钛铝异种合金选区激光熔化(SLM)成形的工艺

李庆棠，刘宝昌，王方彬(北京新风航天装备有限公司，北京 100854)

0 引言

TC4钛合金比强度大，耐磨性高，具有良好的综合力学性能，AlSi10Mg具有良好的工艺，密度小，抗蚀性好，Ti合金和Al合金以其高强重比优点在航空航天等产品结构轻量化设计中得到了广泛应用，将两者材料连接起来可以达到材料使用性能和经济效益的平衡[1-2]。随着3D打印技术的不断发展，其已经超越传统单材均质加工技术的限制，成为可实现多材料、功能梯度材料、多色及真彩色表面纹理贴图制件的直接制造，与传统加工工艺结合，可实现多种兼顾精度和形状复杂度的新型加工方法[3]。张文奇[4]利用激光选区熔化(SLM)成形技术对AlSi10Mg铸造铝合金的成形工艺进行了研究，获得了致密的成形，同时研究了热处理工艺对SLM成形Al Si10Mg试样组织及性能的影响，发现退火工艺对SLM试样的组织及力学性能有着重要的影响。黄建国[5]以Ti6Al4V(TC4)粉末为实验材料，研究了选区激光熔化成形TC4合金的工艺参数及力学性能，并探讨了工艺参数及热处理工艺对SLM成形TC4钛合金的致密度、显微组织及力学性能的影响。文献[6]、[7]采用SLM成形技术分别对钛/钢连接、铝/钢连接等连接缺陷、金属间化合物反应层的特性以及各种工艺参数的变化对成型件表面质量、致密度等进行了研究，提出了用密度能量来衡量异种材料SLM制造过程的连接质量，研究表明SLM过程是一个制备杂化材料的有前途的方法。

1 实验方法

实验选取TC4钛合金和AlSi10Mg铝合金两种金属粉末开展异种材料增材工艺探索。TC4钛合金的材料组成是Ti-6Al-4V， 是典型的(α+β)型钛合金，比强度大，耐磨性高，具有良好的综合力学性能。AlSi10Mg具有良好的工艺，密度小，抗蚀性好。两种材料在航空航天等领域的应用上都具有较大的潜力，材料化学成分如表1和表2所示，两种合金粉末粒度分析结果如表3所示。

表1 AlSi10Mg化学成分表

表2 TC4化学成分表

表3 粒度分布试验结果

实验用SLM成型设备为华曙高科FS271M激光3D打印机设备参数如表4所示。以打磨擦洗后的TC4钛合金板为沉积基板，先制备TC4合金试块，然后在TC4合金试块上熔覆AlSi10Mg合金，制备时采用氩气作为保护气体，研究不同工艺参数对钛铝异种合金成型的影响。

表4 FS271M主要技术参数

图1 钛铝合金试块(2 mm AlSi10Mg熔覆)

图2 钛铝合金试块(15 mm×15 mm×15 mm)

试块的宏观成型可以通过目视观察，孔洞、裂纹等界面缺陷可以通过荧光渗透探伤、射线探伤等方法进行检测。采用OLYPMUS DP72 光学显微镜观察SLM成形钛铝界面结合程度及裂纹分布情况。

力学性能通过制备拉伸试样进行拉伸试验获取。拉伸试验按照GB/T 228.1—2010标准制备，其尺寸如图3所示，每组工艺参数制备3个试棒，拉伸试验在CMT5105微机控制电子万能试验机上进行，加载速度为2.5 mm/min，试验结束条件为试棒拉断。实验过程中采集试棒拉伸时的横梁应力，用引伸计测量试件对应的变形量，并在实验结束后测量试棒的断后伸长率。

图3 TC4/AlSi10Mg异种合金拉伸试样尺寸图

2 实验结果与分析

2.1 工艺参数对宏观成型的影响

钛铝异种合金宏观成型的主要缺陷是翘曲和收缩。激光选区熔化过程中扫描区域先后顺序也会导致各部分冷却速率的不均匀，进而会产生温度梯度，最终会使金属试样中产生残余应力，铝合金侧发生翘曲变形。两种合金热物理参数差异较大，尤其是热膨胀系数，会直接导致在铝合金凝固过程中产生的收缩程度与钛合金不相同，产生收缩不均的现象。另外，打印过程中界面表面成形不平整会导致铺粉不均匀，缺粉位置会导致过热，进而会进一步发生翘曲，直至界面明显撕裂，如图4(a)所示。

图4 钛铝异种合金试块宏观成型优化

采用棋盘扫描策略，减少扫描区域数量，使不同区域之间冷却速率接近，可有效避免产生翘曲变形。成型过程中，每扫描一层旋转一定角度(67°)，使每层激光起始位置都不相同，每一层铝合金收缩方向不一致，这样就避免了收缩累加，进而影响成形及界面质量的情况。通过优化后的工艺，可获取成型良好的试样。

2.2 工艺参数对宏观裂纹的影响

界面宏观裂纹的长度是SLM成形钛铝复合的重要指标。激光功率对成形件质量起到了至关重要的作用，在研究范围内下，随着激光功率的减小钛铝复合界面宏观裂纹的长度先减小后增加，如图5(a)所示。扫描速度与激光对粉末熔化时间有直接关系，影响激光热输入量。在特定的激光功率下，钛铝复合界面宏观裂纹的长度随着扫描速度的增加先降低后升高，如图5(b)所示。激光功率200 W，扫描速度1 000 mm/s时钛铝界面光镜图如图6所示，可见此工艺参数下，界面连接良好，无宏观裂纹。

图5 工艺参数对宏观裂纹的影响

图6 钛铝界面光镜图(200 W, 1 000 mm/s)

2.3 钛铝异种合金SLM制品力学性能

优化后的工艺参数可获取外观成型良好、界面连接可靠试块，通过拉伸试验获取界面拉伸力学性能见表5。

表5 钛铝异种合金成形拉伸力学性能

3 结语

钛铝异种金属材料连接，具有减轻重量、降低成本及特殊使用性能的作用，被广泛应用于航空、航天及现代汽车工业。文章对TC4/AlSi10Mg异种合金SLM技术成型工艺进行了研究。结果表明，激光功率、扫描速度、预热温度、扫描策略都对钛铝异种合金SLM成形质量有着重要影响，预热温度150 ℃，激光功率200 W，扫描速度1 000 mm/s，stripes 扫描策略，可以有效控制SLM翘曲、收缩并避免宏观裂纹的产生，获得高结合效果的钛铝复合试样，界面强度可达55 MPa。