激光3D打印工艺对TC4钛合金材料质量的影响

1、激光 3D 工艺的应用现状及其发展

目前，激光 3D 打印工艺已经在很多领域得到了有效的推广与应用，作为一种新型的技术，该工艺可以被应用于承受大荷载实体金属零件的快速成型、复杂形状与大体积制造缺陷的修复、误加工损伤的修复等多个领域。在激光 3D 打印工艺的应用中，原材料粉末的存在为快速成型提供了物质条件。激光成形的过程中，3D打印设备是核心设备。通过该设备，合金粉末能够被激光加以快速熔化、凝固，随后随着材料的累加成型。制粉工艺与粉末特征是影响激光 3D 打印制件性能的重要因素[1]。近年来，我国的激光 3D 打印技术已经取得了一定的发展成果，但是其发展水平还远远落后于发达国家，尤其是在粉末原料的生产、新材料的开发方面，其技术水平相对落后、产业化不足、粉末原料制备技术落后都是制约我国激光 3D 打印技术发展与应用的重要因素。现阶段，我国国内激光 3D 打印技术中所使用的钛合金金属粉末原料多依赖于进口，严重阻碍了技术的快速发展。

钛合金材料在航空航天领域的应用相对较多，比如各类飞机的制造、航天器的制造等。近年来，随着激光3D 打印工艺的快速发展，钛合金的需求量逐年增加。激光 3D 打印技术在大型复杂钛合金构件的成形方面有着较大的技术优势，尤其是随着我国航空航天事业的发展，用激光 3D 打印工艺来进行高性能钛合金构件的成形更是具有良好的发展前景。比如，以 TC4 钛合金为例，由于其本身具有强度高、耐高温、抗氧化的特性，在航空航天事业中的应用较为普遍。随着航空航天事业的快速发展，钛合金构件轻量化将是未来发展的主要方向，而传统的制造方法下，存在效率低下、成本较高的劣势，其复杂构件难以保障成形效果，而激光 3D 打印工艺的应用恰好有效解决了这些问题[2]。激光 3D 打印工艺的应用中，工艺参数将直接影响钛合金成形的质量以及构件的性能，因此，必须进行工艺参数的科学设置，保障钛合金成形质量。

2、 试验设备与方法

要详细了解激光 3D 打印工艺对钛合金质量的直接影响，可以进行相应的试验，获得定量化的影响结果。

以 TC4 钛合金材料为研究对象，选用 LDW-8060 设备为打印设备。该设备内主要由 4kW 光纤耦合半导体激光器、四路送粉 3D 打印头、气载式送粉器、氩气工作仓 + 净化系统、水冷机等部分组成。激光 3D 打印工艺参数的正交试验结果如表 1 所示。

TC4 基板采用钛合金材料，为保障试验结果的可靠性，在正式的试验开始之前，相关人员需首先对该基板进行必要的打磨处理，随后使用丙酮来擦拭，避免基板上存在各种油污等杂质。TC4 钛合金粉末的粒度范围为75 ～ 120µm，由于其化学成分的特殊性，在试验之前，首先将 TC4 粉末放于惰性气体加热器中，在 200℃的温度条件下进行烘干处理，该处理过程主要是为了及时去除粉末中多余的水分。当获得激光 3D 打印制造的块体以后，实施线切割处理，其制备尺寸为 15mm×10mm×10mm 的单道金相试样以及 Z 方向和 XY 方向向拉伸试样，其拉伸试样如图 1 所示。

利用砂纸对金相试样进行相应的研磨、抛光处理，随后利用 Kroll 腐蚀液对其加以腐蚀处理，腐蚀时间维持在 0.5min 左右。随后，利用蔡司 ZX-10 型金相显微镜、SU8010 型场发射扫描电子显微镜来进行金相试样组织的具体分析，使用电子万能试压机进行试样力学性能的检测。

3、 试样结果与数据分析

试样结果如表 2 所示。根据熔合比指标，3、6、7号的熔合比相对较小。根据其最终的单道 3D 打印层外观，在 3 号试样表面，存在着大量的粘粉，这种情况可能是激光功率不够造成的；6 号与 7 号试样中的 3D 打印层外观相对较好，而且其熔合比都略微高于 3 号试样。从 3、6 与 7 号试样的总体来看，7 号试样的送粉量相对较多。因此，相比较而言，7 号试样的相关参数更为合理。在本次试验中，有关人员能够充分获得单道 3D 打印层的横截面组织情况。根据每个试样的呈现结果，有关人员直接进行熔深与余高的测量，当获得这些参数以后，依旧熔合比的计算公式，能够有效进行各个试样熔合比的精确计算。根据所计算的熔合比，可得出在试验过程中基板材料对 3D 打印层的影响大小，即在熔合比越小的情况下，基板材料对打印层的影响越小，越能够保障打印质量[3]。

