选区激光熔化成形TC4钛合金技术研究现状

2020-04-08李艳春张玉婷宋美慧张晓臣

黑龙江科学 2020年4期

李艳春，张玉婷，宋美慧，张晓臣

(黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨 150020)

TC4合金是典型的α+β型双相钛合金，其化学式为Ti-6Al-4V。该合金具有比强度高、耐腐蚀性能好、生物相容性优异等特点，在航空航天、汽车船舶、化工、医疗等领域得到广泛的应用[1]。选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术是金属增材制造技术的一种，近年来得到广泛的关注。这种技术在加工过程中，高能激光束直接作用在金属和合金粉末使其完全熔化。金属之间是冶金结合，加工的零件致密度相对较好，抗拉强度和延伸率也超过铸件。本研究总结了近年来国内选区激光熔化成形TC4合金制件所需的粉末和成形工艺的研究成果。

国内对SLM技术研究较早和取得较大成就的单位主要有西北工业大学、北京航空航天大学、华中科技大学、华南理工大学和南京航空航天大学等。近年来，一些企业也积极参与这项研究，如北京隆源成形、华曙高科、中航迈特粉冶科技、西安塞隆、西安铂立特和湖南顶立科技等。其研究的方向主要集中在SLM成形设备的开发、成形工艺的优化和开发出符合该工艺要求的高品质金属和合金粉末。

1 选区激光熔化钛合金粉末

SLM技术的原料是金属和合金粉末。要成形出高质量的制件，就需要高品质的粉末。目前广泛认可的影响SLM成形件质量的粉末参数包括粉末的纯净度、形貌、粒度、粒径分布宽度、松装密度、振实密度、流动性和氧含量等[2]。

粉末的纯净度差，容易产生缺陷，影响成形件的质量。导致粉末的纯净度差的因素是生产过程中产生了杂质。可能产生的杂质有两种[3]：一种是原料在生产过程中与设备或者气体等发生了化学反应，产生了金属化合物或非金属成分，如C、P、O、Si等。另一种是机械夹杂，如生产设备产生的杂质和粉末表面吸附的氧、水汽和其他气体等[4]。

SLM工艺使用的粉末对形貌的要求是球形度高、表面光滑、空心粉较少、少裂纹、孔隙和卫星球等缺陷。这样的粉末流动性会比较好，送粉铺粉均匀，能够提高成形件的致密度。图1是我单位自主生产的球形TC4钛合金粉末。

图1 球形TC4合金粉末Fig.1 TC4 spherical alloy powder

SLM成形所需粉末粒度通常在15～53 μm。正常情况下，粉末的颗粒越小，分布越均匀，粉末之间的间隙就小，松装密度就越高，越有利于成形过程的顺利进行，同时成形质量也较好，制件的致密度高。但是颗粒过小，粉末也会出现团聚，影响粉末的流动性，使得铺粉不均。如果粉末有一定的粒度梯度，粗粉和细粉混配，就会使得小颗粒能够分散在大颗粒之间，从而也会提高粉末的松装密度，进而提高制件的致密度[5]。

粉末的流动性差，容易在铺粉过程中粘连团聚，使铺粉的厚度不均，使得在激光作用过程中，粉末的熔化不均匀，影响成形件的质量。

目前，SLM成形钛合金制件采用的粉末主要有纯钛粉、TC4、Ti6Al7Nb等。制备合金粉末的方法主要有电极感应气雾化法和等离子旋转电极法。目前，国内生产增材制造专用钛及其合金粉末的企业不多，并且粉末质量相对于国外还有一些差距。国外粉末的价格在4 000元/kg以上，原料价格昂贵也是制约SLM成形钛合金制件技术发展和应用的一个因素。

2 选区激光熔化成形工艺

选区激光熔化工艺涉及机械、材料、计算机软件等多种学科，所以参数众多，这些参数之间相互影响。目前的研究普遍认为，这些参数中起主要作用的有激光功率、扫描速度、扫描层厚和扫描策略。有研究表明，激光功率和扫描速度是影响成形后制件性能的主要因素[6-7]。王凯[8]等人的研究指出，在一定范围内，激光功率越高，热输入量越大，成形件的致密度越好，强度越好。当激光功率过高时，成形过程中，单位时间内热输入量过大，就会使晶粒粗大降低零件的结合强度。

