电子束选区熔化成形TC4合金显微组织与性能的研究进展

雷军乐，尹诗豪,，刘电霆，张建飞

(1.桂林理工大学机械与控制工程学院，广西桂林 541000；2.桂林狮达技术股份有限公司，广西桂林 541000)

0 前言

近年来，钛合金在航空航天、生物医疗和化学工业领域获得了越来越多的应用。TC4合金是目前应用最广泛的α+β型两相钛合金，它具有热变性能好、比强度高、耐腐蚀性强等特点，并且具备优异的综合性能。传统方法制造钛合金零件时，制造难度较大、周期较长、成本高、材料利用率低，并且制造出的钛合金零件精度不高。电子束选区熔化技术(Electron Beam Selective Melting，EBSM)能量大、效率高，粉末床可预热，制件热应力小，材料适应性广，特别适于一些难加工、脆性材料。使用该技术制造钛合金零部件，可缩短产品研发周期、增强产品制造的灵活性和资源利用率，降低了生产成本，且其成形精确、综合应用性能优异。使用EBSM技术制备的TC4合金航空发动机零部件以及医疗植入体都获得了效果显著的应用。随着制造业的发展，电子束选区熔化技术也逐渐进入了工业化和规模化的生产阶段，使用EBSM制备TC4合金广泛应用于航空航天、生物医疗等领域。

本文作者简单地介绍了电子束选区熔化成形技术的主要工作原理，从成形工艺参数和热处理两个方面对电子束选区熔化成形 TC4合金显微组织和性能的研究发展现状进行了深入讨论和分析展望。

1 电子束选区熔化成形工艺参数的影响

1.1 EBSM工作原理介绍

EBSM是利用高能密度的电子束为热源，根据“离散+堆积”的原理分层切片三维零件，在计算机的控制下选择性地熔化金属粉末，逐层进行熔化和叠加最终形成致密的三维金属零部件。EBSM工作原理以及成形室内部结构如图1所示。成形室内部主要由储粉仓、粉末调度器、粉末短接管、板材台、粉末盆、热电偶、废料盒等组成。电子束枪中电子在阴极和阳极的高压作用下获得加速。加速的电子经过聚焦线圈形成高密电子束流，束流经过偏摆线圈后到达成形室内部，在一定范围内熔化金属粉末。与同为增材制造技术的激光选区熔化(SLM)技术相比，两者工作原理相似，不同的是：SLM由于能量转化率低而导致粉末床温度较低一般不超过200 ℃，从而加工出的样件多有内应力较大、致密度不足、后处理复杂等问题。EBSM工作环境是真空环境，以电子束作为输出热源且电子束更容易获得，在成形过程中可以使粉末床预热温度达到1 000 ℃甚至是1 100 ℃，能量利用率和使用率更高且不同材料对电子束能量的吸收相似，能相应降低部分加工成本；同时真空环境可以有效保证高活泼金属在加热过程中不易被氧化，成形效果较好。二者工艺对比如表1所示。

图1 EBSM工作原理及成形室结构示意

表1 两种增材制造工艺对比

综合来看，电子束选区熔化成形技术具有功率大、能量综合利用率高、高真空保护、加工原材料广泛、运行成本低等优点。

EBSM成形工艺参数主要包括电子束流强度、电子束功率、扫描速度、扫描方式、成形尺寸、成形方向，目前对该技术的相关研究也主要集中在这几种成形工艺参数上。通过选取合理的电子束选区熔化成形工艺参数可以使TC4合金粉末充分熔化，减少球化现象的发生，有效降低合金孔隙率，提高合金试样致密度，减小残余应力，提高其断裂性能。

1.2 电子束流强度、功率与扫描速度的影响

电子束流强度、电子束功率和扫描速度3个参数关联较为紧密，是控制热输入的主要参数，对成形件组织及致密度有着很大影响。

GUO等发现一定功率下，电子束流强度增加和扫描速度减小会使成形件的致密度增大。BAUEREIß等研究发现随着电子束功率增大，熔池流动力增大，熔合缺陷减小，组织致密度提高，并且随着功率的增大TC4合金试样表面的孔洞和块体中的不规则孔隙消失，如图2所示。WANG等发现在一定功率下，EBSM成形TC4合金的弹性模量和硬度在速度变量为20、36、50、65范围内与电子束扫描速度成正比。刘晓梅以TC4合金为主要研究对象，针对各种块状材料中温度场的变化和分布情况进行研究，分析了不同工艺参数对温度场的影响及多层多道中温度场的分布规律，发现：熔池温度和冷却速率随着电子束功率的升高、扫描速度的减小而增大；熔池的宽度和深度随着功率的增加而增大，随着扫描速度的增加而减小；通过控制功率可以控制每层熔池温度，同时获得小的温度梯度。刘楠等人发现受束流冲击以及电荷富集的影响，粉末易发生吹粉，经过试验得出束流与扫描速度取值范围分别为20～25 mA、8 000～9 000 mm/s 时成形过程较好。

