引言
Ti-6Al-4V合金是一种由α+β相两相组成的钛合金，具有密度小、比强度高、以及良好的耐腐蚀性、高温变形性能和生物兼容性等诸多优点，同时在-196℃~400℃的低、高温范围内合金的组织和性能稳定，被广泛应用于航空航天、汽车、造船以及医疗等领域[1-2]。随着国防科技的发展，新一代飞行器必须满足超高速、超高空、高航时等技术特点，故而使用的钛合金的比重越来越大，且飞行器的结构设计越来越复杂，加工精度要求越来越高，同时传统的制造及加工方式很难成形，对制造方式提出了新的挑战[3]。激光选区熔化成形技术（Selective Laser Melting, SLM）是基于“离散+堆积”的理念，结合高能激光束以及计算机建模等软件而发展起来的一种近净成型技术[4-5]。其成形方式为首先通过计算机对零件三维模型切片处理，得到激光束扫描规划路径及切片轮廓信息，然后利用高能激光束选择性熔化、凝固粉末层，通过层层堆叠得到与三维模型相同的零件[6]。与传统的制造模式相比SLM技术具有以下技术优点：制造周期短、材料利用率高、表面质量好、成形件致密度好、制备复杂结构件能力强等[7]。基于此，SLM技术为航空航天技术的发展开辟了一种新的途径。
虽然SLM技术能够极大的解决飞行器复杂结构件的制造难题，但是也面临着存在成形缺陷、组织和性能存在各向异性等特点。针对此，需要通过工艺参数优化，即调整激光功率、激光扫描速度、激光扫描间距等参数来控制成形孔隙缺陷，通过热处理的方式来削弱或者消除组织和性能的各向异性。如黄建国[8]等采用SLM300型激光选区熔化成形设备研究了SLM成形参数对于Ti-6Al-4V合金的组织和性能的影响，得出能量密度在45~55J/mm3的，即激光功率为400W、激光扫描速度为1800~2200mm/s、扫描间距为0.08mm、铺粉厚度为0.05mm的致密度最高、力学性能最佳。赵春玲[5]等采用德国Concept Laser 公司的M2型激光选区熔化成形设备对SLM成形TC4合金的内部缺陷及规律进行了分析，发现在中等能量密度区域(58~98J/mm3)，孔隙缺陷的尺寸最小为20μm左右。徐锦岗[9]等对SLM成形的H13磨具钢的进行了工艺参数探索，其研究发现改变激光功率和激光扫描速度都会影响试件的成形质量。刘正武[6]等对2Cr13不锈钢SLM成形最佳参数进行了研究，在最佳成形参数条件下，致密度高达99.75%，试件强度和塑性表现出各项异性的特点，横向试样的性能与锻件相近，纵向试样稍弱。上诉研究表明不同的成形设备具有不同的最佳工艺区间，且工艺参数会对致密度致密度产生影响，进而影响合金的力学性能。
基于上诉结论，本研究采用自研的SLM成形设备对Ti-6Al-4V合金的最佳工艺区间进行探索，同时对SLM成形的Ti-6Al-4V合金组织和性能进行研究。
试验材料及方法
本次试验采用球形Ti-6Al-4V合金粉末，粒径范围为15~53μm，合金的成分如表1所示。在SLM成形之前，采用温度为102℃、时间为4h的烘干制度对合金粉末进行真空烘干处理，已达到去除粉末中包含的水分及提高粉末流动性的目的。
试验设备采用自研SLM成形设备，该设备配备500W光纤激光器，采用Ti-6Al-4V合金基板，在打印开始前先对成型仓内填充氩气，以保证成型仓内的氧含量低于100ppm。激光扫描策略为XY交叉扫描策略，相邻层间扫描方向偏转67°，成形参数选择为：激光功率180W，激光扫描速度500、600、700mm/s，单层铺粉层厚0.05mm，扫描间距0.08、0.10、0.12mm，制备如图1所示的2组试样，分别考察扫描间距和激光扫描速度对成形质量的影响。成形过程结束后，首先采用线切割将试样与基板分离，试样经清洗、打磨后进行拉伸试验，然后截取夹持端的一小部分进行致密度测量及金相分析，致密度测量采用阿基米德排水法进行测量。
图1 SLM成形试样示意图
试验结果及讨论
致密度及组织分析
图2为不同的SLM成形参数对试样致密度的影响，从图2(a)中可以看出在激光功率、扫描间距恒定的情况下，随着激光扫描速度的增大致密度先缓慢增大而后快速减小，在扫描速度为600mm/s时达到最大值为96.83%，可以确定在激光功率恒定条件下，激光扫描速度为600mm/s时可以获得较好的成形质量。根据此结果，再次调整激光扫描间距，选择0.06mm、0.08mm、0.10mm的扫描间距再次进行试验，可以得到如图2(b)所示的结果，从图2(b)中观察到在激光功率、激光扫描速度恒定时，激光扫描间距为0.08mm时，致密度最大为99.70%。根据图2(a)、(b)所示的结果可以确定最佳的成形工艺参数为激光功率为180W、扫描速度为600mm/s、扫描间距为0.08mm、层厚为0.05mm。
图2 不同SLM成形参数对致密度的影响
(a) 激光扫描速度对致密度的影响，(b)激光扫描间距对致密度的影响
