模型處理對SEBM 法制備TC4 合金成型性能影響

徐博翰,李小鳳,王楓,,莫健麒

（1. 佛山桃園先進制造研究院,廣東 佛山 528225； 2. 順德職業技術學院 智能制造學院，廣東 佛山 528300； 3. 廣東粵科新材料科技有限公司，廣東 佛山 528225）

0 引言

增材制造（AM）技術俗稱3D 打印，是近些年來得到快速發展的快速成型技術。AM 技術在航天航空、微納制造、生物醫學工程等諸多領域中得到廣泛的應用，擺脫了傳統的毛坯→切削→成品加工形式，只需要將零件的三維模型進行切片分層處理，生成加工路徑，再以不同的熱源按照規定的路徑逐層堆積，直至形成致密的金屬零件。該技術省去了傳統加工所需要的刀具、夾具及多道且復雜的加工工序，只需要在一臺設備上即可制造出任意復雜形狀的零件，從而實現零件的自由制造［1-4］。其中，基于粉末層的電子束選區熔化技術（Slective Electron Beam Melting，SEBM）是以電子束為熱源的一種新型增材制造技術［5］。電子束的作用深度大且材料對電子束的吸收效果好，在真空環境下能夠有效的熔化合金粉末層。TC4（Ti-6Al-4V）合金是目前應用最廣的鈦合金，由于TC4 合金屬于α+β兩相合金，其密度小、抗腐蝕能力強，且具有良好的綜合性能、成形性能和焊接性能，因此成為鈦合金工業中的王牌［6］。TC4 合金在航空航天、汽車和船舶設備的各種減重應用中，提供了最佳的全面性能。

在電子束選區熔化過程中，模型的處理對成形質量和精度有著至關重要的影響，不同的擺放位置、擺放方式、不同的分層方法和分層精度，以及是否對零件添加支撐等都是需要考慮的因素。因此，本文主要研究了不同的零件擺放位置對電子束選區熔化成型性能的影響［7］。

1 試驗部分

1.1 試驗設備

試驗采用瑞典電子束選區熔化設備Arcam A2X型3D 打印機，如圖1 所示。該設備由高能電子束槍、電源系統、觀察系統、成形腔、真空系統及控制系統組成，內部有刮粉靶、隔熱罩、粉箱、加工臺及加工倉等原件［8］。在真空環境中，電子束在偏轉線圈驅動下，按照規劃好的加工路線進行掃描熔化預先鋪設好的金屬粉末，完成后工作倉臺下降一個層高，刮粉靶從粉倉重新鋪設一層粉末再進行熔化，層層堆積成形所需零件［9］。該設備工作原理如圖2 所示。

圖1 電子束選區熔化制造設備Figure 1 Selective Electron Beam Melting equipment

圖2 電子束選區熔化工作原理圖［10］Figure 2 Principle diagram of SEBM

1.2 試驗材料

試驗所用粉末為Arcam TC4 ELI 合金球形粉末，其形貌如圖3 所示。該粉末是一種氣體霧化粉末，通過外力將鈦合金擊碎為微小的液滴，再通過氣霧快速冷凝得到，粉末粒徑為45—100 μm，最小粒徑的限制保證了粉末的安全處理。與其他TC4 球形粉末相比，Ti6Al4V ELI 中氧、氮、碳和鐵的含量降低，使得粉末的間隙變得更低、更加致密，這些較低的間隙提高了Ti6Al4V ELI 材料的延展性和斷裂韌性，其化學成分列于表1。

表1 Ti6Al4V ELI 合金粉末化學成分Table 1 Ti6Al4V ELI chemical composition

圖3 TC4 ELI 粉末形貌圖Figure 3 TC4 ELI Powder morphology

1.3 試驗方法

首先，利用Solidworks 繪制出所需打印的R7 半徑為5 的拉力棒三維圖，并導入模型處理軟件進行處理，分別以橫擺放和豎擺放的方式放在預設好的200 mm×200 mm×380 mm 的工作平臺空間內（見圖4）。然后，進行模型分層處理，以及進行模型打印前修復去除壞邊、翹邊等，同時對橫放打印的拉力棒添加支撐。最后，將生成程序導入增材設備中進行打印，不同的擺放方式代表著不同的掃描面積和掃描層數。電子束選區熔化成形工藝參數列于表2。

