倾斜角度对激光选区熔化成形Ti6Al4V合金的影响

王小龙，肖志瑜，张国庆，关航健，杨永强



倾斜角度对激光选区熔化成形Ti6Al4V合金的影响

王小龙1，肖志瑜1，张国庆2，关航健1，杨永强2

(1. 华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术研究中心，广州 510640；2. 华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640)

利用自主研发的DiMetal-100型激光选区熔化设备制备与基板平面成不同倾斜角的Ti6Al4V非标准拉伸试样，研究熔化成形后合金的显微组织、物理和力学性能。结果表明，Ti6Al4V合金粉末熔化成形后的组织为针状α′马氏体和(α+β)相，随倾斜角度变化，试样中α/α′相与β相的相对含量也发生变化，倾斜角为45°试样中β相含量最高；α′马氏体呈柱状分布于(α+β)相中，并且方向始终平行于成形方向(轴方向)。随SLM成形试样的倾斜角从0°增加到90°，其相对密度先减小后增大，并在90°时达到最大值96.1%；试样的硬度和抗拉强度均先升高后降低，在45°时达到最大值，硬度为393 HV，抗拉强度为1288 MPa；试样表面粗糙度a也呈先增大后减小的趋势，在0°时达到最小值8.77 μm，在30°时达到最大值19.55 μm。

Ti6Al4V；激光选区熔化；倾斜角；性能

Ti6Al4V合金是(α+β)钛合金中最常见的一种，具有密度低、比强度高、耐热及耐腐蚀性好、生物相容性优异等优点，在航空、化工、兵器、核工业、运动器材及医疗等领域得到了广泛的应用[1−2]。20世纪90年代发展起来的激光选区熔化技术(SLM)[3]为成形复杂形状的Ti6-Al4V零件开辟了新天地。它是将三维STL文件切片和规划路径后导入SLM设备，并在高能激光束的作用下逐层熔化球形金属粉末，最终堆积成所设计的实体零件。相比传统的铸造、粉末冶金工艺，它不仅可以几乎零浪费材料，缩短制造周期，减少工艺步骤积累而产生的误差，而且可以生产出无需后续加工的高精度、高性能零件[4]。影响SLM成形质量的因素超过130个，主要可分为6大类，包括扫描因素(扫描速度、扫描间距、扫描策略和加工层厚)、材料(粉末成分、松装密度、形状、粒度)、激光与光路系统(激光模式、功率、波长、光斑直径和光路稳定性)、机械特性(铺粉层厚及平整性、铺粉装置的稳定性和成形缸运动精度)、几何数据处理(空间摆放、支撑添加方式和零件几何特征)、外界环境(含氧量、预热温度和湿度)[5]。现在的研究主要集中在扫描因素与激光等工艺参数与组织性能的关系方面，在国外，墨尔本皇家理工大学的XU等[6]研究了SLM成形过程中工艺参数(铺粉层厚、激光功率、扫描速度)对Ti6Al4V钛合金性能的影响，结果表明激光功率为375 W以及铺粉层厚为60 μm(粉末直径为25~45mm)时，成形性能最好，伸长率为11.4%，屈服强度为1100 MPa，组织主要为马氏体[6]；在国内，华南理工大学研究了SLM成形过程中扫描间距、扫描速度对成形零件性能的影响，总结了致密度、表面粗糙度、显微硬度、拉伸性能等随工艺参数的变化规律[5]。目前，国内外对SLM成形Ti6Al4V合金过程中，空间摆放与零件组织和性能的关系鲜有研究。因此，揭示SLM成形Ti6Al4V合金的晶体生长情况，及不同倾斜角零件物理力学性能的差异，为成形承受各向异性应力及具有不同表面性能要求的零件提供理论及实践意义，并对该项技术的工程化应用具有非常重要的指导意义。本文作者采用华南理工大学自主研发的DiMetal-100型激光选区熔化设备着重研究不同倾斜角对零件组织与性能的影响。在激光功率=150 W，扫描速度=400 mm/s，扫描间距=0.08 mm，加工层厚=0.035 mm的工艺条件下加工0°，30°，45°，60°，75°和90°的6组不同倾斜角的Ti6Al4V矩形拉伸试样。通过分析比较6组试样的物理力学性能及微观结构，探讨不同倾斜角的激光熔化试样在组织和性能方面的变化规律及其成因，以期对SLM制备钛合金的推广应用提供技术依据。

1 实验

1.1 实验材料

本研究采用的Ti6Al4V钛合金粉末的化学组分如表1所列，粉末形貌及其粒度分布如图1所示。

1.2 试样的制备

实验所用的Dimetal-100型SLM设备是由华南理工大学自主研发的设备，其主要参数如表2所列[7]。

优化后的成形工艺参数为：激光功率(150 W)、扫描速度(400 mm/s)、扫描间距(0.08 mm)、铺粉层厚(0.035 mm)，扫描策略为正交层错扫描方式[8]。

