激光选区熔化成形Ti-6Al-4V钛合金尺寸位置效应研究

梁晓康，孙宏波，米彦龙，董 鹏，田彩兰

（首都航天机械有限公司，北京100076）

激光选区熔化成形（selective laser melting，简称SLM）技术，是利用高能激光熔化处于松散状态的粉末薄层，通过逐层铺粉、逐层熔凝堆积的方式，成形出高致密度的三维零件（图1）。该技术成形精度高、构件质量优异，几乎无需后续处理即可满足产品设计需求,特别适合钛合金、高温合金等难加工材料的中小型复杂金属零件的净成形，在航空航天等工业领域具有广阔的应用前景[1-5]。

钛及其合金是20世纪50年代兴起并开始用于航空航天领域的重要金属材料，具有较高的比强度和热强度，且重量轻、抗蚀性好，能够充分发挥设 计/制造一体化的技术优势。TC4为α+β型两相钛合金，具有良好的综合性能，是使用最广泛的一种钛合金。但是，钛合金本身具有高熔点、高熔融态活性以及大变形抗力，使钛合金的传统机械加工具有一定的难度。随着新型航空航天飞行器对其零部件服役性能的要求日益提高，钛合金材料复杂结构件的制备技术成为制造技术研究的热点之一。

图1 SLM成形原理示意图

本文采用SLM技术制备了TC4钛合金特征结构，考察了斜壁结构的成形情况及SLM成形不同孔径、壁厚、槽宽时的尺寸精度，为TC4钛合金材料的SLM高精度成形奠定了基础。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

试验采用TC4钛合金球形粉末，粉末的形貌见图2、合金成分见表1。试验前，在真空烘干箱对粉末材料进行处理，以除去吸附在粉末表面的水分。

表1 Ti-6Al-4V粉末的化学成分

图2 Ti-6Al-4V粉末微观形貌

成形基材选用同牌号TC4钛合金板材，基材规格为250 mm×250 mm×30 mm。试验前，对基材表面进行吹砂处理，使用干净绸布蘸取酒精或丙酮擦拭基板上表面，去除吹砂带来的多余粉体。

试验设备主要由YLR-200型光纤激光器（峰值功率400 W）、扫描振镜及聚焦系统、刮板铺粉系统、气氛保护系统、控制系统等组成。设备最小铺粉厚度为20 μm，配备的气氛保护系统具有抽真空和填充惰性保护气体功能，以满足TC4钛合金成形时对H、O、N等气体含量的要求。

1.2 试验方法

采用单因素试验，设计斜壁结构成形（倾斜角度分别为 45°、40°、35°）及特征结构试验，研究斜壁结构的成形情况及SLM成形不同孔径、壁厚、槽宽时的尺寸精度。试验工艺参数见表2。采用表面粗糙度仪对斜壁结构的表面粗糙度进行检测，分析阶梯效应对成形斜壁结构表面粗糙度的影响；通过光学显微镜观察、测量圆孔、薄壁、槽等特征结构（图3）的尺寸误差，分析光斑效应对成形精度的影响。

表2 TC4钛合金SLM成形工艺参数表

图3 特征结构示意图

2 试验结果与分析

2.1 倾斜角度对成形件表面粗糙度的影响

对成形试样下表面进行采样检测时发现，随着倾斜角度的减小，成形件下表面的表面状态越来越恶化，表面粗糙度由 Ra13.944 μm逐步增至Ra18.863 μm（表 3、图 4）。 这一方面是由于 SLM 成形斜壁结构过程中存在“阶梯效应”（图5），即实际成形过程中存在悬臂伸出长度ΔL、分层厚度ΔH两个增量，且悬臂伸出长度 ΔL=ΔH/tan（θ），可知倾角θ越小，悬臂伸出长度ΔL越大，阶梯效应越显著。当所成形的斜壁结构倾斜角度θ减小时，悬臂伸出长度ΔL显著增加，悬臂部分的熔池下表面与实体接触面积减小、与粉末床接触面积增加，导致熔池处于不稳定状态，熔池与粉床接触部位塌陷（图6），影响该处的表面粗糙度。另一方面是由于粉床较实体的导热率更低，悬臂部位的热量难以传递，易导致该处产生更多的半熔粉以及粘粉现象，使悬臂下表面的表面粗糙度恶化。

表3 表面粗糙度检测结果

图4 SLM成形TC4试样表面形貌

图5 “阶梯效应”示意图

图6 悬臂部位熔池形态

2.2 特征尺寸对成形精度的影响

对圆孔、方槽、薄壁三类典型特征结构的SLM成形尺寸进行检测发现，三类结构均存在一定误差，但其绝对误差随着尺寸的变化并不大，分别为-0.395、-0.34、0.287 mm（图 7～图 9）。 这主要是由于激光束存在一定光斑直径（200 μm），当光斑扫描到理论截面的边缘时会产生1个熔宽（约300 μm）的“边缘误差”（图10），导致SLM成形的构件呈现孔小、槽窄、壁厚的现象，即“光斑效应”（图 11）。

图7 孔径与尺寸误差的关系

图9 壁厚与尺寸误差的关系

图10 光斑直径示意图

图11 SLM成形过程中的光斑效应

通过检测还发现，圆孔、方槽的尺寸误差相较于光斑效应导致的误差均偏大（偏差分别为0.094、0.04 mm），薄壁的尺寸误差相较于光斑效应导致的误差则偏小（偏差为0.013 mm），这可能是由于热胀冷缩效应，即SLM成形件尺寸误差=光斑效应误差+热胀冷缩误差。圆孔、方槽在光斑效应导致的负偏差基础上，叠加了冷缩量（负偏差），因此实际尺寸更小；薄壁在光斑效应导致的正偏差基础上，叠加冷缩量（负偏差），偏差得到了部分抵消，实际尺寸相对的更接近理论值。此外，根据热胀冷缩理论可知，SLM成形的钛合金材料冷缩量与温度变化量、材料线性尺寸成正比。在本文设计的特征结构中，圆孔部分实体量较大，导致的冷缩量更大，因此相较其他两种特征尺寸的最终误差则更大。

3 结论

（1）在Ti-6Al-4V钛合金的激光选区熔化成形过程中，Z方向存在阶梯效应、X、Y方向上存在光斑效应，上述因素对成形精度有着重要影响。

（2）由于阶梯效应，成形件表面粗糙度受其成形部位与水平面倾斜角度的影响，倾角越小，表面状态越恶劣，当倾角由45°减为35°时，相应的表面粗糙度由 Ra13.944 μm 增至 Ra18.863 μm。

（3）圆孔、方槽、薄壁三类典型特征结构由于光斑效应的影响，其SLM成形尺寸均存在一定误差，但绝对误差随着尺寸的变化并不大，分别为-0.395、-0.34、0.287 mm。