真空环境下TC4激光熔丝增材制造工艺实验研究

刘海涛，王星

真空环境下TC4激光熔丝增材制造工艺实验研究

刘海涛1*，王星2

（1.西安工业大学 机电工程学院，西安 710021；2.西安科技大学 机械工程学院，西安 710600）

针对TC4金属增材制造制备的零件质量差的问题，研究真空环境下不同工艺参数对TC4激光熔丝增材制造的影响规律。通过单因素单道工艺实验，研究激光功率、扫描速度、送丝比等工艺参数对单道沉积层形貌、宽度和高度的影响。当激光功率小于230 W时，得到的单道表面形貌较为良好，熔覆层与基板区域结合较好，而当激光功率大于230 W时，则会在初始段产生鱼鳞状缺陷。随着激光功率从150 W增大到230 W，单道截面宽度从0.582 mm增大到1.123 mm，增大了93.0%。单道截面高度从0.443 mm降低到0.351 mm，降低了20.8%。当扫描速度小于1.5 mm/s时，单道表面也出现了“鱼鳞”状结构，导致质量下降；当扫描速度从1 mm/s增大到5 mm/s时，单道横截面宽度从1.003 mm降低至0.887 mm，降低了11.6%，而单道横截面高度则从0.332 mm增大至0.353 mm，只增大了6.32%。在不同送丝比情况下，单道表面形貌都较为良好，且随着送丝比从1增大至3，单道沉积层的高度从0.308 mm增大至0.465 mm，增大了51.0%。激光功率是影响单道沉积层表面形貌和横截面宽度的重要因素，而扫描速度对横截面宽度和高度的影响幅度都很小，其影响程度远不如激光功率显著，送丝比只对单道沉积层的高度影响显著。

激光熔丝；增材制造；工艺实验；沉积层形貌

金属熔丝增材制造因设备简单、成本低、材料利用率高、无污染等特点而备受关注[1-3]，而TC4钛合金具有高刚度、高强度和耐腐蚀等优良特性，在航空、航天等领域广泛应用[4-6]。因此，基于熔丝的TC4增材制造成为了研究热点[7-9]。

与基于粉末的工艺相比，金属熔丝增材制造工艺更为复杂，往往存在尺寸精度难以控制、制备零件表面粗糙度差的问题。相关研究发现，金属激光熔丝沉积几何特征，如沉积层单道宽度、高度、润湿角等，与激光功率、扫描速度以及送丝比等工艺参数有着复杂的关系[10-16]。因此，必须对其工艺过程进行研究，以提高制备零件的质量。

1 TC4熔丝增材制造工艺实验装置

TC4金属熔丝工艺实验的原理和装置图如图1所示，该装置主要包括真空舱、激光器、送丝机构、运动平台以及检测系统等模块。丝材通过送丝机构按照一定的速度进入高功率激光束的作用区域，丝材受热熔化，熔化的金属过渡到基板的熔池区域，最终通过层层堆叠快速形成高致密性、高性能的大型复杂金属零件。

实验使用的金属丝和基板材料为TC4钛合金，丝材的直径为0.5 mm，基板尺寸为120 mm×120 mm× 10 mm。TC4化学成分如表1所示。

2 单因素单道增材制造工艺实验

单层单道是实现增材制造的基础，其成形质量直接影响下一道或下一层的成形，因此，研究单层单道的成形和控制机理至关重要。本文在高真空环境下，采用激光熔丝增材制造技术进行单层单道成形实验，主要研究激光功率、扫描速度以及送丝比（送丝速度与扫描速度的比值）对单层单道成形形貌、成形截面尺寸的影响。

2.1 激光功率

激光功率的大小会影响激光输入到熔覆道能量的大小，激光输入能量将影响熔池和钛合金丝材的熔化。因此，激光功率最终会影响熔覆道表面和截面形貌。为了探究激光功率对单道成形的影响，在其他参数（扫描速度为2 mm/s，送丝比为1.25）不变的情况下，只改变激光功率的大小进行单道扫描。

