激光选区熔化成形Ti-6Al-4V薄壁结构的断裂行为与断裂机制研究

梁晓康，周庆军，严振宇，万 李，陶京新，张 伟

（首都航天机械有限公司，北京100076）

Ti-6Al-4V是一种α-β型两相钛合金，具有比 强度高、屈强比高、耐蚀性好等优异的力学性能，被广泛应用于航空、航天、造船、汽车等领域[1-2]，但其具有的高熔点、高熔融态活性及大变形抗力的特点为其制备成形过程带来困难。随着新一代航天、武器装备对零部件服役性能要求的提高，钛合金薄壁复杂结构的制备技术成为制造业研究的热点之一。比如在钛合金、高温合金等难加工金属材料复杂型腔、型面、薄壁、变截面结构的整体化制造方面，具有明显优势的激光选区熔化（SLM）成形技术就是研究热点之一。

国内外学者对Ti-6Al-4V激光选区熔化过程微观组织演化、力学性能检测和冶金缺陷控制等方面进行了较多研究。吴伟辉等[3-4]从理论上分析了金属熔池球化的演变机制，提出了弱化消除球化的方法，并采用平均粒径为75 μm的铜基合金粉末进行了成形试验，还对以上分析进行了验证。国内外有关Ti-6Al-4V激光选区熔化过程中的断裂行为与断裂机制的研究较少，比如张升等[5]分析了激光选区熔化成形Ti-6Al-4V试样的开裂机理，认为主要是由显微组织和残余应力引起，并提出了调整工艺参数、改善组织结构以减少和避免开裂的问题。本文采用实验与断口形貌分析的方法研究了姿态摆放、工艺制度和设备刮板等对Ti-6Al-4V激光选区熔化成形薄壁结构断裂行为和断裂机制的影响，揭示了断口形貌特征与微观组织特征、力学性能之间的对应关系，基于不同角度考虑提出了优化的工艺方法和工艺参数。

1 实验材料及方法

实验采用NRD-SLM-Ⅲ型激光选区熔化成形设备。该设备由YLR-200型光纤激光器、扫描振镜及聚焦系统、工作缸及成形件加热系统、刮板式铺粉装置、气体净化系统、控制系统等组成。激光器最大功率为400 W、激光光斑直径为80 μm、最小单层铺粉厚度为20 μm，气体净化系统具有抽真空和回充惰性保护气体功能，以满足成形实验时对氢、氧、氮等气体含量的要求。

实验采用Ti-6Al-4V球形粉末，其化学成分见表1，表面微观形貌和粒径分布见图1。可见，粉末具有良好的球形度，且粒径分布较好地服从正态分布。在成形实验前，球形粉末在真空烘干箱中经100～120℃高温干燥，以去除可能吸附于粉末表面的水分等杂质；对尺寸为250 mm×250 mm×30 mm的纯钛基板进行表面吹砂处理，并用酒精擦拭去除吹砂带来的多余粉体。Ti-6Al-4V薄壁结构试样的激光选区熔化成形工艺参数见表2。

2 姿态摆放对Ti-6Al-4V薄壁结构断裂行为与断裂机制的影响

表1 Ti-6Al-4V粉末的化学成分

表2 Ti-6Al-4V粉末激光选区熔化成形工艺参数表

图1 Ti-6Al-4V粉末微观形貌与粒径分布图

Ti-6Al-4V激光选区熔化成形横向姿态和纵向姿态拉伸试片的断口微观形貌见图2。横向姿态试片与纵向姿态试片拉伸断口形貌均为典型的等轴韧窝形貌，二者的区别在于：横向姿态试片拉伸断口韧窝形貌中韧窝细密且深，韧窝的大小分布更均匀；纵向姿态试片拉伸断口韧窝形貌中韧窝较粗大且浅，大小分布不均匀；横向姿态相较于纵向姿态，韧性和塑性更好。

图2 不同姿态的Ti-6Al-4V试片拉伸断口形貌

Ti-6Al-4V激光选区熔化成形横向姿态和纵向姿态试片拉伸力学性能见图3。一方面，横向姿态和纵向姿态的抗拉强度和屈服强度显著高于锻件强度标准（σb：895 MPa，σ0.2：825 MPa），而延伸率明显低于锻件延伸率标准（δ5：10%）；另一方面，横向姿态试片不仅塑性更好（δ5：8.1%），且抗拉强度和屈服强度（σb：1390 MPa，σ0.2：1280 MPa）均高于纵向姿态试片，这与横、纵向试片拉伸断口韧窝形貌反映的情况一致。

图3 不同姿态的Ti-6Al-4V试片拉伸力学性能

在Ti-6Al-4V激光选区熔化成形过程中，堆积方向的温度梯度远大于其他方向，微观组织呈现连续外延生长的柱状晶定向凝固特征，且生长方向与堆积方向一致，这说明不同扫描层间的热影响区引起的组织粗化与不均匀性远大于同一层相邻扫描道间搭接的热影响区引起的组织粗化与不均匀性，从而使沉积高度（即纵向姿态）方向的晶粒更加粗大和不均匀，其力学性能也较横向姿态方向差。