扫描间距影响着制件的成形质量和致密度[9]。合理的扫描间距让焊道之间有部分搭接，能够减少孔隙的产生，使相邻道次之间冶金性能良好，制件表面质量好。如果扫描间距过大，也会形成非常大的空隙。

扫描速度影响着制件成形过程中的加热时间，扫描速度低，粉末的加热时间长，熔覆层厚度随着扫描速度的提高而减小。扫描速度过快，一方面激光与合金粉末作用的时间太短，合金粉末不能完全熔化，熔池中存在未完全熔化的粉末，从而使制件的致密度降低；另一方面可能导致一部分粉末被送粉气体吹跑，从而降低了熔覆层的厚度；扫描速度过慢，激光在粉末作用的时间过长则容易发生烧损[10]。美国路易斯维尔大学的Ravi K.Enneti[11]等人研究了SLM成形金属钨的工艺，结果表明扫描速度对致密度的影响最大。

扫描策略影响成形件的精度。目前采用的扫描策略有分区扫描、单向扫描、Z型扫描和螺旋扫描等。万乐[12]等研究了采用分区扫描的策略成形TC4钛合金，有效地提高了成形件的成形质量。葛亚楠[13]等研究了扫描策略对TC4钛合金制件精度的影响，指出螺旋线形扫描成形过程的能量比单向扫描和Z型扫描能量传递更均匀，温度梯度小，成形件的残余应力小，平面度值小，外形结构精度高。

朱加雷[14]等人的研究指出，在激光功率300 W、扫描速度1.5 m/s时，TC4合金的抗拉强度为1 150.49 MPa，延伸率为8.0%，力学性能超过铸造件。

李怀学[15]等人在功率为400 W、扫描速度为7 000 mm/s成形TC4钛合金制件，其拉伸强度达到了1 100 MPa，延伸率为11%，拉伸强度已经高于锻造TC4钛合金。

3 制件的热处理工艺

SLM成形制件都需要热处理，这种热处理工艺主要是指制件经过升温、恒温和降温的过程。在这一过程中，合金组织改变，相的形状和大小变化，从而改善了制件的性能[16]。SLM成形工艺是快速熔融工艺，这就会由于冷热变化、膨胀收缩使工件产生应力，也可能存在着孔洞、成分不均匀使制件开裂，热处理能够减小甚者消除工件内部的应力，还可以去除制件的气孔，提高致密度。

华南理工大学李敬[17]等采用SLM技术成形TC4钛合金，在950℃保温30 min之后炉冷，观察合金的显微组织，发现原始针状α’粗化为板条状马氏体α。950℃保温30 min之后水冷，α相转化成了β 相。

西安航空大学的鲁媛媛[18]等研究了热处理对TC4钛合金组织和性能的影响，指出，TC4合金棒材在先加热到970℃保温1 h，随后水冷，然后进行时效，随着时效温度由450℃升高到550℃，强度逐渐增加，当温度升高到600℃时，强度降低，发生了过时效。在温度为550℃时，金相照片中观察到析出相多切分布均匀，弥散强化效果显著。

梁晓康[19]等研究指出，SLM成形TC4钛合金制件的组织形态呈粗大的初生柱状晶，晶内呈现出典型的α+β板条组织。退火处理后，针状α相的体积分数有所增加，α板条发生了粗化。

南昌航空大学的黄建国[20]研究了热处理工艺对SLM成形TC4合金试样物相分布的影响，指出了热处理前，合金中没有β相衍射峰；不同的热处理后，出现了β相衍射峰，并且随着温度的升高，β峰值强度变强变大。确定了最佳SLM成形工艺参数为激光功率400 W、扫描速度1 800～2 200 mm/s、扫描间距0.07 mm、层厚0.05 mm、热处理制度为960℃保温1 h，随后，水冷，560℃保温4 h。在这个成形工艺和热处理制度下，合金试样的拉伸强度为1 314 MPa，屈服强度为1 221 MPa，延伸率为2.3%。，试样的致密度可达99.5%。