孟 玄, 楊尚磊,b, 房 郁, 黃玉寶

(上海工程技術(shù)大學(xué) a.材料工程學(xué)院; b.上海市激光先進(jìn)制造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 上海 201620)

1 研究背景

自1980年開始,增材制造逐步進(jìn)入人們視野并迅速發(fā)展起來.近幾年,電子束增材制造開始得到廣泛發(fā)展,尤其是電子束選區(qū)熔化(Electron Beam Selective Melting,EBSM)技術(shù)[1-2].EBSM是一種利用高能電子束,在真空環(huán)境下將金屬粉末熔化,然后迅速冷卻凝固成形的過程[3-4].EBSM主要由兩個(gè)基本操作過程組成:預(yù)熱操作平臺(tái)和鋪粉;選擇性地沿著指定的路徑,熔化粉末[5].在零件成形過程中,成形腔內(nèi)保持良好真空環(huán)境,以此來制造出復(fù)雜精密、機(jī)械性能良好的成形件[6].

球化現(xiàn)象是EBSM技術(shù)成形過程中一種普遍現(xiàn)象,是指金屬粉末在電子束高能量輻射下沒有均勻鋪展,而形成大量相互間分開的金屬球[7].球化現(xiàn)象不僅導(dǎo)致內(nèi)部孔隙產(chǎn)生,還會(huì)阻礙鋪粉過程,嚴(yán)重影響成形件成形質(zhì)量,導(dǎo)致成形失敗[8].

預(yù)防球化現(xiàn)象有兩種方法[9-10]:1) 在一定程度上提高線能量密度減少球化現(xiàn)象產(chǎn)生;2) 對粉末預(yù)熱到700 ℃可增加粉末黏度,減少球化現(xiàn)象.Hyung等[11]對未使用二級(jí)工業(yè)鈦粉和等效粉末進(jìn)行電子束熔煉,粉末回收50次,發(fā)現(xiàn)O和N濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))增加到15%,使得粉末由二級(jí)變成三級(jí),而鈦產(chǎn)品純度提高到一級(jí).Polonsky等[12]研究從亞微米到毫米的電子束熔化Inconel 718晶體3D表征結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)由于粉末熔合缺陷,晶粒形貌出現(xiàn)尖銳的不連續(xù)性,是材料缺陷的起源,碳化物和氮化物尺寸大約在1.25 ～10 μm,氮化物出現(xiàn)明顯聚集.

由于EBSM技術(shù)普遍采用惰性氣體霧化球形粉末作為原料,在氣體霧化制粉過程中,不可避免會(huì)形成一定含量空心粉.Safdar等[13]研究電子束熔化技術(shù)對Ti-6Al-4V合金表面形貌和粗糙度的影響,發(fā)現(xiàn)粗糙度值隨著樣品厚度和電子束寬度增加而增加、隨著掃描速度和焦點(diǎn)補(bǔ)償減小而減小.Bauereiβ 等[14]利用激光或者電子束對粉末層進(jìn)行局部熔化,發(fā)現(xiàn)粉末快速熔化引起熔池劇烈運(yùn)動(dòng),有時(shí)會(huì)使得斷層成為缺陷起源,對這些缺陷建立一個(gè)數(shù)值模型模擬局部熔化過程發(fā)現(xiàn),在相連層之間有大量、不規(guī)則的孔洞,孔洞中存在沒有熔化的粉末,部分孔洞尺寸貫穿許多相連層.

本文對電子束增材制造試樣進(jìn)行微觀組織和拉伸性能分析,通過分析頂部與底部組織缺陷及拉伸斷口缺陷分布研究氣孔形成機(jī)理.

2 材料和方法

2.1 電子束增材制造過程

試樣在Arcam A2XX系統(tǒng)(Arcam,瑞士)中產(chǎn)生,EBSM技術(shù)設(shè)備如圖1所示.粉末層厚度為50 μm,以此確保粉末層之間良好熔合,試樣尺寸為80 mm×30 mm×10 mm,EBSM過程參數(shù)見表1.金屬粉末是Arcam公司提供的Ti-6Al-4V ELI氣體霧化粉末[15],粉末成分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),全文同)見表2.