表2 電子束選區熔化成形工藝參數Table 2 electron beam selective melting process parameters

圖4 不同擺放方式Figure 4 Different ways of putting it

將制備出的TC4 合金增材拉力樣件進行室溫拉伸試驗，利用Hitachi 公司的SEM-4 800 型掃描電鏡對拉伸斷口進行觀察。采用線切割機將橫豎兩種拉伸拉斷后的鈦合金試樣沿伸長方向從中心剖面切開上下各一段，將切割好的試樣依次用400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#、3000#的砂紙進行粗磨，直至試樣表面光滑且肉眼可見無明顯劃痕，再通過拋光機進行機械拋光，得到金相試樣。采用HF+HNO3+H2O（體積比為1∶2∶48）的混合腐蝕溶液來腐蝕試樣，在金相顯微鏡下進行組織觀察［11］。利用電鏡分別對橫豎打印的拉伸斷口，進行斷口觀察分析。

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能

對橫豎打印的樣件進行室溫拉伸試驗后發現，橫放打印的試件斷裂位置處于樣件的中間位置，豎放打印的試件斷裂位置則在上端，結果如圖5 所示。

圖5 拉伸試驗結果Figure 5 The tensile test

表3 為快速成型TC4 合金試樣的拉斷力學性能。由表3 可知，橫放打印的樣件抗拉強度分別為934 和908MPa、豎放打印的樣件抗拉強度分別為756 和754 MPa，而延伸率分別為13%、14% 和9.8%、10.1%。上屈服極限豎放打印試件比橫放打印試件高了許多，說明豎放試件在拉伸過程中屈服時首次下降前的力比橫打的試件要大，安全性能差。

表3 快速成型TC4 合金力學性能Tab.3 Mechanical properties of rapidly prototyping TC4 alloy

圖6 為不同擺放方式的拉伸應力-應變曲線圖。從圖6 可見：由于豎放打印的試件堆積方向與選區掃描方向不一致，使得整根樣件上下段受熱不均勻，力學性能也有所差異；總體而言，橫放打印的拉伸樣件力學性能優于豎向擺放樣件。

圖6 不同擺放方式拉伸應力-變形曲線圖Figure 6 Tensile stress-deformation curves for different placement modes

2.2 斷口分析

2.2.1 宏觀斷口分析

對進行力學拉伸實驗后的橫豎向擺放試件的斷口宏觀形貌進行分析觀察，結果如圖7 所示。從圖7（a）可見：橫向擺放打印的試件斷口沒有明顯的變形，并且剪切斷裂明顯［12］；宏觀斷口表面較為平整，斷面也呈杯錐，但剪切唇區域較少；纖維區內粉末熔化效果較好，只有少許球形粉末未熔的現象出現在斷口邊緣。從圖7（b）可以發現，斷口處有大量的高密度短而彎曲的撕裂棱線條，呈現“河流狀”的花樣，以及斷口有解理臺階和少量的孔洞，其原因可能是由于鈦合金屬于多晶體金屬材料，受力后位向不同而導致的滑移面滑移。從圖7（c）豎向擺放打印試件的宏觀斷口形貌可見，在拉伸的過程中，由于加工硬化率不足以抵抗形變集中在一個局部區域，導致斷口被拉伸變形嚴重呈現頸縮現象，這是由于裂紋起源于纖維區并快速延展到了放射區，當裂紋擴展到表面時形成了韌性斷裂的剪切唇，最后形成了杯狀錐狀的斷口。并且在剪切唇和放射區斷口邊緣等處有許多未融化圓球。從圖7（d）可見，未融化的圓球是TC4 球形粉末，這是由于粉末沒有得到充分的熔化，使得豎向打印試件的力學性能較橫向的差距較大，豎向打印試件的斷口在上端，初步判斷應該是距離打印基板位置越遠預熱受熱效果降低，使得打印情況越差、未融化的粉末越多［13］。

圖7 橫豎向擺放打印試件的斷口形貌Figure 7 Fracture morphology of printed specimens placed horizontally and vertically

2.2.2 微觀斷口分析

對橫豎向擺放拉伸試件的斷口進行微觀觀察分析，結果如圖8 所示。從圖8 可見：橫向打印試件斷口產生許多韌窩，但是相界面滑移形成的微孔較少，并且在斷裂位置處出現解理斷層，表明成形試件的延伸率和斷面收縮率較好、塑性較強［14］；豎向打印試件斷口的韌窩較淺，斷口韌窩周圍有許多微孔，這是由于在外力作用下使得處于平衡狀態的微孔遭到破壞，導致微孔變得更大，試件的致密性和抗拉強度下降，斷面收縮率小和延伸率差而導致塑性也較橫向打印的變弱。

