激光选区熔化TC4钛合金疲劳与断裂

回 丽， 王 宁， 周 松*， 安金岚， 许 良

(1.航空制造工艺数字化国防重点学科实验室(沈阳航空航天大学)，沈阳 110136；2.沈阳航空航天大学机电工程学院，沈阳 110136)

钛合金具有低质高强、良好的高温强度和较好的耐腐蚀性等性能，在航空航天、航海、汽车和医疗器械、运动器材等领域得到了广泛的运用[1-2]。TC4合金是一种中等强度的α-β型两相钛合金，含有6%α稳定元素Al和4%β稳定元素V。该合金具有优异的综合性能，在航空和航天领域中获得了广泛的应用[3]。而TC4合金具有高熔点、高熔融态活性以及较大的变形抗力，采用传统等材及减材加工技术来制备TC4合金零件，具有加工困难、材料利用率低、成本高等缺点。而增材制造技术具有柔性化加工特点，能够实现难加工材料和复杂零件快速成型制造[4]。

选区激光熔化(selective laser melting，SLM)技术作为增材制造的技术的一种主要方法，已被成功运用于TC4合金精密零件的成形及修复[5-7]。SLM主要过程是通过软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能量激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件。目前，对SLM制造的TC4钛合金已经有很多研究：SLM工艺制造的TC4钛合金组织为粗大的β柱状晶内充满α’马氏体相[4,8-9]；Xu等[8]通过改变SLM制造成形工艺参数(包括改变层厚、离焦距离和能量密度)，使得SLM制造的TC4合金过程中产生的马氏体发生分解，从而获得高强高塑的性能；Rafi等[10]得到了较好SLM制造的TC4钛合金的拉伸性能数据；Vrancken等[11]得到的数据与前者相近；Walker等[12]从等效裂纹尺寸的方面研究了SLM制造的TC4钛合金的疲劳性能；Liu等[13]研究了SLM制造缺陷对TC4钛合金疲劳性能的影响。中的研究主要集中在制造工艺参数[14]、热处理手段[15-16]、微观组织[16-19]等，少数机构研究了力学性能[16-17,19]，而其中只涉及到拉伸性能。但鲜见对SLM制造的TC4合金的疲劳性能的影响进行研究。

在工业领域中，显然结构或零件受到交变动载荷的作用而发生疲劳破坏更符合实际工况。因此，旨在对SLM制造的TC4钛合金的疲劳行为进行研究分析，从疲劳断口表现出来的特征分析影响疲劳性能的因素，为后续生产优化、结构设计和安全寿命计算提供依据。

1 试验材料与方法

试验用的TC4合金疲劳试样在S-310激光选区熔化设备上制造。该系统由激光器、数控工作台、惰性气体保护箱、高精度送粉器和喷嘴组成。激光选区熔化的主要工艺参数为：激光功率400 W；光斑直径75 μm；搭接70～90 μm；层厚30～60 μm；扫描速度800～1 250 mm/s。所用的材料为TC4钛合金球形粉末，其中的Al、V、Fe等元素的质量分数在表1中列出，除去表中列出的成分的质量分数后的剩余量(Bal.)为钛的质量分数。整个制造过程在惰性气体保护箱内进行，以防止钛合金被污染。

表1 Ti-6Al-4V合金粉末的化学成分

试验采用的试样均为一次运行制造，试样在基板上的位置是随机的。疲劳试样制造方向有两种：水平方向和垂直方向。试样形式和尺寸如图1所示，试样的制造方向如图2所示。工作段的表面粗糙度Ra=0.32 μm。

图1 轴向疲劳棒材光滑试样Fig.1 Axial fatigue bar smooth sample

图2 激光选区熔化方向和疲劳试样Fig.2 Selective laser melting direction and fatigue specimen

使用扫描电子显微镜(SEM)观察疲劳试样和断口表面，观察疲劳断口中疲劳裂纹起始位置，分析疲劳试样横截面的制造缺陷。疲劳试验在实验室内室温空气环境中进行，载荷为100 kN的QBG-100高频疲劳试验机为试样提供应力比R为0.06的正弦波载荷，频率为110 Hz。对不同制造方向的试样分别施加最大为750 MPa和600 MPa的应力，在每种条件下测试5个有效试样。

2 结果与讨论

2.1 试样疲劳寿命

疲劳试验数据的统计分析结果如表2和表3所示。在表中可以看出，疲劳寿命数据具有分散性。最大应力为600 MPa的水平方向制造试样的数据具有最小的分散性，变异系数(标准差/平均值)为0.68。在其他3种情况下，变异系数在0.83～0.92。这表明数据具有非常明显的波动。这种疲劳寿命数据所具有的分散性，在用传统方法生产的材料中也有明显体现，图3显示了应力比为0.1的来自美国金属材料的性能发展和标准化(metallic materials properties development and standardization，MMPDS)[20]给出的退火处理的钛合金疲劳寿命和墨尔本皇家理工大学的激光选区熔化TC4钛合金疲劳寿命的测试结果[14]。

激光选区熔化生产的TC4合金的疲劳性能与传统的退火处理的钛合金相当[3]，且疲劳寿命数据同样具有分散性。产生这种分散性有很多原因，除了材料本身的特征外，还与SLM制造过程中产生的熔合不良、初始缺陷的随机性和沉积制造方向有关。