图2 不同束流功率下TC4试样表面

MAIZZA等发现在改变束流强度和扫描速度时，由于沿结构方向的加热和冷却速率不同，TC4合金试样微观结构的孔隙率和分辨率都受到很大的影响。PUEBLA等研究了扫描速度对TC4合金显微组织分辨率和拉伸性能的影响，发现水平和垂直建造的圆柱形棒表现出不同的微观结构，即前者粗，后者则较细，在0.1 m/s的扫描速度下，发现了针状的α相和α+β相，但在1 m/s的扫描速度和30 μm的粉末尺寸下，观察到了高度分辨的片层α相和α′相的混合物。

1.3 扫描方式的影响

扫描方式是EBSM 成形工艺的重要影响因素之一，扫描方式对减少成形件起始边缺陷及温度场均匀程度具有重要的影响。齐海波等以Z字形扫描方式作为研究对象，利用数值模拟方法分析了Z字形扫描方式对温度场的影响,结果表明:旋转扫描能有效降低起始点温度下降程度，可避免起始边温度迅速下降，通过实验得出优化后的扫描路径成形的TC4试样水平抗拉强度良好。杨鑫等人发现Z字形扫描路线可以有效提高烧结件的致密度、室温强度和延伸率。CHERN等通过采用不同的扫描路径制造试样并系统地研究了电子束选区熔化TC4合金的显微组织和疲劳行为。

扫描路径的优化对于提高电子束快速成形工艺的效率和加工质量具有较大影响。陈云霞等设计4 种不同的电子束选区熔化成形的扫描路径，针对投影扫描和轮廓线偏置扫描的温度场进行了有限元计算和试验,结果表明:采用轮廓线偏置扫描时只需较小的电子束电流就能使粉末达到较高的温度，高温区域与扫描区域一致，即得到的成形区域与扫描区域一致，扫描区域上各点的熔化量也基本一致，成形件表面比较均匀平整，且有利于下次铺粉，成形效果均优于投影扫描。

1.4 成形尺寸与成形方向的影响

在EBSM成形过程中，样件的成形尺寸和高度对其结构组织影响很大。在成形尺寸方面，ZHAO等制备了不同直径的TC4棒状样件，研究表明在垂直方向上，α板条厚度随着样件直径的增加而逐渐减小，如图3所示。在成形高度方面，WANG等研究表明成形高度和厚度对成形样件结构组织有着显著影响，随着成形高度的增加，样件组织逐渐变细，随着成形厚度增加，样件组织逐渐变粗;TAN等指出随着成形高度增加，样件中的原始β晶粒宽度和间距也会随之增加。AL-BERMANI等指出马氏体受样件高度影响，样件高度为2、5 mm 时，在其顶部存在有马氏体，高度为18 mm时，在其顶部未发现明显马氏体。TAN 等研究了厚度为 1 、5、10、20 mm的样件，只在厚度为1 mm的样件顶部发现有马氏体。

成形方向对TC4合金样件的性能也有着显著影响，并且成形方向在不同的成形设备上所体现的性能也有一定的差异。Arcam系列设备是最为常用的电子束选区熔化成形设备之一，以Arcam设备为例，在Q10设备中，垂直成形的TC4样件的抗拉强度、屈服强度及断后伸长率均高于水平成形样件；在A2X设备中，垂直成形的TC4合金样件的抗拉强度高于水平成形样件，而水平成形的屈服强度和断后伸长率要高于垂直成形。BRUNO等指出垂直成形的TC4合金样件比水平成形的样件具有更高的延展性。相反地，刘征等人发现水平成形的TC4合金样件延展性高于垂直成形。童邵辉等发现使用EBSM技术成形0°、30°、60°和90°四种角度的试样都具有平行于扫描方向的层带组织，0°的β晶粒为细长形，30°、60°和90°的β柱状晶贯穿多个层带，主轴方向与粉末沉积方向平行，如图4所示。

图3 不同成形直径下的α板条厚度

图4 不同成形取向的试样截面组织

GALARRAGA等的研究表明，平行于成形方向上的疲劳裂纹阈值相比垂直于成形方向上的疲劳裂纹阈值大约低15%。在与基板夹角为45°方向成形钛合金棒形样件并与通过热等静压的铸件比较，结果表明两者具有相同的疲劳强度。童邵辉等通过实验对比垂直试样和水平试样，结果表明在伸长率和断裂韧度方面都是水平试样更优。

综上所述，成形尺寸和成形方向在 EBSM 成形时都具有明显的效应，成形过程中尺寸和方向通过影响冷却速率和晶粒生长速度来影响成形组织，成形尺寸对试样的显微组织影响较为明显，而成形方向对试样的硬度以及断裂性能影响较大。