4、 激光 3D 打印对钛合金质量的影响

4.1 显微组织

根据此次试验，能够直接获得激光 3D 打印工艺下TC4 钛合金的显微组织图。根据相应的试验分析，在高温条件下，粗大的 β 柱状晶基本上可以与 3D 打印方向保持垂直方向，且此种条件下柱状晶宽度仅仅为 0.5mm左右。此外，通过深入分析可知，柱状晶线先析出 α 相，其表现为棒状分布的状态。随着试验的继续，柱状晶内逐步析出大量片层 α 相、少量片层 α 魏氏板条相、短棒状 α 相。其中，α 魏氏板条相呈现出细长的结构形态，其长度较大，尖端基本上不存在球化现象，主体沿着晶界向晶内生长，呈现集束状形态。短棒状 α 相的出现主要是在激光 3D 打印技术的应用过程中，先析出与后析出的 α 相都逐步在长大，由于生长方向的差异性，不同方向上的 α 相在相互接触以后会立即停止生长，这种情况下对一些 α 相起到了重要的抑制作用，最终形成了短棒状 α 相。激光 3D 打印技术条件下，柱状晶组织的存在将会影响钛合金的拉伸性能。一般情况下，沿着柱状晶生长方向的钛合金拉伸性能相对较好[4]。

4.2 室温拉伸性能

在本次试验中，只有当工艺参数最优的情况下，室温拉伸性能才能够符合相应的标准。在本试验中，其最佳的工艺参数为激光输出功率 1900W、扫描速度700mm/min、 送 粉 量 10g/min。 此 条 件 下， 能 够 获 得TC4 钛合金试验的室温拉伸性能结果。根据对试验结果的分析，可以得出：钛合金 Z 方向的拉伸塑性相对要高于 XY 方向，但是 Z 方向的屈服强度、拉伸强度都远远低于 XY 方向。从激光 3D 打印工艺的实际应用来看，TC4钛合金的强度符合国家的相关标准与要求，且 Z 方向的塑性指标远远优于 TC4 钛合金构件的标准，而 XY方向的塑性指标相对较差[5]。

从根本上来看，激光 3D 打印工艺所制造出的 TC4钛合金构件在 Z 方向上的塑性相对较好，这主要是由晶粒生长方向、组织形态所决定的。由于在 Z 向晶粒的生长方向大致与 3D 打印方向垂直，而柱状晶粒组织的形态使得在 3D 打印条件下，存在于晶粒与晶粒之间的晶界能够始终与拉伸方向保持平行状态，最大程度上减小了位错运动的阻力。XY 方向钛合金的拉伸方向始终与晶界垂直，基本上不会存在位错运动，使得此方向上的强度相对较高，而塑性相对较小。

4.3 室温拉伸断口

根据此次试验，能够最终获得激光 3D 打印层分别在 Z 方向与 XY 方向的拉伸试样断口形态，根据最终的呈现结果来看，3D 打印条件下，钛合金在 Z 方向、XY方向上的断口都表现为不满韧窝、塑性断口的形态。总之，激光 3D 打印工艺虽然是一种有效的工艺技术，尤其是在钛合金构件的制造方面。但要想充分发挥激光 3D 打印工艺的应用效果，则在实际的应用过程中，相关人员必须从钛合金构件的性能、质量要求着手，对激光 3D 打印工艺的相关参数加以必要的优化与处理，保障其工艺参数能够符合钛合金处理的质量要求，发挥激光 3D 打印工艺在钛合金快速成型、控制成本、提高效率方面的技术优势，保障钛合金构件的性能。

5、 结束语

近年来，随着我国工业与城市的快速发展，各种技术不断进步，在钛合金材料的应用方面，激光 3D 打印工艺是一种有效的处理技术，能够在钛合金构件的质量控制、性能优化方面发挥重要的作用。但是，在实际的工艺应用中，相关人员需结合钛合金构件的质量标准与要求，对 3D 打印工艺的参数进行优化，最大程度达到技术应用的理想效果。

参考文献：

[1] 李海亮, 贾德昌, 杨治华, 等. 选区激光熔化3D 打印钛合金及其复合材料研究进展[J]. 材料科学与工艺,2019,27(2):1-15.

[2] 刘占起, 徐国建, 王蔚, 等. 激光3D 打印工艺对钛合金质量的影响[J]. 沈阳工业大学学报,2020,42(1):57-62.

[3] 周宇羚, 单等玉, 王争飞, 等. 激光抛光3D 打印钛合金板的机理及工艺研究[J]. 应用激光,2019,39(4):621-627.

[4] 高健, 刘立彬, 贺韡, 等. 航空钛合金零件激光选区熔化3D打印技术应用的关键基础研究[J]. 航空制造技术,2018,61(Z2):87-90+95.

[5] 李传涛.3D 打印技术在航空铝合金薄壁零件上的应用[J].机电信息,2019,585(15):86-87.

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