激光沉积预置TC4线材的显微组织研究

林俊宇， 徐培全， 马一帆

(上海工程技术大学 材料工程学院， 上海 201620)

钛合金发展自20世纪50年代，具有高耐蚀性、比强度以及良好的生物相容性等优异性能，在航空航天[1]、医疗植入物[2]和汽车船舶等领域都得以广泛应用[3]。Ti-6Al-4V合金又称TC4，属于α+β型钛合金，因其各项性能均衡，使用量占钛合金中的75%～85%[4]，被冠以钛合金中的“王牌合金”的名号。传统加工工艺在制造TC4合金零部件时，常受限于钛合金较差的切削加工性，加工繁琐[5-6]且周期长，而激光金属沉积技术的特性能够很好地规避这些问题[7]。目前对TC4激光金属沉积研究中，绝大多数以TC4粉末作为原材料[8]，少数采用商用焊丝作为沉积材料[9]。粉材利用率不高，价格昂贵，且在开放环境中Ti粉的激光金属沉积具有一定的危险性。而基于熔丝的激光沉积工艺具有速率快，材料利用率近100%，及制备成本低的特点[10]，预置金属条的方式省略了送丝设备，简化了生产过程与参数。课题组采用预置法在基体上通过电阻点焊固定预铺金属条后进行单层与多层激光金属沉积，并分别对单层与多层试样的组织进行了分析。

1 实验材料与方法

实验以6 mm厚度、经退火处理后的Ti6Al4V合金板材作为基体进行激光金属沉积，沉积材料为通过线切割加工而成的截面形状为3 mm×1 mm矩形的Ti6Al4V金属条。基体与金属条的化学成分如表1所示。在进行试样前基体与金属条均依次用颗粒度为64 μm(240目)，39 μm(480目)，15 μm(800目)的碳化硅砂纸打磨，去除表层的氧化层与加工痕迹，随后用乙醇作为清洗剂超声清洗10 min去除表面油污并烘干备用。

表1 基体及沉积材料化学成分

由于钛合金热传导性差，金属条受激光辐照时易发生严重的翘曲和变形，因此使用hotspot II点焊机以电阻点焊的方式将金属条预置在基板上再进行单层与多层的Ti6Al4V合金增材制造，其固定方式如图1所示。对于多层试样，在当前层激光扫描完成后再次进行下一层的金属条电阻点焊预置，随后进行下一层激光扫描，重复这个过程直至试样达到目标层数。

图1 试样中金属条预置方式Figure 1 Preset way of metal strip in sample

图2(a)所示为本试验中采用的美国IPG公司生产的光纤激光器与激光控制平台，图2(b)所示为德国HIGHYAG公司制造的BIMO QBH激光头。该激光头夹持在瑞士ABB的ABB-IRB 4600型机器人上，通过在ABB机器人中设定路径与速度等参数后由机器人控制完成增材制造。激光器相应参数如表2所示。单层试样(A1)与多层试样(A2)的激光金属沉积根据表3所示的工艺参数进行。在增材制造过程中选用氩气作为保护气体，气体流量为25 L/min，激光扫描路径设定为往复式扫描。

图2 激光金属沉积所用设备Figure 2 Equipment used in laser metal deposition

表2 激光器设备参数

表3 激光金属沉积工艺参数

激光金属沉积增材制造结束后，将得到的单层与多层试样沿横截面切开，依次用颗粒度为64.0 μm(240目)，39.0 μm(480目)，15.0 μm(800目)，10.5 μm(1 200目)，8.5 μm(1 600目)，7 μm(2 000目)的SiC砂纸打磨后用颗粒度为3.5，1.5和0.5 μm的Al2O3粉末依次进行抛光。选用Kroll试剂(HF∶HNO3∶H2O=2∶5∶93)腐蚀试样横截面15 s后用超景深三维显微镜观察分析沉积层及其与基体结合界面处的显微组织形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 单层沉积层显微组织