表1 Ti6Al4V钛合金的化学成分

图1 Ti6Al4V粉末特性

表2 Dimetal-100激光选区熔化设备主要参数

在三维建模软件UG中绘制出拉伸试样的三维模型，将导出的STL三角形网格文件在Magics13.0中进行空间排布及切片处理，然后在自主编译的软件中进行扫描路径规划，最后导入设备中进行加工成形[9]。在Magics13.0中摆放时，6组试样的拉伸方向与-平面的角度分别为0°，30°，45°，60°，75°，90°，每组包含3个试样，如图2所示。为了保证熔融的Ti6Al4V金属液与基板之间良好的润湿性，基板也采用Ti6Al4V钛合金，并在实验前用砂纸打磨后用无水乙醇清洗，以保证基板表面干净平整[10]。为了保证粉末不发生氧化，成形过程中要不断通入高纯氩气(99.999%)形成保护气。

图2 试样摆放示意图

1.3 测试与分析

用阿基米德排水法，借助赛多利斯BS2245型电子天平测定试样的密度；采用DHV-1000Z型显微维氏硬度计测试试样的硬度；在CMT5105型100 kN万能试验机上对试样进行抗拉强度的测试；通过扫描电子显微镜(NOVA NANOSEM 430)观察试样拉伸断口微观形貌；用TALYSURF CLI1000型表面轮廓仪测试试样的表面粗糙度；用DML5000型倒置金相显微镜分析微观组织结构。金相试样的腐蚀剂选用含有5 mL HF+25 mL HNO3+50 mL H2O 的溶液[11]。

2 结果与讨论

2.1 Ti6Al4V粉末熔化成形后的显微组织

试样的XRD分析如图3所示。图4所示为不同倾斜角试样-面的显微组织。由图3、图4分析可得，6组试样的显微组织均由针状α′马氏体与(α+β)相组成，随倾斜角度变化，试样中α/α′相与β相的相对含量也变化，45°试样中β含量高于其它试样。α′马氏体呈柱状分布于(α+β)相中，并且其的方向始终平行于成形方向(Z轴方向)，这是由于激光束照射在粉末上形成熔池，激光束移开后，熔池内金属液冷却速率非常快，无法瞬间形成临界尺寸的晶胚进行均匀形核长大，只能在已凝固的晶粒上长大，并在熔池底部和表面间的温度梯度作用下形成柱状晶。

图3 试样的XRD图谱

图4 不同倾斜角试样的显微组织

2.2 Ti6Al4V合金的物理及力学性能

2.2.1 成形倾斜角对试样相对密度的影响

激光成形过程中倾斜角对试样相对密度的影响如图5所示。从图中可以看出，倾斜角从0°增加到30°，试样的相对密度呈下降趋势，从30°递增到90°的过程反而呈逐步上升趋势，在0°和90°时相对密度达到峰值，但在90°时稍高一点，为96.1%，这主要受成形过程中相邻两层间的悬垂长度的影响，如图6所示。

激光熔化成形过程中，与-平面成30°，45°，60°和75°的试样存在悬垂结构，在已成形的部分上进行铺粉时，该层粉末都会存在一部分落在熔合区域，另一部分落在下方粉床上的情况。实体的承接能力比粉体的好，故实体上部粉末熔合完全，但以粉体作为承接体的平铺粉末在熔合过程中会由于毛细管力和重力作用往下掉落，从而造成试样整体密度有所降低。层厚一定的情况下，倾斜角越小，悬垂长度越大，落渣越严重，则相对密度越低。0°和90°试样不存在悬垂结构，悬垂长度为0，因而相对密度高；倾斜角从30°递增到75°过程中，悬垂长度逐渐减小，因而相对密度呈上升趋势。

2.2.2 成形倾斜角对试样表面粗糙度的影响

成形倾斜角对试样上表面轮廓算数平均偏差a(即表面粗糙度)的影响如表3所列。随倾斜角增加轮廓算数平均偏差呈现先增加后减小并趋于水平的趋势，在0°时为最小值8.77 μm，在30°时达到最大值19.55 μm。

图5 成形倾斜角对试样相对密度的影响

图6 悬垂长度示意图

表3 不同倾斜角试样的轮廓算数平均偏差

倾斜角从30°增加到75°，试样粗糙度先递减后趋于恒定主要受成形过程中台阶现象的影响，其示意图如图7所示。由于试样倾斜放置，相邻成形薄层之间相对错开一定距离致使表面出现高低不平的现象，层厚一定时，倾斜角越小台阶现象越明显，即表面粗糙度越大。图8所示为不同倾斜角试样上表面的轮廓示意图，从图8中可以看到30°和45°试样凹痕相对较明显，60°和75°试样基本无规则条状凹痕，符合理论分析，即试样倾斜角越小，表面粗糙度越大。相对于0°试样，90°试样成形时与周围的粉末接触，发生粘附现象，加上激光定位精度的影响，表面较0°试样更 粗糙。