图1 TC4金属熔丝增材制造工艺实验原理和装置图

表1 TC4化学成分

不同激光功率下单道成形单元的表面形貌如图2所示。可以看出，当激光功率小于230 W时，打印单道的表面形貌较为良好。当激光功率为230 W时，打印起始段出现了缺陷，表面出现了类似“鱼鳞”的结构，液桥过渡不平稳，质量较差。

不同激光功率下单道横截面图如图3所示。可以看出，当激光功率为190～230 W时，熔覆层与基板区域相对结合较好。但较大的激光功率会造成基板热影响区较大，当激光功率为230 W时，基板热影响区深度为0.697 mm。而当激光功率为150 W时，基板热影响深度仅为0.464 mm。在后期打印过程中，过大的热影响区域会造成热积累严重，前几层重熔严重，影响打印样件的表面质量。

单道横截面高度以及宽度尺寸随激光功率的变化曲线如图4所示。可以看出，单道横截面宽度随激光功率的增大而增大，单道横截面高度随激光功率的增大而减小。随着激光功率从150 W增大到230 W，单道截面宽度从0.582 mm增大到1.123 mm，增大了93.0%；单道截面高度从0.443 mm降低到0.351 mm，降低了20.8%。

2.2 扫描速度

扫描速度是指基板相对激光束的运动速度，扫描速度与激光功率共同决定了成形过程中的线能量密度，最终影响成形质量的好坏，同时也决定了沉积效率。为了探究扫描速度对单道成形的影响，在其他参数（激光功率为200 W，送丝比为1.25）不变的情况下，工艺实验只改变扫描速度进行打印。

图2 激光功率对单道表面形貌的影响

图3 激光功率对单道横截面影响

图4 单道横截面高度以及宽度随激光功率的变化曲线

不同扫描速度下的打印表面形貌如图5所示。可以看出，所有情况下打印单道的表面形貌都较为良好，但当扫描速度小于1.5 mm/s时，表面也出现了和大功率情况一样的类似“鱼鳞”的结构。此时线能量密度较大，液桥过渡不平稳。

各扫描速度下单道横截面图如图6所示。可以看出，当扫描速度为1 mm/s时，相对结合较好，但其热影响区较大。当扫描速度大于1.5 mm/s时，基板热影响区深度从0.627 mm减小到0.498 mm，降低了20.6%。

图5 扫描速度对单道表面形貌的影响

单道横截面宽度以及高度随扫描速度的变化曲线如图7所示。可以看出，随着扫描速度的增大，横截面宽度逐渐降低，高度逐渐增大，二者变化的幅度都很小。当扫描速度从1 mm/s增大到5 mm/s时，单道横截面宽度从1.003 mm降低至0.887 mm，降低了11.6%，而单道横截面高度从0.332 mm增大至0.353 mm，增大了6.32%。因此，与激光功率对横截面尺寸的影响进行比较可以发现，激光功率对横截面尺寸的影响更加显著。

图6 扫描速度对单道横截面影响

图7 单道横截面宽度以及高度随扫描速度的变化曲线

2.3 送丝比

送丝比是送丝速度与扫描速度的比值，它决定了单位长度（时间）送入熔池中丝材的质量。当送丝比过大时，熔池无法及时熔化送进的丝材，丝材将顶在基板上并发生变形，造成最终成形失败。当送丝比过小时，送进的丝材末端无法与熔池形成稳定的液桥过渡，丝材将会在未进入熔池前被激光辐射热量熔化，形成小球。为了研究送丝比对成形的影响，在其他参数（激光功率为200 W，扫描速度为2 mm/s）不变的情况下，只改变送丝比的大小进行打印。

不同送丝比下的打印单道表面形貌如图8所示。可以看出，在不同送丝比情况下，单道表面形貌都较为良好，表面光滑，无明显缺陷，说明激光器输入熔池的能量足以熔化所有丝材，成形过程较为平稳。

不同送丝比下的单道横截面图如图9所示。可以看出，不同参数下熔池的热影响区并无明显区别，说明丝材的添加对熔池温度分布无影响。随着送丝比的增大，送入熔池中丝材的质量逐渐增大，横截面的面积逐渐增大。

