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     采用激光選區(qū)熔化技術(shù)制備Ti6Al4V合金，通過正交試驗方法研究了激光功率、掃描間距和鋪粉厚度對合金致密性的影響，并探討了孔隙缺陷的形成機理。結(jié)果表明：鋪粉厚度對成形合金相對密度的影響最大，掃描間距次之，激光功率的影響最小；合金的相對密度隨激光功率的增加先增大后趨于穩(wěn)定，隨掃描間距和鋪粉厚度的增加而減小，隨體能量密度的增加而增大；最優(yōu)工藝為激光功率200W、掃描間距0.10mm、鋪粉厚度0.03mm，此時合金的相對密度為99.24%合金內(nèi)部存在氣孔和匙孔兩種孔隙，前者主要由熔池內(nèi)部較高的溫度梯度造成設(shè)備內(nèi)部的惰性氣體、粉末蒸氣等未及時逸出所導(dǎo)致，后者主要由工藝參數(shù)不當(dāng)，熔池發(fā)生球化效應(yīng)以及皺縮效應(yīng)所引起。

1 試樣制備與試驗方法

     試驗材料為上海3D打印材料工程技術(shù)研究中心通過電極感應(yīng)熔煉氣霧化法生產(chǎn)的Ti6Al4V合金粉末，經(jīng)過篩分分級處理后取粒徑在15~53μm的粉末用于SLM成形，粉末中值粒徑為30.8μm，具體微觀形貌見圖1。

     成形前將Ti6Al4V合金粉末在干燥箱中于120℃烘干2h。試驗基板選用厚度為45mm的純鈦板，表面經(jīng)吹砂處理后用酒精清洗?；谇捌谘芯拷Y(jié)果，并按照L9(34)正交表選取9組工藝參數(shù)，采用工業(yè)級3D打印機進(jìn)行Ti6Al4V合金的SLM 成形，成形前向設(shè)備中填充保護(hù)氣體氬氣；熱源為Yb-fibre光纖激光器，最大激光功率為400W，掃描速度為1200mm·s-1，光斑直徑為100μm，采用之字形掃描策略，層間夾角為67°，成形件尺寸為?10mm×14mm，各組均成形3個平行試樣以減少試驗誤差。激光體能量密度E計算公式如下：

     SLM成形工藝參數(shù)及計算得到的體能量密度如表1所示。

表1 Ti6Al4V合金的SLM成形工藝參數(shù)

     使用線切割機將成形件與基板分離，采用阿基米德排水法測成形件的相對密度。使用320#，600#，1000#，1500#，2000#金相砂紙依次對成形件的線切割表面進(jìn)行打磨，經(jīng)金剛石拋光液拋光后，用體積比85∶10∶5的水、硝酸、氫氟酸配制的溶液腐蝕10s，采用光學(xué)顯微鏡(OM)觀察成形件缺陷形貌。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 激光工藝參數(shù)對相對密度的影響

表2 SLM成形Ti6Al4V合金相對密度的正交試驗結(jié)果

     由表2可以看出，當(dāng)激光功率為250W，掃描間距為0.15mm，鋪粉厚度為0.03mm，即體能量密度為46.3J·mm-3時，所得成形件的相對密度最大，達(dá)到99.00%。結(jié)合表1可知，隨著激光體能量密度的降低，成形件的相對密度下降，當(dāng)體能量密度為6.94J·mm-3時，成形件的相對密度最低，僅為88.51%。在Ti6Al4V合金SLM成形過程中，鋪粉厚度對成形件相對密度的影響最大，掃描間距次之，激光功率的影響最小。Ti6Al4V合金的最優(yōu)SLM成形工藝為激光功率200W、掃描間距0.10mm、鋪粉厚度0.03mm，此時的體能量密度為55J·mm-3，采用最優(yōu)工藝進(jìn)行SLM成形，所得成形件的相對密度為99.24%。由圖2可以看出，隨著激光功率的增加，成形件的相對密度先增大后趨于穩(wěn)定，隨著掃描間距和鋪粉厚度的增加，成形件的相對密度呈下降趨勢。