3 工艺制度对Ti-6Al-4V薄壁结构断裂行为与断裂机制的影响

当成形仓氧的体积分数由0.2‰以下突变为2.5‰，持续约1 h后又降回0.2‰以下，再持续约5h后，激光选区熔化成形Ti-6Al-4V薄壁结构在设备刮板的轻微刮蹭下发生了断裂，不同断裂位置的断口微观形貌见图4。可见，其呈现河流花样且具有撕裂岭等特征，基本为典型的准解理断裂形貌，说明随着成形仓氧含量的升高，激光选区熔化成形Ti-6Al-4V薄壁结构件的断裂机制由韧性断裂逐渐转变为准解理断裂，即成形仓氧含量升高后，零件的氧含量也升高，其韧性和塑性将显著降低，这与陈静等[6]提出的氧含量会明显降低激光熔化沉积Ti-6Al-4V拉伸试样塑性的结论是一致的。

图4 不同位置的Ti-6Al-4V薄壁结构断口微观形貌

激光选区熔化成形Ti-6Al-4V薄壁结构件的韧性和塑性对成形仓氧含量较敏感。当成形仓氧的体积分数由0.2‰以下突变为2.5‰，持续约1 h后又降回0.2‰以下，再持续约5 h后，在设备刮板的轻微刮蹭下，Ti-6Al-4V薄壁结构断裂产生准解理断裂形貌。而当成形仓氧的体积分数持续稳定在0.2‰以下时，Ti-6Al-4V试样在激光选区熔化成形过程中不会发生刮蹭，且试片拉伸断口形貌为典型的等轴韧窝形貌（图2）。因此，在实际优化工艺生产中，一般控制成形仓氧的体积分数低于0.2‰，以调控激光选区熔化成形Ti-6Al-4V薄壁结构的断裂机制，并改善断口韧窝的形貌。

完全退火前后的激光选区熔化成形Ti-6Al-4V试片拉伸断口微观形貌见图5。完全退火制度选择700～850℃、保温60～120 min后空冷。可见，完全退火前后的试片拉伸断口形貌均为典型的等轴韧窝形貌，二者的区别在于：完全退火后的试片拉伸断口形貌中的韧窝明显细密且深度更深，大小分布十分均匀，而完全退火前的试片拉伸断口形貌中的韧窝明显粗大且深度较浅，大小分布也不均匀。

激光选区熔化成形Ti-6Al-4V试片在完全退火前后的拉伸力学性能见图6。经700～850℃、保温60～120 min后空冷的完全退火处理后，激光选区熔化成形Ti-6Al-4V试片的延展性得到显著提高，并达到锻件的延展性标准（δ5：10%），其抗拉强度和屈服强度适当降低，但仍高于锻件的强度标准（σb：895MPa，σ0.2：825 MPa），这与完全退火前后试片拉伸断口韧窝形貌反映的情况一致。经完全退火处理后，试片内部部分残余应力得到减轻和消除，且针状α相的体积分数有所增加，α板条发生一定的粗化，但整体显微组织变化不大，激光选区熔化成形Ti-6Al-4V试片的综合性能得到提高。

图5 完全退火前后的Ti-6Al-4V试片拉伸断口形貌

图6 安全退火前后的Ti-6Al-4V试片拉伸力学性能

基于改善激光选区熔化成形Ti-6Al-4V试片断口韧窝形貌及分布、提高Ti-6Al-4V薄壁结构件力学性能的考虑，选择合适的热处理方法和制度对激光选区熔化成形Ti-6Al-4V薄壁结构件使用性能的影响至关重要。基于前述分析和讨论可知，在实际优化工艺生产过程中，选择700～850℃、保温60～120 min后空冷的完全退火方法，对提高试件的韧性和塑性、实现Ti-6Al-4V薄壁结构件良好的强塑性匹配具有较好的效果。

4 设备刮板对Ti-6Al-4V薄壁结构断裂行为与断裂机制的影响

设备刮板与置于铺粉方向终止端附近的Ti-6Al-4V薄壁结构发生刮蹭，引起薄壁结构断裂，不同位置的断口微观形貌见图7。可见，各位置的断口形貌撕裂岭明显为典型的韧窝形貌，图7a～图7c所示的韧窝形貌中均含有大量气孔缺陷，且呈逐渐减小的趋势，而图7d所示的韧窝形貌基本没有气孔缺陷，且撕裂岭具有一定的方向性。因为一方面，在激光选区熔化成形Ti-6Al-4V薄壁结构的过程中，表面产生了球化现象，导致与设备刮板间发生刮蹭行为；另一方面，图7a所示位置存在大量气孔缺陷而形成了薄弱区，在设备刮板的刮蹭下，薄弱区产生初始裂纹，在刮板的进一步刮蹭和带动下，引发裂纹沿气孔缺陷较多的脆弱区扩展，而图7d所示无气孔缺陷区的断裂则是由设备刮板与已断裂部分之间的摩擦撕裂引起的。

