激光选区熔化TA15材料缺陷分布研究

顾晓春，程爽爽，宋国华，2，王帅，李婷

1.北京星航机电装备有限公司 北京 100074 2.航天增材科技（北京）有限公司 北京 100074

1 序言

增材制造技术相对于传统制造技术，具有材料利用率高、制造周期短、易成形复杂结构等优势，尤其适合于航空航天复杂金属构件的快速制造[1-3]。激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）技术是目前在航空航天领域广泛应用的一种增材制造技术，欧洲空客公司和北京卫星制造厂等已在其相关产品上应用了采用SLM技术成形的构件[4，5]。

由于SLM成形过程涉及复杂的物理化学过程，成形件内部难以避免地会存在缺陷，如裂纹、气孔、未熔合等。国内研究人员对SLM成形件的缺陷成因、影响因素及如何避免缺陷开展了大量研究[6-11]，有力地推动了SLM技术的成熟和广泛应用。对于SLM成形件的缺陷情况，已有涉及TA15材料的研究较少，且主要集中在缺陷类型及成因分析上，对于缺陷分布的研究较少。

本文基于实际SLM成形TA15构件的质量控制与改进需求，开展了激光选区熔化成形TA15材料缺陷分布研究，为SLM成形工艺的改进和产品质量验收条件的确定提供了支撑。

2 试样制备与分析方法

2.1 试样设计与制备

基于实际产品的几何尺寸，同时考虑实际产品主要为薄壁构件，以及SLM工艺已较为成熟，存在的缺陷主要是微小缺陷，因此需要采用金相显微镜对缺陷进行分析。本文设计了0.6mm、1.0mm和1.5mm3种厚度，尺寸均为15mm×15mm的试样，每种规格的试样制备5件。

采用的TA15粉末粒度为15～53mm，粉末为球形粉末，球形度93%，粉末化学成分见表1。采用实际产品的工艺参数进行SLM成形，具体见表2。为尽可能保证分析试样与实际产品的一致性，分析试样与实际产品一同随炉制备。

表1 TA15粉末化学成分（质量分数） （%）

表2 SLM成形工艺参数

2.2 分析方法

基于实际产品的情况，本文重点关注缺陷在增长方向和厚度上的分布情况，为此选取了3个具有代表性的截面进行缺陷分布分析，如图1所示。3个截面分别标记为截面A（试样表层，距表面0.2～0.3mm）、截面B（距表面约Y向尺寸的1/4处）、截面C（距表面约Y向尺寸的1/2处）。

图1 缺陷分析截面示意

采用扫描电镜进行缺陷分析，相比光学显微镜，扫描电镜具有以下优势。

1）扫描电镜景深长，放大倍数更高且调节方便，载物台可以旋转及倾斜，能够更好地对缺陷清晰成像，从而便于全面、准确地观察和判断缺陷的情况，特别是对于本研究所用试样而言，缺陷尺度为几微米到几十微米量级，对缺陷清晰成像的要求很高，图2和图3分别为同一个缺陷的扫描电镜和光学显微镜照片，可见扫描电镜的成像效果远好于光学显微镜，扫描电镜可以对缺陷表面和内部同时清晰成像，而金相显微镜则只能对缺陷表面（见图3a）和内部（见图3b）分别成像，且对于缺陷内部的成像效果较差。

图2 某缺陷的扫描电镜照片

图3 某缺陷的光学显微镜照片

2）对于缺陷的分布研究而言，缺陷位置信息非常重要，扫描电镜在观察缺陷的同时可以方便地对其位置参数进行测量，而光学显微镜在这方面远不及扫描电镜方便。

3 试样缺陷类型

为明确不同类型缺陷的分布情况，先对缺陷的类型进行了分析，发现试样内部主要存在气孔和未熔合两种缺陷，未发现裂纹、夹杂等其他缺陷。

根据气孔缺陷的形成原理[7，8]，因其体积为球形或类球形，故其在金相照片上主要表现为圆形（见图4a）或椭圆形（见图4b）。

图4 气孔缺陷

观察到的未熔合缺陷可以分为两种：一种是未熔合孔洞，如图5所示，可以看到缺陷内部表面光滑，表面呈现典型的金属流动形态；另一种是层间未熔合，其是相邻扫描线间的熔池未能有效搭接而形成的较大连续缺陷，典型的层间未熔合缺陷在二维尺度上一般具有较大的长宽比，如图6所示。

图5 未熔合孔洞

图6 层间未熔合

4 激光选区熔化成形TA15材料缺陷分布

采用扫描电镜对试样3个不同截面上的缺陷进行了观察。记录缺陷的类型和位置数据，由此绘制了缺陷的分布图。

4.1 0.6mm厚试样缺陷分布

5件0.6mm厚试样在3个截面上的缺陷分布情况分别如图7～图9所示，分析表明，其缺陷分布表现出以下规律。

图7 0.6mm厚试样在截面A上的缺陷分布

图8 0.6mm厚试样在截面B上的缺陷分布

图9 0.6mm厚试样在截面C上的缺陷分布

1）试样表面区域的缺陷数量明显多于试样内部的缺陷数量。

2）未熔合缺陷主要分布于试样表面区域，试样内部少有未熔合缺陷，即靠近表面区域的未熔合缺陷数量明显多于试样内部的未熔合缺陷数量。

3）气孔缺陷主要呈无规则的弥散分布，虽然未表现出明显的规律性，但分布于试样表面区域的气孔缺陷的数量略微占优。

4）缺陷的分布呈现一定的聚集性趋势，即缺陷的分布相对较为集中，大部分缺陷较为密集地分布于某些区域。

4.2 1.0mm厚试样缺陷分布

5件1.0mm厚试样在3个截面上的缺陷分布情况分别如图10～图12所示，分析表明，其缺陷分布规律与0.6mm厚试样的缺陷分布规律相同。

图10 1.0mm厚试样在截面A上的缺陷分布

图11 1.0mm厚试样在截面B上的缺陷分布

图12 1.0mm厚试样在截面C上的缺陷分布

4.3 1.5mm厚试样缺陷分布

5件1.5mm厚试样在3个截面上的缺陷分布情况分别如图13～图15所示。分析表明，其缺陷分布规律与0.6mm厚试样的缺陷分布规律相同。

图13 1.5mm厚试样在截面A上的缺陷分布

图14 1.5mm厚试样在截面B上的缺陷分布

图15 1.5mm厚试样在截面C上的缺陷分布

5 结束语

0.6mm、1.0mm、1.5mm共3种厚度的激光选区熔化成形TA15材料试样内部主要存在气孔和未熔合缺陷，不同厚度试样的缺陷均呈现相同的分布规律。

1）试样表面区域的缺陷数量明显多于试样内部的缺陷数量。

2）未熔合缺陷主要分布于试样表面区域，试样内部少有未熔合缺陷。

3）气孔缺陷主要呈无规则的弥散分布，但分布于试样表面区域的气孔缺陷数量略微占优。

4）缺陷的分布呈现一定的聚集性趋势。