图8 送丝比对单道表面形貌的影响

图9 送丝比对单道横截面影响

横截面宽度以及高度随送丝比的变化曲线如图10所示。可以看出，在不同送丝比情况下，横截面宽度无明显差异，宽度均值为0.938 mm，标准差为0.025 mm。这主要是由于沉积层的宽度会受到熔池宽度的影响，而送丝比对熔池形状几乎无影响，因此沉积层宽度也不会有较大差异，丝材质量的增大主要体现在沉积层高度方向上。随着送丝比从1增大至3，单道沉积层的高度从0.308 mm增大至0.465 mm，增大了51.0%。

图10 单道横截面宽度以及高度随送丝比的变化曲线

3 结论

对真空环境下TC4激光熔丝增材制造工艺进行了实验研究，研究了激光功率、扫描速度以及送丝比等因素对单道沉积层形貌、横截面的影响规律，得到的主要结论如下：

1）当激光功率小于230 W时，得到的单道表面形貌较为良好，而当激光功率为230 W时，单道起始段出现了缺陷，且表面出现了“鱼鳞”结构；当激光功率为190～230 W时，熔覆层与基板区域相对结合较好，但较大功率会造成基板热影响区较大。

2）当扫描速度小于1.5 mm/s时，表面也出现了“鱼鳞”结构；扫描速度对横截面宽度和高度的影响幅度都很小。

3）在不同送丝比情况下得到的单道表面形貌都较为良好，表面光滑，无明显缺陷，成形过程较为平稳，不同参数下熔池热影响区并无明显区别；随着送丝比的增大，送入熔池中丝材的质量逐渐增大，横截面的面积逐渐增大，主要体现在沉积层高度方向上。

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Experimental Study on TC4 Laser Wire-based Additive Manufacturing Process in Vacuum Environment

LIU Hai-tao1*, WANG Xing2

(1. School of Mechatronic Engineering, Xi'an Technological University, Xi’an 710021, China; 2. College of Mechanical Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710600, China)

In order to solve the problems of poor quality of parts prepared based on TC4 metal additive manufacturing, the work aims to study the effect of different parameters on TC4 laser wire-based additive manufacturing process in vacuum environment. Through single factor and single track process experiment, the effects of process parameters such as laser power, scanning speed, and wire feeding ratio on the morphology, width, and height of the single track deposition layer were studied. When the power was less than 230 W, the surface morphology of the single track obtained was relatively good, and the bonding between the cladding layer and the substrate area was in good condition. If the power was greater than 230 W, fish scale defects occurred in the initial stage. As the laser power increased from 150 W to 230 W, the width of the single track increased from 0.582 mm to 1.123 mm, with an increase of 93.0%. The height of the single track decreased from 0.443 mm to 0.351 mm, with a decrease of 20.8%. When the scanning speed was less than 1.5 mm/s, the surface quality decreased due to the defect of fish scale structure, which resulted in a decrease in surface quality. When the scanning speed increased from 1 mm/s to 5 mm/s, the width of the single track decreased from 1.003 mm to 0.887 mm, only decreasing by 11.6%, while the height of the single track increased from 0.332 mm to 0.353 mm, with an increase of only 6.32%. The surface morphology of the single track under different wire feeding ratios was in good quality without obvious defects, and as the wire feeding ratio increased from 1 to 3, the height of the single track deposition layer increased from 0.308 mm to 0.465 mm, with an obvious increase of 51.0%. Laser power is an important factor affecting the surface morphology and the width of a single track deposition layer, while the scanning speed has a small impact on the width and height, and its impact is far less significant than that of laser power. The wire feeding ratio only has a significant impact on the height of single track deposition layer.

laser wire-based; additive manufacturing; process experiment; morphology of deposition layer

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.011.011

TG44

A

1674-6457(2023)011-0100-07

2023-09-04

2023-09-04

西安市科技计划（21ZCZZHXJS-QCY6-0002）

Xi’an Science and Technology Plan (21ZCZZHXJS-QCY6-0002)

刘海涛, 王星. 真空环境下TC4激光熔丝增材制造工艺实验研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 100-106.

LIU Hai-tao, WANG Xing. Experimental Study on TC4 Laser Wire-based Additive Manufacturing Process in Vacuum Environment[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 100-106.

通信作者（Corresponding author）

责任编辑：蒋红晨