图7 不同位置的Ti-6Al-4V薄壁结构蹭断断口微观形貌

在铺粉过程中，刮板与基板之间的距离会对Ti-6Al-4V球形粉末产生选择效应，故沿设备刮板铺粉方向的球形粉末平均粒径将逐渐增大 （图8）。一方面，沿刮板铺粉方向，同一粉层中的大粒径粉末比例增加（图9a～图9b），会引起同一粉层中粉末间的孔隙度和致密度不一致，即沿刮板铺粉方向、同一粉层的孔隙度增大而致密度逐渐减小，进而造成同一粉层工艺参数的不匹配，沿刮板铺粉方向产生气孔等冶金缺陷的趋势和可能也逐渐增大；另一方面，沿刮板铺粉方向，同一粉层中的大粒径粉末比例增加（图9a～图9b），也可能会引起同一粉层中不同位置的粉层厚度不一致，即沿刮板铺粉方向、同一粉层厚度增大的可能性逐渐增大，进而造成激光功率、扫描速度等工艺参数的不匹配，比如：同一粉层相对较厚处的激光功率可能偏小、扫描速度可能偏快，前一基体层熔化程度不够，未熔化的球形粉末在熔池的粘附作用下产生了如图9c、图9d所示的球化现象[2-3]。而如图7所示置于铺粉方向终止端附近的Ti-6Al-4V薄壁结构，从图7a～图7d所示位置即为刮板铺粉方向的反方向，因此，也就说明了从图7a～图7d所示位置出现球化和气孔缺陷的可能性逐渐减小，即呈现的气孔缺陷逐渐减小。

为了避免气孔和球化等冶金缺陷的产生，并减小设备刮板刮蹭成形表面而引起Ti-6Al-4V薄壁结构断裂的可能性，需控制粉末粒径及其分布范围，并基于表2所示数据适时调整分区成形工艺参数，比如：在刮板铺粉方向终止端附近，适当增大激光扫描功率、降低扫描速度；将大面积截面结构置于刮板铺粉方向的起始端附近，将小面积截面结构置于刮板铺粉方向的终止端附近，则大面积截面结构产生气孔与球化等冶金缺陷的可能性更大，起始端粉末颗粒较细，有利于通过增加激光在粉球颗粒间的反射次数来提高激光的穿透深度，使粉末熔化更加充分，改善Ti-6Al-4V薄壁结构的成形质量，避免气孔与球化等冶金缺陷的产生；优化刮板的材料与结构形状，以减少沿刮板铺粉方向球形粉末粒径的差异，也可有效避免气孔与球化等冶金缺陷，以及设备刮板蹭断Ti-6Al-4V薄壁结构等问题的产生。

图8 铺粉方向不同位置的Ti-6Al-4V粉末粒径分布图

图9 Ti-6Al-4V薄壁结构气孔与球化冶金缺陷的产生

5 结论

（1）横向姿态试片拉伸断口形貌中韧窝更细密且更深，韧窝大小分布也更均匀，验证其强度（σb：1390 MPa，σ0.2：1280 MPa）较纵向姿态试片强度（σb：1207 MPa，σ0.2：1140 MPa） 也更高， 尤其延伸率为8.1%明显高于纵向姿态试片的4.8%。

（2）激光选区熔化成形过程中，当成形仓氧的体积分数由0.2‰以下突变为2.5‰，持续约1 h后又降回0.2‰以下，再持续约5 h后，Ti-6Al-4V薄壁结构在刮板轻微刮蹭下断裂产生准解理断裂形貌，相应的韧性和塑性也变差。因此，实际生产中必须控制成形仓氧的体积分数低于0.2‰，以控制激光熔化成形Ti-6Al-4V薄壁结构件的断裂机制，并改善断口韧窝的形貌。

（3）完全退火（700～850 ℃、保温 60～120 min 后空冷）态试片的拉伸断口形貌中，韧窝更细密且更深，韧窝大小分布也更均匀，验证其力学性能（σb：1110 MPa，σ0.2：1080 MPa，δ5：12%）较激光选区熔化成形态试片力学性能（σb：1390 MPa，σ0.2：1280 MPa，δ5：8%）更匹配，完全退火实现了Ti-6Al-4V试片良好的强塑性匹配。

（4）刮板蹭断Ti-6Al-4V薄壁结构不同位置处的断口形貌均为韧窝形貌，韧窝中的气孔大小和数量沿刮板铺粉方向依次增大、增多。沿刮板铺粉方向，Ti-6Al-4V粉末中的大粒径颗粒数量增多、小粒径颗粒数量减少，粉层孔隙度增大而致密度减小，气孔和球化等冶金缺陷出现的可能性增大，易产生刮板与薄壁结构表面间的刮蹭，引起薄壁结构沿气孔较多部位发生断裂而产生以上形式的韧窝断口形貌。适时调整不同区域成形工艺参数、将大面积截面结构放置于刮板铺粉方向的起始端附近、小面积截面结构放置于刮板铺粉方向的终止端附近，均可有效避免气孔和球化等冶金缺陷及刮板蹭断Ti-6Al-4V薄壁结构等问题的产生。