TC4鈦合金粉末與SLM工藝參數匹配性研究

李永華，梁祖磊，2，孫中剛，2，陳小龍，2

（1南京尚吉增材制造研究院有限公司 江蘇 南京 210038）

（2南京工業大學 江蘇 南京 211816）

0 引言

激光選區熔化（Selective Laser Melting，SLM）是發展起來最具代表性的粉末床熔融技術，該技術利用高能量激光束根據三維模型數據逐層選擇性熔化金屬粉末，通過逐層鋪粉，逐層熔化凝固堆積的方式制造三維實體零件。激光選區熔化有很多技術優勢，適用于復雜零部件生產，一體化成型，并可優化產品結構，減輕重量。在計算機上完成模型數據處理以后，無需模具，直接制造成型，因此個性化定制將變得十分方便，并極大縮減研發周期。鈦合金具有密度低、比強度高、良好的耐腐蝕性和生物相容性，廣泛應用在化工、航空航天、生物等領域[1-4]。然而鈦合金的熔點高、活性高、變形抗力大、切削困難等特性導致鈦合金零件加工困難，成本高昂。有研究證明，激光選區熔化TC4鈦合金具有細小的微觀結構、更高的強度和略差的塑性，可直接近凈成形為復雜構件[5-6]。激光選區熔化的工藝參數直接影響成型構件的氣孔率，氣孔的增多會導致成型構件迅速惡化，尤其是疲勞性能[7]，因此工藝參數選擇的正確與否顯得非常重要。其中，激光功率、激光掃描速度、激光掃描間距和分層厚度直接影響著金屬粉末的熔化、凝固與冶金結合，是影響成型構件氣孔率的最主要參數。本文工作目的在于不改變鋪粉厚度（0.03 mm）的前提下，研究激光功率、掃描速度、掃描間距對激光選區熔化TC4鈦合金致密度的影響規律。

1 實驗方法和過程

1.1 TC4鈦合金粉末

實驗使用的TC4鈦合金粉末是通過EIGA氣霧化法制備，粒度分布見表1，元素成分見表2，粉末形貌見圖1。

表1 TC4鈦合金粉末粒度分布 單位：μmTable 1 Particle size distribution of TC4 alloy powder

表2 TC4鈦合金粉末元素成分 單位：wt%Table 2 Element composition of TC4 titanium alloy powder

1.2 制樣過程

工藝實驗在北京隆源自動成型系統有限公司開發的AFS-M260設備上進行，原理見圖2[8]?；宀牧蠟門C4鈦合金，實驗前把基板打磨平整，然后用濕式噴砂機去除表面油污并處理至磨砂效果。隨后將基板安裝至設備上，關閉艙門洗氣，另外艙內氧含量降低至0.1%以下，基板預熱至100 ℃。導入10×10×10 mm樣塊三維模型，設置工藝參數，掃描策略選擇5 mm寬的條帶掃描，最后開始制備工藝樣塊。

1.3 工藝參數

鋪粉厚度設定為0.03 mm，設備激光斑點直徑為0.07 mm。設置激光功率為175 W、200 W、225 W、250 W和275 W，設置掃描速度為800 mm/s、900 mm/s、1 000 mm/s、1 100 mm/s和1 200 mm/s，設置掃描間距為0.10 mm、0.11 mm、0.12 mm、0.13 mm和0.14 mm。為減少實驗量，本次工作采用正交實驗方法進行，具體工藝組合見表3或表4。

1.4 磨拋金相

用線切割機將工藝樣塊切割下來，砂紙打磨，并拋光直至鏡面效果。在金相顯微鏡下放大50倍檢查磨拋孔隙。

1.5 致密度計算

利用Photoshop軟件統計孔隙像素數量和像素總數量，并通過計算孔隙像素和像素總數量的比值來統計工藝參數對應的致密度，方法如下：選擇孔隙最多、孔徑最大的磨拋照片；利用“窗口”→“直方圖”命令查看金相照片像素總數量；利用“選擇”→“色彩范圍”命令選擇孔隙區域（黑色區域），其中“顏色容差”設置為200，查看孔隙像素數量；如果金相照片內沒有超過50 μm的孔隙（黑色區域），則認為該工藝的致密度為100%，不需要再進行步驟2和步驟3的像素統計。