图3展示了恒定激光功率、扫描间距条件下，不同激光扫描速度相对应的平行于堆叠方向的组织形貌图，从显微形貌图中首先可以观察到在不同的激光扫描速度条件下，试样内部都存在孔隙缺陷的存在，这是导致试样致密度不高的原因，同时也可以观察到试样内部的孔隙缺陷的数量、类别及尺寸存在一定的差别，如图3(a)和(b)中孔隙缺陷呈椭圆形或不规则形貌，且尺寸较小，但是在图3(a)中的孔隙缺陷的数量较多，这可能是导致扫描速度为500mm/s时致密度低于扫描速度为600mm/s的致密度。而图3(c)中孔隙缺陷的类型发生明显的改变，为未熔合缺陷，且尺寸远大于低扫描速度条件下的孔隙缺陷，产生此现象的原因较高扫描速度(700mm/s)使得单位时间内激光束与粉末的接触时间变短，粉末熔化不充分，使得熔宽和熔深都减小，与相邻层未能达到较好的冶金结合，此类缺陷是致密度下降的主要原因。
其次从图3中也可以观察到典型的SLM成形Ti-6Al-4V合金的组织，如图3(a)中所示，横穿多个熔覆层的初生β柱状晶及在柱状晶内部与堆叠方向呈一定角度的针状α＇马氏体，且与图3(b)和(c)中组织无明显的差异。其形成原因为在SLM成形过程中熔池的热量主要通过基板或者已成形的部分向下扩散，且SLM成形过程中温度梯度高达105~107K/s，高的温度梯度使得产生定向凝固的效果而形成初生β柱状晶，同样也是因为较大的温度梯度，在柱状晶内发生马氏体相变过程而形成针状α＇马氏体。
图3 不同激光扫描速度的SLM成形Ti-6Al-4V合金平行于堆叠方向的组织形貌
(a) 扫描速度为500mm/s，(b)扫描速度为600mm/s，(c)扫描速度为700mm/s
图4为恒定激光功率、激光扫描速度条件下的不同扫描间距相对应的平行于堆叠方向的显微组织图。从图中可以看出孔隙缺陷的类别及尺寸与图3(b)中的孔隙缺陷相类似，都呈尺寸较小的孔隙缺陷。但是孔隙缺陷的数量呈现随着扫描间距的增大先增多后减小的趋势，这是使得致密度呈先增加后减小的原因。其组织同样为横穿多个熔覆层的柱状晶组织及与堆叠方向呈一定角度的针状α＇马氏体组织。
图4 不同扫描间距的SLM成形Ti-6Al-4V合金平行于堆叠方向的组织形貌
(a) 扫描间距为0.06mm，(b)扫描间距为0.08mm，(c)扫描间距为0.10mm
力学性能分析
图5不同成形参数对SLM成形Ti-6Al-4V合金拉伸性能的影响。从图5(a)中可以看出在不同的扫描速度条件下，合金的抗拉强度先增大后减小，在激光功率为180W、扫描速度为600mm/s、扫描间距为0.12mm及层厚为0.05mm时取得最大值为1112.81MPa，但是延伸率的值并没有表现出较强的规律性，约为1.5%左右。从图5(b)中可以观察到相类似的抗拉强度变化规律，即同样是先增大后减小。在成形参数为激光功率为180W、扫描速度为600mm/s、扫描间距为0.08mm及层厚为0.05mm时，取得最大值1216.85MPa，相反的是延伸率表现出随着扫描间距的增大而增大，但增大幅度并不明显。
对SLM成形Ti-6Al-4V的拉伸性能的影响因素主要有俩方面，即缺陷和组织特点。从前述分析中可得知，SLM成形的合金的组织均表现为平行于堆叠方向的β柱状晶及堆叠方向呈一定角度的针状α＇马氏体组织，且不同成形参数对合金的组织没有较大的差异。从图5中可以看出抗拉强度的变化规律与致密度的变化规律一致，故而在本次试验中，孔隙缺陷对抗拉强度的影响最大。从图3和图4中可以观察到孔隙的形貌更倾向于不规则的孔隙缺陷，试样在拉伸过程中在孔隙缺陷的尖端会产生应力集中，然后开裂。当致密度较低时，孔隙缺陷的数量也会明显增多，使得试样中存在更多的应力集中点，使得试验的抗拉强度变低。
图5 不同SLM成形参数对应的拉伸性能
(a)不同激光扫描速度对应的抗拉强度和延伸率，(b)不同扫描间距对应的抗拉强度和延伸率
结论
本文分别研究了激光扫描速度和扫描间距俩个参数对于SLM成形Ti-6Al-4V合金的致密度、组织和性能的影响，得出以下结论：
(1) 随着激光扫描速度及扫描间距的增大，致密度先增大后减小，在激光扫描速度为600mm/s及扫描间距为0.08mm时分别取得最大值分别为96.83%和99.70%。最佳SLM成形参数为激光功率为180W、扫描速度为600mm/s、扫描间距为0.08mm，层厚为0.05mm。
(2) 在不同的SLM成形参数条件下，Ti-6Al-4V合金的组织没有明显的差异，均表现为横穿多个熔覆层的粗大初生β柱状晶及与堆叠方向呈一定角度的针状α＇马氏体组织
(3) SLM成形Ti-6Al-4V合金的抗拉强度变化与致密度的变化规律一致，在成形参数为激光功率为180W、扫描速度为600mm/s、扫描间距为0.08mm，层厚为0.05mm时取得最大值为1216.85MPa。
参考文献
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