图7 台阶现象示意图

图8 不同倾斜角试样表面轮廓示意图

2.2.3 成形倾斜角对试样抗拉强度及显微硬度的影响

成形倾斜角对抗拉强度及显微硬度的影响如图9所示。随倾斜角增大，试样的抗拉强度及显微硬度大致呈先增大后减小的趋势，并在45°时出现一个峰值，分别为了393 HV和1288 MPa抗拉强度及硬度的变化情况主要取决于试样的组织形态及其分布。

图9 成形倾斜角对抗拉强度及显微维氏硬度的影响

激光成形过程中，熔化粉末的能量大部分通过下层实体传递到基板而散失。不同倾斜角试样的烧结截面大小、烧结层数等因素显然不同，必然会引起试样内部的温度场差异，进而导致加工完成后的显微组织差异。钛合金中的α′马氏体为软相，其强度和硬度与α相差无几，β相经时效后为强化相[12]，对抗拉强度及硬度的提升有很大的作用，β相含量越高，抗拉强度及硬度越高。由图4中XRD分析可知，45°试样中β相含量相对其它试样较高，故45°试样的抗拉强度及显微硬度相对其它试样较大。

试样的拉伸断口形貌如图10所示，其断口上分布着大量微小韧窝(图10(a))；同时也存在着局部解理面(图10(b))。在宏观上，6组试样的拉伸断口断裂面与加载方向都成45°。由这些现象可以认定其断裂方式为微孔聚集型剪切断裂，同时伴随着局部解理断裂。

图10 拉伸断口微观形貌

3 结论

1)SLM成形Ti6Al4V合金粉末后，显微组织为针状α′马氏体与(α+β)相共存，随倾斜角度变化，试样中α/α′相与β相的相对含量也发生变化，45°试样中β相含量最高。α′马氏体呈柱状分布于(α+β)相中，并且其方向始终平行于成形方向。

2) 由于悬垂结构的存在，试样的倾斜角从30°递增到75°，其相对密度较低，但是呈增大趋势；0°与90°试样不存在悬垂结构，相对密度相对较大，在90°时试样相对密度最大，达到96.1%。

3) 试样的抗拉强度及显微硬度随倾斜角的增加先增大后减小，在45°达到最大值，分别为393 HV和1288 MPa。试样的粗糙度a随倾斜角的增加呈现先递增后减小并趋于恒定的趋势，在0°时达到最小值8.77 μm，在30°时达最大值19.55 μm。

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(编辑 高海燕)

Effect of inclination angle on the selective laser melting of Ti6Al4V alloy

WANG Xiaolong1, XIAO Zhiyu1, ZHANG Guoqing2, GUAN Hangjian1, YANG Yongqiang2

(1. National Engineering Research Center of Near-net-shape Forming for Metallic Materials,South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology,Guangzhou 510640, China)

Nonstandard tensile specimens of Ti6Al4V alloy were fabricated by selective laser melting (SLM) process with different inclination angles on a self-developed DiMetal-100 machine. Microstructures, physical and mechanical properties of the samples were studied. The results indicate that microstructures of SLM samples are composed of acicular α′ martensite and (α+β), and their contents varies with different inclination angles, the maximum content of β occurs in samples with an angle of 45°. The α′ grains distribute in (α+β) phase as cylindrical shape, and the direction of columnar α′ grains is parallel to the forming direction. With increasing the inclination angle from 0° to 90°, the relative density of SLM samples decreases firstly, and then increases to the maximum value of 96.1% at 90°. On the contrary, the hardness and the ultimate tensile strength increase firstly and then decrease, and both of them reach the maximum values of 393 HV and 1288 MPa, respectively, when the inclination angle is 45°. Meanwhile, the surface roughness of the specimens also increases initially, and then decreases. A minimum roughness of 8.77 μm and a maximum roughness of 19.55 μm are obtained at 0° and 30°, respectively.

Ti6Al4V; selective laser melting; inclination angles; property

TF125.22

A

1673−0224(2016)03−376−07

广东省重大科技专项(2014B010129003); 广东省自然科学基金研究团队项目(2015A030312003)；中央高校基本科研资助项目(2014ZP0011)；国家自然科学基金(51275179)

2015−08−24；

2015−11−23

肖志瑜，教授，博士。电话：13922266121；E-mail: zhyxiao@scut.edu.cn