表2 试样的疲劳寿命

表3 疲劳寿命统计

图3 试验中疲劳试样的寿命Fig.3 Life of fatigue specimens in the test

2.2 疲劳源分析

选择每组数据中具有中值寿命的疲劳断裂试样，在扫描电子显微镜下观察疲劳断口。编号为H4(a)的试样(寿命为159 900次)的裂纹起源于表面下约7 μm处的孔隙，孔隙最大跨度为93 μm；编号为H9(b)的试样(寿命为784 500次)的裂纹起源于表面下约11 μm处的缺陷，缺陷最大跨度为86 μm；编号为V3(c)的试样(寿命为59 600次)的裂纹起源于表面下约3 μm处的缺陷，缺陷最大跨度为41 μm；编号V9(d)的试样(寿命为193 900次)的裂纹起源于表面下约14 μm处的缺陷，缺陷最大跨度为45 μm，从断口中能看出这个试样中缺陷与表面之间有熔合不良的情况。综上，观察不同制造方向，不同应力水平的疲劳试样断口，能够发现明显的特征：所有的裂纹均起源于靠近表面的制造缺陷，且这种缺陷的形状不规则，如图4所示。

图4 具有最短寿命的疲劳试样的疲劳源处的缺陷形貌Fig.4 Defects at the fatigue source of the fatigue samples with the shortest life

2.3 疲劳源处断裂机理分析

将具有中值寿命的疲劳试样的疲劳裂纹萌生区放大进行观察。由于激光选区熔化是一个逐层累加的过程，在疲劳源的制造缺陷中能够明显地看出其分层的痕迹。在图5(a)中熔化层与断裂方向垂直，因此能够清晰地看出层间的界线；在图5(c)和图5(d)中，因为熔化层与断裂方向相同，图中显示的层间界线是因为在垂直方向上具有高度差而产生的；层线的密集程度显示了该位置上的梯度大小，层线越密集，该位置梯度越大，层线越松散，该位置的梯度越小；图5(b)试样中的制造缺陷与其他3个试样不同，考虑为冶金结合在此处没有形成致密的组织，所以在承受循环载荷后，此处因形成较大的应力集中而成为试样的薄弱环节，疏松的接近结合分界面成为疲劳源。这些试样内部的形状不规则的缺陷，其边缘的凸起和凹陷都促使了应力集中，受力面积大大减少，促使裂纹萌生。

图5 疲劳源断裂分析Fig.5 Fatigue source fracture analysis

2.4 疲劳裂纹源分析

观察垂直方向制造的具有最小疲劳寿命试样的疲劳裂纹源，如图6所示。本次试验中垂直制造方向最大应力为750 MPa和600 MPa的试样最短寿命结果分别是35 900次循环(试样SLM-V1)和175 100次循环(试样SLM-V6)，裂纹的起源同样是试样表面下方的形状不规则的缺陷。试样V1的裂纹源位于试样表面下1 μm的位置，最大跨度为69 μm。试样V6的裂纹源位于试样表面下3 μm的位置，最大跨度为68 μm。

图6 具有最小寿命和中值寿命的疲劳试样的 疲劳源处的缺陷形貌Fig.6 Defects at the fatigue source of fatigue samples with shortest life or median life

分别分析承受最大应力为750 MPa和600 MPa垂直方向制造的最小寿命和中值寿命试样的裂纹起源。最大应力为750 MPa的最小疲劳寿命试样SLM-V1的疲劳源位于试样表面以下1 μm的位置，而中值寿命的试样SLM-V3的疲劳源位于表面以下3 μm的位置上；最大应力为600 MPa的最小疲劳寿命试样SLM-V6的疲劳源位于试样表面以下3 μm的位置，而中值寿命的试样SLM-V9的疲劳源位于表面以下14 μm的位置上。能够发现激光选区熔化制造的试样的疲劳裂纹起源于靠近表面的制造缺陷，而缺陷越接近试样表面，则该试样具有更小的疲劳寿命。观测疲劳源的缺陷形状和大小，最大应力为750 MPa的最小疲劳寿命试样的疲劳源最大跨度为69 μm，而具有中值寿命的试样疲劳源的最大跨度只有41 μm。最大应力为600 MPa的最小疲劳寿命试样的疲劳源最大跨度为68 μm，而具有中值寿命的试样疲劳源的最大跨度为45 μm。所以，疲劳源的最大跨度也影响着试样的疲劳寿命，一般为缺陷的最大跨度越大，试样的疲劳寿命越小。但是疲劳寿命也会受到缺陷尺寸、方向和锐度(缺陷边缘的形状)的影响。

3 结论

(1)在应力比R=0.06，最大应力分别为750 MPa和600 MPa的载荷下得到光滑疲劳试样的疲劳寿命：激光选区熔化制造的TC4钛合金试样的疲劳性能能够达到传统经过退火处理的钛合金水平。

(2)激光选区熔化制造的TC4试样的裂纹均萌生于距离试样表面最近的制造缺陷。在疲劳源的缺陷中，能看见明显的层间界线或者疏松的冶金结合，这都成为了疲劳试样的薄弱位置。经过优化后的生产方法中，制造缺陷仍然是影响疲劳寿命的主要原因。

(3)通过对比垂直制造方向的具有最小寿命和中值寿命的试样，分析其疲劳源，疲劳源在试样表面以下的位置和最大跨度影响着试样的疲劳寿命，一般为距离试样表面越远、跨度越小，疲劳寿命越高。这说明在制造过程中应该通过减少或者最小化缺陷来提高材料的疲劳寿命。