金屬材料增材制造技術(shù)是基于離散—堆積原理的新型數(shù)字化成形技術(shù)，通過使用激光等熱源，將粉狀或絲狀的金屬材料熔化并逐層堆積“打印”金屬零件的制造技術(shù)[1-2]。激光金屬沉積（lasermetaldeposition，LMD）工藝是近來發(fā)展起來的一種很有前途的先進(jìn)增材制造技術(shù)。該工藝過程將粉材或絲材送入激光能量源形成的熔池中，熔覆在工件表面。LMD工藝能夠制造形狀非常復(fù)雜的零部件，可用于修復(fù)在過去被認(rèn)為是不可修復(fù)的或被丟棄的高價值零部件[3-5]，還可用于生產(chǎn)復(fù)合材料和功能梯度材料制成的零件[6-7]。

鈦及鈦合金（Ti、Ti6Al4V、Ti6Al7Nb等）具有比強(qiáng)度高、耐熱性好、耐腐蝕、生物相容性好等特點(diǎn)，是醫(yī)療器械、化工設(shè)備、航天航空及運(yùn)動器械等行業(yè)的理想材料[8-9]。鑒于鈦合金是典型的難加工材料，加工時的應(yīng)力大且溫度高，刀具損耗嚴(yán)重，阻礙了鈦合金的廣泛應(yīng)用。LMD技術(shù)非常適合用于鈦和鈦合金材料的制造，一是3D打印時，受保護(hù)的鈦不易與空氣中的元素反應(yīng)，微區(qū)局部快速升溫、降溫也降低了合金元素的揮發(fā)損耗；第二，復(fù)雜形狀的制品可以在不經(jīng)切割加工的情況下制成，粉材或絲材的高利用率大大降低了產(chǎn)品的制造成本[8-10]。

LMD工藝在金屬沉積過程中，工藝參數(shù)之間存在著高度交互作用，對性能起著重要作用。

Khodabakhshi等[11-12]基于LMD工藝研究了S316-L奧氏體和S410-L馬氏體不銹鋼的微觀組織特征、晶體織構(gòu)、拉伸性能，與奧氏體和馬氏體不銹鋼軋板進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：打印的馬氏體不銹鋼的抗拉強(qiáng)度顯著提高，但塑性降低。Mahamood等[13-14]基于LMD工藝研究了激光功率、掃描速率、粉末流速、氣體流速對沉積過程中Ti6Al4V合金微觀組織、維氏硬度和表面光潔度的影響，優(yōu)化了工藝參數(shù)，獲得了最佳的表面光潔度和更好的力學(xué)性能。

到目前為止，LMD工藝制備TC4鈦合金的報道較少，對制備工藝對打印件的微觀組織和缺陷的影響機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)探討的文獻(xiàn)更少。本文選用激光同軸LMD工藝制得TC4鈦合金，并探討了激光功率和掃描速率對于TC4鈦合金結(jié)構(gòu)、組織形貌和維氏硬度的影響機(jī)制，以期尋找出最佳的制備工藝參數(shù)，為優(yōu)質(zhì)的TC4打印件的生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1、試驗(yàn)材料及方法

圖1（a）為LMD工藝成型原理示意圖，主要由激光束發(fā)生系統(tǒng)、聚焦透鏡系統(tǒng)、送料和送氣系統(tǒng)構(gòu)成，在此技術(shù)中，激光束在發(fā)出并透過聚焦透鏡系統(tǒng)后，加熱被送料系統(tǒng)送入噴頭中的金屬粉末，金屬液滴逐層熔覆在鈦合金基板上形成制件。試驗(yàn)所用材料為氣霧法制備的Ti6Al4V合金球形粉材，如圖1（b）所示，粉材粒度均勻，直徑為100μm左右。采用JF-M2000R同軸打印機(jī)在氮?dú)獗Ｗo(hù)下打印試樣。制備試樣經(jīng)Kroll試劑（HF:HNO3:H2O的體積分?jǐn)?shù)比為1:3:50）腐蝕后采用光學(xué)顯微鏡（optical microstructure,OM）、掃描電子顯微鏡（scanningelectronmicroscope，SEM）及其自帶能譜儀（energydispersespectroscopy,EDS）對微觀組織和元素成分進(jìn)行表征。采用X射線衍射（X-raydiffractometer，XRD）分析樣品結(jié)構(gòu)，采用維氏硬度計測試樣品維氏硬度，加載500gf載荷15s，每個試樣測試5個點(diǎn)，取平均值作為最終顯微硬度。