圖8 橫豎向擺放試件斷口的微觀形貌Figure 8 Microscopic morphology of the fracture of the specimen placed horizontally and vertically

2.3 金相組織分析

為了判定鈦合金打印樣件的組織形態、晶粒大小和析出物量的多少，采用電子顯微鏡對處理過后的豎橫向打印試件的金相樣品進行觀察，結果如圖9 所示。從圖9（a）可見，豎向打印上段的樣品的組織為典型的雙態組織，其特點為β相轉變組織的基體上分布著互不相連的初生α相，但其總含量不超過50%［16］，這是由于測溫熱電偶在基板底部，而豎向打印上段的試件距離測溫基板過遠，加熱預熱不夠準確均勻，同時上段又屬于試件加工的后半程，后續層間預熱和加熱掃描的次數不多而無法起到緩慢冷卻的效果，所以鈦合金熱處理的加熱溫度低于了β相的轉變溫度，從而得到雙態組織［16］。從圖9（b）可見，豎向打印下段試件的組織呈現為等軸晶粒的等軸組織，因為下段打印試樣距離基板近測溫準，每次掃描預熱打印都相當于對下面的粉末層進行了一次重熔或退火預熱，所以呈現出退火組織，這類組織塑性、疲勞強度和抗缺口敏感性及熱穩定性均較好，但斷裂的韌性會較差。從圖9（c）和圖9（d）可以發現，橫放打印試件上段和下段的橫切面均呈現出交錯的網籃組織及網籃組織和魏式組織組成的雙態組織，這是由于橫向打印每層粉末可以得到有效的預熱，使β相向α相無法及時冷卻轉變，從而得到了成分相同但結構不一的固溶體［17］，由于沒有添加支撐及掃描面積過大的原因而產生了些許孔洞缺陷。同時，對4 個樣品進行面掃衍射圖譜分析Ti、Al、V、C、O 等元素含量發現，4 個樣品元素含量幾乎一致，擺放方式不同并沒有造成元素的缺失。

圖9 橫豎向試件的金相組織Figure 9 Metallographic organization of transverse and vertical specimens

綜上所述，電子束選區熔化3D 打印橫向試件的力學性能比豎向擺放打印的試件更加優異，橫向打印試件的塑性比豎向打印的要好，豎向打印的試件上下段的金相組織有所差異［18］。

3 結論

以TC4 合金為實驗材料，通過電子束選區熔化技術以不同的模型擺放方式制備出拉伸樣件，同時對試件進行力學性能測定、斷口形貌和顯微金相組織分析。

（1）以TC4 合金為試驗材料，Arcam A2X 電子束真空焊機為試驗設備，采用橫豎兩種模型擺放方式，制備電子束選區熔化增材成型R7 拉伸試樣，同時對其進行室溫力學拉伸試驗，發現橫向打印和豎向打印的試件的力學性能有所差異，橫向打印試件的抗拉強度、延伸率均比豎向打印的更優。

（2）將拉斷后的橫豎打印試件斷口進行簡單處理，利用掃描電鏡，以30、100、1 000、5 000 的倍數進行斷口宏微觀察并發現：橫向打印試件的宏觀斷口較為平整、剪切唇區域小，沿著滑移方向呈現 “河流狀”的花樣；橫向打印試件的微觀斷口下有許多韌窩，但滑移產生的微孔較少，故其塑性較好；而豎向打印的試件的宏觀斷口呈杯錐狀，在斷口周圍發現有許多未熔的球狀粉末，這也是其力學性能差的原因之一；豎向打印試件的微觀斷口的韌窩較淺且微孔在外力作用下被拉大。

（3）對橫豎試件斷口進行掃描元素圖譜分析發現，豎向打印試件的組成元素成分分布與橫向的不一，可能是杯錐狀斷面掃描不均勻，也可能是打印時受熱不均導致的。

（4）將橫豎向打印的試件拉斷后的上端和下端沿伸長方向剖開，對他們進行金相組織觀察發現：橫向打印上端和下端金相組織一致，呈現網籃組織及魏氏組織和網籃組織的雙態組織；豎向打印試件的上端存在細長條的α相和轉變相，并且有著氣孔缺陷及打印未熔導致的分層缺陷，與下端組織有所差異。

因此，在打印長棒、長條狀試件時，在模型處理上因盡量將其橫向擺放在加工基板上，這樣可以讓電子束掃描面積更大，能夠更加有效均勻的受熱，并且在每一層打印過程中下面的打印層都能得到有效熱傳導，避免了過快的冷卻。這種擺放方式的試件具有良好的力學性能及組織致密性。