单层沉积试样A1的横截面显微组织及沉积层/基体间界面如图3所示。由于Kroll试剂会优先腐蚀钛合金中β相，因此α相与β相在光学显微镜下有衬度的存在，造成α相颜色稍浅，β相颜色更深。由于钛合金导热系数低，不同区域冷却速率不同，在沉积层有多种组织的存在。图3(c)所示沉积层的顶部为取向相似的竖直方向的条状α，条状的α表现出枝晶生长的趋势，条状α之间则为片层状的次生α+晶间β相。图3(d)所示组织为细长的针状，针与针之间为次生α相与晶间β相，其中次生α相以片层状和长宽比较小的条状2种形态出现。在沉积层靠近基体的界面处可以观察到完全β转变组织α′相，该组织以片层状交错分布在原始β晶界内侧，形成魏氏组织，此类组织一般对合金塑性、疲劳强度和热稳定性等性能有不好的影响[11]，如图3(f)所示。此外，在长针状α′相与全片层状β转变组织之间还存在一个过渡区域，过渡区中针状α′相的长宽比减小变为短针与小块状的α相与晶间β组织，如图3(e)所示。

图3 单层沉积层和界面的显微组织Figure 3 Microstructure of single-layer deposited sample and interface

2.2 多层沉积层显微组织

图4所示为低倍光学显微镜下的多层沉积试样A2的横截面及沉积层/基体之间界面的显微组织图。从图中可以看到在多层的沉积层中有少量气孔和裂纹。在多层增材制造的过程中，由于多层的金属条的逐层堆叠，易对试样表层的不平整度起到一个累加的效果。而在某一层表层上继续预置金属条时，新预置的金属条与试样的表面就会存在一定的缝隙，若沉积过程中熔池存在时间过短，缝隙中的气体未能及时从熔池中溢出就会导致气孔的形成。

图4 低倍显微镜下多层沉积层和界面的显微组织Figure 4 Microstructure of multi-layer deposited sample and interface under low power microscope

图5(a)，(b)和(c)分别为图4中方框所标E，F和G区域的高倍放大图。图5(a)所示为沉积层顶部条状α相与晶间β，与单层试验相比顶部的条状α相表现出明显的枝晶生产的特性，呈现为鱼骨状。图5(b)为沉积层中冷裂纹区域的放大图，多层多道的激光扫描增大了热输入，在过大的热输入和钛合金相对较差的导热性双重影响下易使基板发生变形，产生内应力，在随后的冷却过程中发生开裂形成裂纹。解决方法是通过去应力退火方式消除内应力，防止此类裂纹的产生[12]。此外在多层沉积试样中有少量偏析的情况出现，如图4顶部以及图5(c)中都观察到了粗大α块。由于此类位置出现α稳定元素富集与偏析，在富集处α相首先析出，并沿晶界向晶内生长，从而形成了偏析引起的大块α相的出现。图5(d)为图5(c)的进一步放大图，从图中我们可以发现多层沉积试样中的针状α′相相对于单层沉积试样而言数量与长宽比都有所减小；针状α′相之间的片层状α与短条α数量增多。图5(e)为多层沉积试样中较为典型的由交错的片层α构成的魏氏组织，相比单层沉积试样，这一类组织在多层沉积试样中的含量大大减少，仅在沉积层与界面处有少部分存在。图5(f)为多层沉积试样中典型的网篮组织，原始的晶界基本破碎，α与晶间的β小片呈现短且歪扭的形状并具有较小的纵横比；由于各α集束交错排列，在多层沉积试样中此类组织出现的相对更多。

图5 多层沉积层中典型显微组织Figure 5 Typical microstructure in multi-layer deposited sample

3 结论

课题组采用电阻点焊预置TC4金属条后激光扫描的方式，实现了基于预置TC4线材的单层与多层激光沉积，并对沉积层的组织进行了研究，得到以下结论：

1) 沉积层中组织主要为长针状α′相，条状α相及晶间β，多层的堆叠增大了组织中条状α相枝晶生长的趋势，也极大地减小了沉积层中魏氏组织的含量。

2) 在组织上A2试样更佳，但也存在少量的裂纹与气孔。原因是在多层沉积放大了试样表面起伏，气孔容易在表面凹陷较大处出现；而成型过程中多道多层的激光扫描提升了热输入量，在冷却过程容易形成较大的内应力使工件开裂，在实际生产中应注意防控此类问题。

本研究中降低了激光沉积技术对设备及材料的要求，显著降低了生产成本，对于工业化生产中中型和大型零部件的激光沉积制造有积极影响和重要意义。在此研究的基础上可进一步研究如工艺参数对组织及性能的影响，或是预置不同成分与形状的金属条以实现梯度材料的制造。