2、結(jié)果與討論

2.1組織與結(jié)構(gòu)分析

LMD工藝制造的沉積態(tài)TC4鈦合金的三維形貌圖和XRD譜圖如圖2所示。由圖2（a）可見，沉積態(tài)TC4鈦合金樣品中，粉材垂直于掃描方向堆疊，不同熔覆層之間的界面結(jié)合處存在少量熔合不良的現(xiàn)象，該組織主要是柱狀晶，柱狀晶沿垂直于基板平面的方向穿透數(shù)個熔覆層生長。這是由于在激光增材制造過程中，柱狀晶首先于高溫度梯度的熔池底端形核并順著溫度梯度方向生長，該方向與堆疊方向基本相同，后一層的熔覆將重熔前層頂部，新熔池底部就是上一熔覆層柱狀晶的頂部，柱狀晶得以繼續(xù)外延生長。從圖2（b）中XRD譜圖中可以看出，沉積態(tài)TC4鈦合金以密排六方結(jié)構(gòu)的α相衍射峰為主，還存在少量體心立方結(jié)構(gòu)的β相衍射峰，無其他雜相衍射峰。

圖3為沉積態(tài)TC4鈦合金的SEM圖。從圖3中可以看出，沉積態(tài)TC4鈦合金的組織主要是典型的細(xì)針狀α相馬氏體[15-16]，原始β相內(nèi)部還發(fā)生相變析出形成亞結(jié)構(gòu)，該亞結(jié)構(gòu)大多為由無序的片層狀α相和晶界β相構(gòu)成的魏氏組織，而魏氏組織塑性較差，這也是為什么TC4鈦合金熱處理前塑形較差的原因[16-18]。部分樣品中甚至出現(xiàn)少量同向α相集束組織。

圖4為沉積態(tài)TC4鈦合金的SEM圖和對應(yīng)的EDS圖。由圖4可見，LMD生產(chǎn)的沉積態(tài)TC4鈦合金的元素主要是Ti、Al、V，其中Ti是主要成分元素，Al和V較少，未檢出其他雜質(zhì)元素。Al是TC4鈦合金的α相穩(wěn)定元素，能提高其相變溫度，對其在常溫和高溫下的強(qiáng)度和比重有顯著影響，V是合金中的β相穩(wěn)定元素，發(fā)揮著穩(wěn)定劑和強(qiáng)化劑的作用，有助于改善TC4鈦合金的延展性和塑性。較亮處的B點(diǎn)與較暗處的A點(diǎn)所含元素組成區(qū)別不大，亮處的Al含量稍高，Ti含量稍低。

2.2打印參數(shù)對組織的影響

2.2.1激光功率的影響

圖5為不同激光功率下的TC4鈦合金的OM圖。

掃描速率為700mm/min，粉盤轉(zhuǎn)速為3r/min，搭接步長為0.6mm。從圖5中可以看到，隨著激光功率的增加，TC4鈦合金的打印缺陷逐漸減少。在激光功率低于550W時（見圖5a、5b），晶粒之間存在一些孔隙和缺陷，還出現(xiàn)了少量的熔合不良現(xiàn)象。當(dāng)功率增到550W及以上時，魏氏組織明顯增多，孔隙、缺陷的數(shù)量和大小明顯減少，熔合不良現(xiàn)象明顯減少直至消失（見圖5c）。這可能是因?yàn)榉鄄暮突逦盏臒崃侩S著激光功率的增加而增加，金屬粉末熔化更充分，熔池的溫度和尺寸增大的同時，晶粒生長時間也延長，導(dǎo)致晶粒尺寸和熔覆層熔池尺寸都隨著功率的增大而增大，孔隙缺陷隨著功率的增加而減少。由于沉積態(tài)TC4鈦合金組織內(nèi)部結(jié)晶學(xué)取向具有差異，呈明暗更替生長的狀態(tài)，且隨著激光功率不斷增加，晶粒尺寸不斷增大[19]。