     由圖3可以看出：當(dāng)激光功率為150W，掃描間距為0.20mm，鋪粉厚度為90μm時，成形件表面鍥狀孔隙(匙孔)數(shù)量較多，匙孔內(nèi)部存在較多未熔化的粉末顆粒，此時匙孔主要是因為粉末的不充分熔化造成，較低的激光功率不足以充分熔化較厚的粉末床，導(dǎo)致熔池深度較淺，此時在表面張力的影響下，熔池浸潤性較差，粉末成形性變差，從而導(dǎo)致成形件的致密性下降；當(dāng)激光功率提高到200W，掃描間距降低至0.15mm時，成形件表面匙孔的數(shù)量明顯減少，表面成形質(zhì)量顯著提高，這是因為隨著激光功率的提高，粉末吸收足夠的熱量而充分熔化，熔池的長度、寬度和深度增加，粉末層間結(jié)合能力變強，成形件表面質(zhì)量提高，相對密度增大；當(dāng)激光功率為200W，掃描間距為0.10mm，鋪粉厚度為0.06mm時，成形件的表面質(zhì)量較好，該成形件表面平整，匙孔基本消失，這是由于隨著鋪粉厚度的降低，僅需較小的激光功率便可將合金粉末完全熔化，熔體浸潤性好，成形件表面平整，粗糙度小，且具有較高的致密性；繼續(xù)增大功率到250W后，成形件孔隙數(shù)量增加，且孔隙為接近圓形或橢圓形的氣孔，尺寸相較于匙孔較小，此時成形件的相對密度降低。

2.2 孔隙形成機理

     SLM成形Ti6Al4V合金中存在著2種孔隙，分別為氣孔和匙孔。氣孔呈圓形或橢圓形，直徑在1~100μm之間，在成形件中隨機分布，如圖4所示。氣孔的產(chǎn)生主要由SLM成形工藝參數(shù)與氣體因素共同決定，工藝參數(shù)包括激光掃描速度、激光功率與光斑直徑等，氣體因素則包括成形前激光選區(qū)熔化設(shè)備中填充的氮氣、氬氣等惰性氣體，金屬蒸氣以及合金粉末中的氧，雖然粉末的氧含量較低(一般質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.15%)，但也會對粉末的成形性產(chǎn)生影響。在SLM成形過程中，高功率的激光使熔池內(nèi)部產(chǎn)生較高的溫度梯度，設(shè)備中的部分惰性氣體或合金粉末蒸氣未來得及逸出便被熔池捕獲，從而在成形件內(nèi)部形成直徑較小的氣孔，進(jìn)而影響成形件的致密性。

     由圖5可以看出，匙孔呈現(xiàn)楔狀或帶狀，尺寸比氣孔大，其內(nèi)部存在大量未熔化的合金粉末，未熔粉末簇?fù)碓谝黄鹦纬煞勰﹫F(tuán)，嚴(yán)重影響合金成形質(zhì)量。匙孔的形成與SLM成形過程中涉及的復(fù)雜熱物理變化息息相關(guān)。在高能量激光束作用下，合金粉末吸收大量的熱量，溫度急速升高并超過熔點后即發(fā)生熔化形成熔池。若部分下層粉末未充分熔化，則熔池內(nèi)部會發(fā)生球化效應(yīng)和皺縮效應(yīng)，合金內(nèi)部就會形成匙孔。匙孔的產(chǎn)生主要與SLM工藝參數(shù)選取不當(dāng)有關(guān)。當(dāng)激光功率較低時，此時的激光能量不足以完全熔化合金粉末，或者當(dāng)鋪粉厚度過大時，激光無法將粉末完全熔化，均會導(dǎo)致成形件中形成匙孔。

3 結(jié)論

     (1) 在Ti6Al4V合金SLM成形過程中，鋪粉厚度對成形件相對密度的影響最大，掃描間距次之，激光功率的影響最?。怀尚渭南鄬γ芏入S激光功率的增加先增大后趨于穩(wěn)定，隨掃描間距和鋪粉厚度的增加而逐漸減小，隨體能量密度的增加而增大；根據(jù)正交試驗得到最優(yōu)工藝組合為激光功率200W、激光掃描間距0.10mm、鋪粉厚度0.03mm，此時成形件的相對密度為99.24%。

     (2) SLM成形Ti6Al4V合金內(nèi)部存在氣孔和匙孔兩種孔隙；氣孔主要由熔池內(nèi)部較高的溫度梯度造成設(shè)備內(nèi)部的惰性氣體、粉末蒸氣等未及時逸出所導(dǎo)致，匙孔主要由工藝參數(shù)不當(dāng)，熔池發(fā)生球化效應(yīng)以及皺縮效應(yīng)所引起。

引用本文：

 

趙金猛，盧林，王靜榮，等.工藝參數(shù)對激光選區(qū)熔化成形Ti6Al4V合金致密性的影響[J].機械工程材料，2022，46（8）：100-104.