金試樣在拼接區(qū)域表面存在逐層積累的起伏現(xiàn)象，這導(dǎo)致拼接線位置單層粉末厚度的突變，易于在拼接界面產(chǎn)生因熔合不良導(dǎo)致的孔洞缺陷；順序拼接的TC4鈦合金成形試樣表面無(wú)明顯起伏，且其拼接界面處無(wú)明顯孔洞缺陷；接序拼接成形試樣與順序拼接相比無(wú)明顯差異。

（2）相鄰層間掃描條帶存在相對(duì)偏轉(zhuǎn)時(shí)，雙激光選區(qū)熔化逆序拼接成形的TC4鈦合金試樣相鄰層間拼接線不完全重合，逆序拼接成形試樣表面拼接線處起伏得到改善，孔洞缺陷在拼接區(qū)域隨機(jī)分布；順序拼接成形試樣表面無(wú)明顯起伏，且其拼接區(qū)域未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。拼接順序?qū)﹄p激光選區(qū)熔化成形TC4鈦合金試樣在拼接區(qū)域的顯微硬度和抗拉強(qiáng)度影響不大。

（3）采用順序拼接策略和相鄰層間掃描條帶相對(duì)偏轉(zhuǎn)，可改善多激光選區(qū)熔化拼接區(qū)域的表面形貌，避免拼接區(qū)域內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生。