致密度計算公式如下：

需要注意，上述方法計算的是金相平面內孔隙最多、孔徑最大的局部區域的致密度，不能代表整體致密度，而且利用Photoshop軟件進行的統計數值只適用于本次工作，不建議與其他科研人員的工藝研發工作進行對比。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗結果

每個工藝下，孔隙最多、孔徑最大區域的磨拋面見表3，孔隙率統計見表4。

表3 激光選區熔化TC4鈦合金拋光面照片Table 3 Photos of polished surface of TC4 titanium alloy melted by SLM

表4 激光選區熔化TC4鈦合金致密度統計Table 4 Density statistics of SLM TC4 titanium alloy

2.2 均值及極差計算

為便于計算和分析，將各工藝的致密度分別按照序號標記為ρ1、ρ2、ρ3…，計算每個工藝參數下致密度均值，公式（2）為示例：激光功率175W對應的致密度均值。

按照上述方法計算的激光功率對應致密度均值見表5，掃描速度對應致密度均值見表6，掃描間距對應致密度均值見表7。利用表5、表6、表7數據計算各工藝因素對應的極差，即：

表5 激光功率對激光選區熔化TC4合金致密度的影響Table5 Influence of laser power on TC4 alloy density in SLM

表6 激光掃描速度對激光選區熔化TC4合金致密度的影響Table6 Influence of laser scanning speeds on TC4 alloy density in SLM

表7 掃描間距對激光選區熔化TC4致密度的影響Table7 Influence of laser scan interval on TC4 alloy density in SLM

2.3 均值分析

直觀起見，將工藝參數對激光選區熔化TC4致密度的影響繪制成圖，見圖3～5。

2.3.1 激光功率對致密度的影響

如圖3所示，激光功率對致密度影響較大，隨著激光功率的增加，致密度逐漸增加，但超過臨界值后，致密度緩慢降低，激光功率過低，熱輸入低，會出現熔化不完全的現象，過高會造成鈦合金的合金元素燒損以及過燒和晶粒粗大等問題，這也與已有文獻結論一致[9-10]。

2.3.2 掃描速度對致密度的影響

如圖4所示，掃描速度為800～1 100 mm/s條件下，鈦合金的致密度處于相對較高的水平，但超過1 100 mm/s后，致密度快速降低。這主要原因：一方面掃描速度的增加會使激光的體能量密度降低，導致打印過程中未熔顆粒增多；另一方面則會拉長熔池，甚至分離形成一串球形液滴[11-12]，這些球形液滴在潤濕不良或溫度偏低時會凝固導致球化現象，從而影響致密度。

2.3.3 掃描間距對致密度的影響

如圖5所示，掃描間距在0.10～0.13 mm時致密度大小幾乎相等，但當掃描間距為0.14 mm時致密度明顯較小，這可能主要是由于熔道之間距離過大，相鄰熔道接觸不完全，掃描線相鄰區域粉末熔合較差，易出現表面球化現象。球化現象會使合金中形成孔洞缺陷，導致其致密度下降、表面粗糙度增大，從而影響其性能[13-15]。

2.4 極差分析

通過極差分析可以看出，對于激光選區熔化TC4鈦合金，激光功率對致密度的影響最大，其次為掃描速度，掃描間距影響最小。值得注意的是，如果只考慮掃描間距為0.10～0.13 mm的情況，掃描間距的極差僅為0.04，幾乎對致密度不產生影響。因此，選擇合適的激光功率和掃描速度對于激光選區熔化TC4鈦合金至關重要。

3 結論

本文通過正交工藝實驗就激光功率、掃描速度、掃描間距對激光選區熔化TC4鈦合金致密度的影響規律進行了研究，結論如下。

（1）激光功率對TC4鈦合金致密度影響最大，掃描速度次之，掃描間距影響最小。

（2）適當增加激光功率、減小掃描速度可以提高TC4鈦合金致密度；掃描間距在一定范圍內時，其對致密度的影響可以忽略不計。

（3）當鋪粉厚度為0.03 mm、激光斑點直徑為0.07 mm時，建議將激光功率控制在225～250 W，掃描速度控制在800～1 000 mm/s，掃描間距控制在0.10～0.13 mm。