送丝方式加层制造块状Ti-6Al-4V合金

以逐层叠加的方式制造零件的方法称之为快速制造、直接制造或加层制造。与传统方法相比，通过这种方法制备近净成形构件为节省加工时间和降低成本提供了可能，尤其适用于制造原料较昂贵的航空构件。加层制造技术是将一个三维CAD模型切分成很多的薄层，然后逐层制备并叠加构成物理原件。

一般来说，金属的加层制造包括铺粉、送粉、送丝以及其他过程等四种加工路线。在过去几十年里，对送丝方式的关注相对较少，但随着市场对钛合金系列产品需求的不断增加，制备的可重复性、材料的性能和用法、部件尺寸以及制造速度都成为需要考虑的问题，这相应地提升了送丝方式的地位。相关研究表明，通过送丝方式制备的Ti-6Al-4V合金具有更好的质量，尤其是在提高密度和减少污染物方面。

实验所用加层制造设备包括最大功率为3.5 kW的Trumpf HLD 3504 Nd:YAG激光棒、型号为Weldaix的送丝机以及型号为Kuka KR 100 HA的高精度六轴机器人。将超低间隙型Ti-6Al-4V合金焊丝在氩气氛围中逐层沉积到Ti-6Al-4V合金基体板上，共沉积7层高7滴宽。通过选用不同的沉积参数P38(激光功率3.5 kW，沉积速率10 mm/s，送丝速率40 mm/s)和P58(激光功率2.625 kW，沉积速率7.5 mm/s，送丝速率30 mm/s)以及不同的热处理工艺(600℃ ×4 h/FC和1200℃ ×2 h/FC)，从而研究加工参数和热处理工艺对加层制造得到的Ti-6Al-4V合金主要性能的影响。

研究表明，以送丝方式加层制造的Ti-6Al-4V合金组织为粗大的初始β晶粒，这些β晶粒向外延生并穿过焊层，生长方向与热量传导方向相反。同时，初始β晶粒内的微观组织不尽相同，对于经不同沉积参数得到的合金，其未经热处理以及经600℃×4 h/FC处理后的组织中，均存在α'马氏体以及网篮状α相，且初始β晶界上有部分次生α相析出。进一步分析发现，热处理工艺对Ti-6Al-4V合金硬度的影响要大于沉积参数对其的影响。经600℃ ×4 h/FC热处理后，微观组织和形态没有发生明显改变，但是平均硬度值从3204 MPa显著提升到3352/3361 MPa(P38/P58)，这是由于存在固溶强化或者α2相的析出。经1200℃ ×2 h/FC热处理后，Ti-6Al-4V合金原始组织形态发生彻底改变，同时平均硬度值从3204 MPa降低到3018/3048 MPa(P38/P58)。其内柱状β晶粒和层带结构消失，取而代之的是等轴状的初始β晶粒，并伴有晶界α以及粗大的α丛簇。柱状晶向等轴晶的转变可以归纳为再结晶的过程，但是这还有待于进一步的实验加以证实。