圖1 EBSM示意圖Fig.1 Schematic diagram of EBSM

表1 電子束增材制造Ti-6Al-4V試樣參數(shù)Table 1 Ti-6Al-4V sample parameters for electron beam additive manufacturing

表2 Ti-6Al-4V ELI氣體霧化粉末成分Table 2 Composition of Ti-6Al-4V ELI gas atomized powder %

在電子束增材制造過程中,掃描方式采用夾層交叉蛇形掃描路徑.掃描路徑圖如圖2所示,在增材制造同一層,先凝固和后熔化的熔池,會(huì)產(chǎn)生熔池部分重疊,在成形件表面形成波狀熔池形態(tài).每兩層增材結(jié)束后,掃描方向旋轉(zhuǎn)90°.掃描路徑由Arcam EBM軟件中算法決定,每4個(gè)連續(xù)層完成一次增材周期.

利用線切割截取頂部與底部金相試樣,砂紙打磨、拋光、腐蝕,觀察金相,微觀組織分析采用 VHX-600型光學(xué)顯微鏡.拉伸試樣按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3075—2008設(shè)計(jì),試樣尺寸如圖3所示,在Zwick HB系列250 kN電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn).

圖2 電子束增材制造掃描路徑Fig.2 Scanning paths of electron beam additive manufacturing

2.2 微觀組織及拉伸性能分析

Ti-6Al-4V試樣底部和頂部組織形貌如圖4 所示,從圖4(a)可以看出,底部組織中存在網(wǎng)籃組織及等軸晶粒,并且存在粗大塊狀平行α板條組織及β晶界.從圖4(b)可以看出,頂部組織中存在著柱狀β晶界及片層狀α板條組織.頂部組織比底部組織細(xì)小,這是因?yàn)樵陔娮邮x區(qū)熔化Ti-6Al-4V過程中底部存在著多次循環(huán)熱作用,使得底部組織粗大.

圖3 Ti-6Al-4V試樣尺寸Fig.3 Specimen size of Ti-6Al-4V

在增材制造過程中,為減少殘余應(yīng)力,在成形平臺(tái)上首先打印5 mm網(wǎng)狀支撐,然后再進(jìn)行增材制造.因此,在試樣底部很容易產(chǎn)生氣孔缺陷.有缺陷底部及頂部組織如圖5所示.從圖5(a)可以看出,底部微觀組織存在氣孔及熔合缺陷,缺陷產(chǎn)生原因有兩部分:一是由于增材過程中球化現(xiàn)象;二是由于金屬粉末表面氧化膜.從圖5(b)可以看出,頂部微觀組織的氣孔小而淺,缺陷較少.

圖4 電子束增材制造Ti-6Al-4V微觀組織Fig.4 Microstructures of electron beam additive manufacturing Ti-6Al-4V

電子束增材試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線及斷口形貌如圖6所示,對比兩個(gè)方向拉伸數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)平行于增材制造方向和垂直于增材制造方向的極限抗拉強(qiáng)度相差較小,而垂直于增材制造方向的屈服強(qiáng)度稍高于平行于增材制造方向強(qiáng)度,平行于增材制造方向的斷裂伸長率稍高.Ren等[16]發(fā)現(xiàn),在拉伸過程中,由于試樣內(nèi)部存在氣孔等缺陷,使得這些缺陷成為裂紋源,影響材料力學(xué)行為.根據(jù)傳統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果可知,平行于增材制造方向的屈服強(qiáng)度應(yīng)高于垂直于增材制造方向試樣,然而結(jié)果卻不同,說明斷口處存在熔合缺陷,導(dǎo)致強(qiáng)度相差不大.

3 EBSM孔缺陷形成機(jī)理

孔缺陷是電子束增材制造中比較常見的缺陷,孔存在會(huì)減小成形件有效承載面積,造成應(yīng)力集中.使成形件強(qiáng)度、韌性以及疲勞強(qiáng)度降低,甚至可能成為裂紋源.氣孔產(chǎn)生過程由3個(gè)相互聯(lián)系并且彼此不同的階段組成,即氣孔生核、長大和上浮.