綜合比較后還發(fā)現(xiàn)，從圖5（c）中可以看出，在激光功率為550W時的組織較為均勻細(xì)小，主要組織是垂直于基板平面生長的柱狀晶，直徑為100～400μm，熔覆層沒有熔合不良的現(xiàn)象。這說明此時的熔池達(dá)到了熱穩(wěn)定狀態(tài)，溫度和尺寸較為穩(wěn)定，粉材能夠充分受熱熔化，晶粒也能得到充分生長。

2.2.2掃描速率的影響

圖6為不同掃描速率下的TC4鈦合金剖面的OM圖。激光功率為550W，粉盤轉(zhuǎn)速為3r/min，搭接步長為0.6mm。由圖6（a）可見，當(dāng)掃描速率為400mm/min時，層間熔合不良，部分熔覆層間還出現(xiàn)了斷續(xù)點(diǎn)狀的未熔合缺陷，這是由于激光對金屬粉末作用時間過長而產(chǎn)生了燒損[20]。隨著掃描速率的升高，柱狀晶的寬度逐漸減小，這是因?yàn)橹圃爝^程中的溫度梯度與掃描速率相關(guān)，掃描速率較小時，溫度梯度也較小，熔池各部分形核環(huán)境近乎一致，同步形核生成形狀近似的等軸柱狀晶，溫度梯度較小也使得柱狀晶的成長速度偏慢進(jìn)而造成柱狀晶相對粗大[18]。當(dāng)掃描速率低于600mm/min時，單位時間內(nèi)輸入了較大的熱量，單位面積熔覆的粉材也較多，從而導(dǎo)致熔覆層間距較大（見圖6a、圖6b）。

2.3力學(xué)性能分析

圖7為TC4鈦合金的維氏硬度壓痕照片和不同掃描速率下的平均維氏硬度。從圖7中可以看到，隨著掃描速率的增加，TC4鈦合金的維氏硬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。激光功率為550W，掃描速率為600mm/min時的平均維氏硬度達(dá)到了最大值409。掃描速率為700mm/min時，維氏硬度下降，是因?yàn)槭艿搅宋菏辖M織和熔合不良的影響。

3、結(jié)論

（1）沉積態(tài)TC4鈦合金的物相以密排六方結(jié)構(gòu)的α相為主，體心立方的β相含量較少，微觀組織主要是細(xì)針狀α相馬氏體組織。原始β相內(nèi)部發(fā)生相變析出形成了亞結(jié)構(gòu)，該亞結(jié)構(gòu)大多是由無序的片層狀α相、晶界β相構(gòu)成的魏氏組織。

（2）沉積態(tài)TC4鈦合金的微觀組織主要是柱狀晶，由于前一熔覆層頂部的重熔，柱狀晶沿垂直于基板平面的方向穿透數(shù)個熔覆層生長。

（3）隨著激光功率的增加，TC4鈦合金的晶粒尺寸不斷增大，孔隙缺陷減少。隨著掃描速率的升高，柱狀晶的寬度逐漸減小，熔覆層間距也逐漸減小，并且在掃描速率為400mm/min時，部分熔覆層間還形成了斷續(xù)點(diǎn)狀的未熔合缺陷。

（4）激光功率為550W、掃描速率為600mm/min、搭接步長為0.6mm時，TC4鈦合金的最高維氏硬度達(dá)到409。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ]馮曉甜. 送粉式激光增材制備 TC4 合金微觀組織及電化學(xué)腐蝕行為研究 [D]. 天津: 天津工業(yè)大學(xué), 2019.