2 热处理的影响

与传统锻造TC4合金相比，使用电子束选区熔化技术成形的TC4合金在抗拉强度和塑性方面都优于锻造，但是该技术成形出的试样也有不足之处。由于成形过程中粉末熔化不充分，受热不均，试样内部会存在少许孔隙，试样的性能也因此受到影响。为了改善其综合力学性能，目前除了寻求最佳的加工参数外，最普遍的方法为通过后热处理的方式来改进，其中最常用的两种热处理方式就是退火和固溶时效处理。热处理可以在不改变试样形态尺寸的条件下，改善其显微组织和力学性能。退火工艺可以改善组织、提高塑性。固溶时效工艺使试样内部的组织更加均匀，分散强化试样内部组织，少量降低试样塑性的同时提高试样的强度。

张胜雷等通过电子束选区熔化技术制备了TC4试样，采用固溶时效、去应力退火、完全退火3种方法对试样进行热处理，并研究其显微组织和力学性能的变化规律。结果表明：固溶温度提高，试样的拉伸强度提高，塑性下降；固溶温度不变、时效温度提高，试样的塑性提高但强度下降，更多α相转变为等轴状且片层厚度增加，如图5所示。

图5 热处理后的TC4试样显微组织

TAN等指出在电子束选区熔化成形过程中试样内部也在发生等温退火，马氏体α′发生相变由α′转变为α+β组织。张海洋等研究发现:退火温度为700 ℃时，试样的塑性提升但强度变化幅度较小；退火温度升高，试样中的熔合线和魏氏组织逐渐消除，β相沿晶界析出，温度达到900 ℃时，材料向平衡组织转变，如图6所示。

LV等研究了通过EBSM制备的TC4合金板材的显微组织变化和室温拉伸性能,TC4合金板坯在不同的预热温度下以不同的压量直接轧制，以不同的保温时间对变形的样品进行800 ℃退火,结果表明：退火后，片层的平均纵横比进一步降低，颗粒的比例显示出对先前轧制压量下的相对强的依赖性，平均纵横比和球化率随退火时间发生变化，与铸态TC4合金板相比，用EBSM制备的TC4合金板的力学性能明显提高。王铭使用不同温度对电子束选区熔化成形TC4合金试样进行热处理，研究了合金试样热处理后成形缺陷、晶界分布特征，显微组织形貌、相分布的变化，研究发现：不同温度热处理后，试样组织中的柱状晶平行于成形方向，且都由α和α′簇拥组成;随着温度变化，α和α′团簇也发生变化，当温度由750 ℃变为950 ℃时，团簇宽度变小，数量增加，最终变为晶界更加清晰可见的相邻柱状晶，组织更加凸显；研究还发现使用单一热处理方式不能消除试样的内部孔洞等缺陷。XU等指出在EBSM逐层沉积过程中受到多个热循环的影响，α′马氏体会发生原位分解。

图6 不同温度退火后的TC4试样显微组织

3 结论与展望

通过合理控制电子束选区熔化成形工艺参数可以使 TC4合金粉末充分熔化，减少球化现象，有效降低合金孔隙率，提高相对密度，减小残余应力，避免变形开裂。退火工艺可以改善组织、提高塑性。固溶时效工艺可以使样品内部的组织更加均匀，并通过分散强化的方式在少量降低塑性的同时提高合金样品的强度。

目前使用EBSM制备TC4合金的研究主要是通过工艺参数和后处理来调控其组织与性能，有一定的局限性。为了更进一步地研究EBSM制备TC4合金的组织性能，从以下方面做出了展望：

(1)在粉末熔融过程中，对粉床温度的检测是通过基板下的热电偶来实现。由于热传递的作用，基板上的粉末在通过基板时会有热量的散失从而导致对温度的检测不够精确。未来研制出更加精确的粉床温度监测系统，将会进一步提升成形件组织与性能。目前，粉床的铺设与成形完成后的粉末清理回收都是由人工来完成，耗费了大量时间，而且人工铺设的粉床在平整度方面会有一定的偏差，从而会影响后续粉末熔融成形的精度与性能，实现粉床自动铺设与粉末自动清理回收，能够节约人力与时间成本并且提高成形件精度。

(2)成形试样还受到尺寸的约束。现有EBSM设备所能成形的尺寸大都较小，以Arcam A2X设备为例，最大成形尺寸只有200 mm×200 mm×380 mm，试样性能具有明显的尺寸效应，因此增大设备的成形尺寸也是调控试样性能的一个重要因素。

(3)在不同的区域输入不同的能量合金里的元素会有不同的挥发状态。制造TC4合金试样时，通过控制能量输入使合金里某种元素挥发，一种原材料会变成两种或者多种不同的材料，从而制造出的试样可变成一种梯度结构或者多材料非均式结构，相比多材料输入制造可控性更高。

(4)将电子束熔融工艺与激光熔融工艺相复合制备TC4合金试样，结合电子束致密度高与激光精度高的特点，可以克服单一工艺的制造缺陷，从而使制备出的试样组织与性能更优，应用更加广泛，具有深远的研究意义。