圖5 有缺陷Ti-6Al-4V微觀組織Fig.5 Microstructure of defective Ti-6Al-4V

圖6 平行和垂直于增材制造方向應(yīng)力—應(yīng)變曲線及斷口形貌Fig.6 Stress-strain curve and fracture morphology in direction of parallel and vertical additive manufacturing

氣孔生核需要滿足兩個(gè)條件:液態(tài)金屬中含有過飽和氣體和能量消耗[17].在EBSM技術(shù)中,液態(tài)金屬中有許多形成層表面,特別是下層樹枝晶,很容易在其表面生成氣孔核.

氣孔核形成后需要繼續(xù)長大,氣孔長大需要滿足的條件為

Ph>p0

(1)

式(1)也可以簡化為

(2)

式中:ph為氣孔內(nèi)氣體壓力;p0為阻礙氣孔長大的外界壓力;pa為大氣壓;pc為表面張力所構(gòu)成的附加壓力;σ為金屬表面與氣體間的表面張力;r為氣泡半徑.

在EBSM技術(shù)中,已經(jīng)堆完的形成層上有許多現(xiàn)成表面,這些現(xiàn)成表面存在起伏不平的平面,使氣孔呈橢圓形.因此,曲率半徑較大,附加壓力pc較小,具備氣孔長大條件.

在EBSM過程中會(huì)產(chǎn)生熱量,空心粉中氣體受熱膨脹,在金屬粉末半熔化晶粒界面比值最大處成核;隨后,空心粉中氣體先擴(kuò)展再逐漸伸長;隨著空心粉顆粒之間氣體減少,氣孔核所需能量逐漸減少,氣孔形成,氣孔形成過程的模型如圖7所示.氣孔形成之后,當(dāng)氣孔內(nèi)氣體壓力大于阻礙氣孔長大的外界壓力時(shí),氣體離開金屬粉末上浮,上浮過程中如果來不及逸出就會(huì)留在EBSM成形件中,形成氣孔缺陷.

圖7 空心粉中氣孔形成模型Fig.7 Porosity formation model in hollow powder

Guo等[18]在電子束選區(qū)熔化試驗(yàn)中,得到電子束增材制造三維成形件,研究發(fā)現(xiàn)成形件中存在氣孔以及孔隙缺陷.

雖然在增材制造過程中會(huì)產(chǎn)生氣孔,影響成形件力學(xué)性能,但并不是所有氣孔都是有害的,某些透氣鋼結(jié)構(gòu)件就需要增加氣孔數(shù)量.Zeng等[20]創(chuàng)造性地將添加劑制造與發(fā)泡劑相結(jié)合,獲得孔隙尺寸為2～30 μm相互連接孔(約26%孔隙率).將這一結(jié)構(gòu)應(yīng)用到透氣模具鋼開發(fā)中,從而大大提高透氣鋼質(zhì)量.研究發(fā)現(xiàn),在起泡劑(CrNx)作用下,透氣鋼具有較好抗壓強(qiáng)度(約1.3 GPa)、應(yīng)變(約26%)、顯微硬度(約360 HV),耐腐蝕性能好,成形件透氣鋼力學(xué)性能優(yōu)于商用PM-35透氣鋼.

4 結(jié) 語

通過微觀組織分析可知,電子束增材制造Ti-6Al-4V試樣頂部是細(xì)小柱狀β相及片層狀α板條組織,此區(qū)域缺陷較少,而底部是粗大塊狀平行α板條組織,這些組織中氣孔缺陷及未熔化顆粒較多,這些缺陷大大降低材料力學(xué)性能,使兩個(gè)方向強(qiáng)度相差較小。金屬粉末中氣體受熱膨脹,在半熔化及未熔化顆粒界面形核,達(dá)到長大條件后,氣體上浮,氣體來不及逸出時(shí),在試樣內(nèi)部形成氣孔缺陷,降低材料力學(xué)性能,影響材料使用壽命。