[ 2 ]盧秉恒, 李滌塵. 增材制造 (3D 打印) 技術(shù)發(fā)展 [J]. 機(jī)械制造與自動化, 2013, 42(4): 1–4.

[ 3 ]GRAF B, GUMENYUK A, RETHMEIER M. Laser metal deposition as repair technology for stainless steel and titanium alloys[J]. Physics Procedia, 2012, 39:376–381.

[ 4 ]WANG W, PINKERTON A J, WEE L M, et al. Component repair using laser direct metal deposition[C]//Proceedings of the 35th International MATADOR Conference. London: Springer, 2007:345–350.

[ 5 ]MAHAMOOD R M, AKINLABI E T, OWOLABI M G.Laser metal deposition process for product remanufacturing[M]//GUPTA K. Advanced Manufacturing Technologies. Cham: Springer, 2017:267–291.

[ 6 ]MAHAMOOD R M, AKINLABI E T. Effect of laser power and powder flow rate on the wear resistance behaviour of laser metal deposited TiC/Ti6Al4V composites[J].Materials Today:Proceedings,2015,2(4/5): 2679–2686.

[ 7 ]SHISHKOVSKY I, MISSEMER F, SMUROV I. Metal matrix composites with ternary intermetallic inclusions fabricated by laser direct energy deposition[J]. Composite Structures, 2017, 183: 663–670.

[ 8 ]鞏建強(qiáng), 杜文強(qiáng), 張璐, 等. 經(jīng) SLM 打印成型的 TC4 合金熱處理研究 [J]. 應(yīng)用激光, 2020, 40(3): 404–408.

[ 9 ]周俊, 云忠, 湯曉燕, 等. 熱處理對激光選區(qū)熔融TC4 合金性能的影響 [J]. 金屬熱處理, 2018, 43(10):138–142.

[10]陳雙, 吳甲民, 史玉升. 3D 打印材料及其應(yīng)用概述 [J].物理, 2018, 47(11): 715–724.

[11]KHODABAKHSHI F, FARSHIDIANFAR M H,GERLICH A P, et al. Effects of laser additive manufacturing on microstructure and crystallographic texture of austenitic and martensitic stainless steels[J].Additive Manufacturing, 2020, 31: 100915.

[12]KHODABAKHSHI F, FARSHIDIANFAR M H, GERLICH A P, et al. Microstructure, strain-rate sensitivity, work hardening, and fracture behavior of laser additive manufactured austenitic and martensitic stainless steel structures[J]. Materials Science and Engineering:A, 2019, 756: 545–561.

[13]MAHAMOOD R M, AKINLABI E T. Scanning speed and powder flow rate influence on the properties of laser metal deposition of titanium alloy[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017,91(5): 2419–2426.

[14]MAHAMOOD R M. Effect of laser power and gas flow rate on properties of directed energy deposition of titanium alloy[J]. Lasers in Manufacturing and  Materials Processing, 2018, 5(1): 42–52.

[15]CHEN L Y, HUANG J C, LIN C H, et al. Anisotropic response of Ti-6Al-4V alloy fabricated by 3D printing selective laser melting[J]. Materials Science and Engineering:A, 2017, 682: 389–395.

[16]GB/T 6611–2008, 鈦及鈦合金術(shù)語和金相圖譜 [S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

[17]文藝. 3D 打印兩相鈦合金組織特征及缺陷研究 [D].南昌: 南昌航空大學(xué), 2016.

[18]章敏. 送粉式和送絲式的鈦合金激光增材制造特性研究 [D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.

[19]王文博. 固溶時效對激光同軸送粉增材制造 TC4 組織與性能的影響 [D]. 沈陽: 沈陽工業(yè)大學(xué), 2019.

[20]張霜銀, 林鑫, 陳靜, 等. 工藝參數(shù)對激光快速成形TC4 鈦合金組織及成形質(zhì)量的影響 [J]. 稀有金屬材料與工程, 2007, 36(10): 1839–1843.

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