林俊宇， 徐培全， 馬一帆

(上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院， 上海 201620)

鈦合金發(fā)展自20世紀(jì)50年代，具有高耐蝕性、比強度以及良好的生物相容性等優(yōu)異性能，在航空航天[1]、醫(yī)療植入物[2]和汽車船舶等領(lǐng)域都得以廣泛應(yīng)用[3]。Ti-6Al-4V合金又稱TC4，屬于α+β型鈦合金，因其各項性能均衡，使用量占鈦合金中的75%～85%[4]，被冠以鈦合金中的“王牌合金”的名號。傳統(tǒng)加工工藝在制造TC4合金零部件時，常受限于鈦合金較差的切削加工性，加工繁瑣[5-6]且周期長，而激光金屬沉積技術(shù)的特性能夠很好地規(guī)避這些問題[7]。目前對TC4激光金屬沉積研究中，絕大多數(shù)以TC4粉末作為原材料[8]，少數(shù)采用商用焊絲作為沉積材料[9]。粉材利用率不高，價格昂貴，且在開放環(huán)境中Ti粉的激光金屬沉積具有一定的危險性。而基于熔絲的激光沉積工藝具有速率快，材料利用率近100%，及制備成本低的特點[10]，預(yù)置金屬條的方式省略了送絲設(shè)備，簡化了生產(chǎn)過程與參數(shù)。課題組采用預(yù)置法在基體上通過電阻點焊固定預(yù)鋪金屬條后進行單層與多層激光金屬沉積，并分別對單層與多層試樣的組織進行了分析。

1 實驗材料與方法

實驗以6 mm厚度、經(jīng)退火處理后的Ti6Al4V合金板材作為基體進行激光金屬沉積，沉積材料為通過線切割加工而成的截面形狀為3 mm×1 mm矩形的Ti6Al4V金屬條?；w與金屬條的化學(xué)成分如表1所示。在進行試樣前基體與金屬條均依次用顆粒度為64 μm(240目)，39 μm(480目)，15 μm(800目)的碳化硅砂紙打磨，去除表層的氧化層與加工痕跡，隨后用乙醇作為清洗劑超聲清洗10 min去除表面油污并烘干備用。

表1 基體及沉積材料化學(xué)成分

由于鈦合金熱傳導(dǎo)性差，金屬條受激光輻照時易發(fā)生嚴(yán)重的翹曲和變形，因此使用hotspot II點焊機以電阻點焊的方式將金屬條預(yù)置在基板上再進行單層與多層的Ti6Al4V合金增材制造，其固定方式如圖1所示。對于多層試樣，在當(dāng)前層激光掃描完成后再次進行下一層的金屬條電阻點焊預(yù)置，隨后進行下一層激光掃描，重復(fù)這個過程直至試樣達到目標(biāo)層數(shù)。

圖1 試樣中金屬條預(yù)置方式Figure 1 Preset way of metal strip in sample

圖2(a)所示為本試驗中采用的美國IPG公司生產(chǎn)的光纖激光器與激光控制平臺，圖2(b)所示為德國HIGHYAG公司制造的BIMO QBH激光頭。該激光頭夾持在瑞士ABB的ABB-IRB 4600型機器人上，通過在ABB機器人中設(shè)定路徑與速度等參數(shù)后由機器人控制完成增材制造。激光器相應(yīng)參數(shù)如表2所示。單層試樣(A1)與多層試樣(A2)的激光金屬沉積根據(jù)表3所示的工藝參數(shù)進行。在增材制造過程中選用氬氣作為保護氣體，氣體流量為25 L/min，激光掃描路徑設(shè)定為往復(fù)式掃描。

圖2 激光金屬沉積所用設(shè)備Figure 2 Equipment used in laser metal deposition

表2 激光器設(shè)備參數(shù)

表3 激光金屬沉積工藝參數(shù)

激光金屬沉積增材制造結(jié)束后，將得到的單層與多層試樣沿橫截面切開，依次用顆粒度為64.0 μm(240目)，39.0 μm(480目)，15.0 μm(800目)，10.5 μm(1 200目)，8.5 μm(1 600目)，7 μm(2 000目)的SiC砂紙打磨后用顆粒度為3.5，1.5和0.5 μm的Al2O3粉末依次進行拋光。選用Kroll試劑(HF∶HNO3∶H2O=2∶5∶93)腐蝕試樣橫截面15 s后用超景深三維顯微鏡觀察分析沉積層及其與基體結(jié)合界面處的顯微組織形貌。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 單層沉積層顯微組織

單層沉積試樣A1的橫截面顯微組織及沉積層/基體間界面如圖3所示。由于Kroll試劑會優(yōu)先腐蝕鈦合金中β相，因此α相與β相在光學(xué)顯微鏡下有襯度的存在，造成α相顏色稍淺，β相顏色更深。由于鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，不同區(qū)域冷卻速率不同，在沉積層有多種組織的存在。圖3(c)所示沉積層的頂部為取向相似的豎直方向的條狀α，條狀的α表現(xiàn)出枝晶生長的趨勢，條狀α之間則為片層狀的次生α+晶間β相。圖3(d)所示組織為細長的針狀，針與針之間為次生α相與晶間β相，其中次生α相以片層狀和長寬比較小的條狀2種形態(tài)出現(xiàn)。在沉積層靠近基體的界面處可以觀察到完全β轉(zhuǎn)變組織α′相，該組織以片層狀交錯分布在原始β晶界內(nèi)側(cè)，形成魏氏組織，此類組織一般對合金塑性、疲勞強度和熱穩(wěn)定性等性能有不好的影響[11]，如圖3(f)所示。此外，在長針狀α′相與全片層狀β轉(zhuǎn)變組織之間還存在一個過渡區(qū)域，過渡區(qū)中針狀α′相的長寬比減小變?yōu)槎提樑c小塊狀的α相與晶間β組織，如圖3(e)所示。

圖3 單層沉積層和界面的顯微組織Figure 3 Microstructure of single-layer deposited sample and interface

2.2 多層沉積層顯微組織

圖4所示為低倍光學(xué)顯微鏡下的多層沉積試樣A2的橫截面及沉積層/基體之間界面的顯微組織圖。從圖中可以看到在多層的沉積層中有少量氣孔和裂紋。在多層增材制造的過程中，由于多層的金屬條的逐層堆疊，易對試樣表層的不平整度起到一個累加的效果。而在某一層表層上繼續(xù)預(yù)置金屬條時，新預(yù)置的金屬條與試樣的表面就會存在一定的縫隙，若沉積過程中熔池存在時間過短，縫隙中的氣體未能及時從熔池中溢出就會導(dǎo)致氣孔的形成。

圖4 低倍顯微鏡下多層沉積層和界面的顯微組織Figure 4 Microstructure of multi-layer deposited sample and interface under low power microscope

圖5(a)，(b)和(c)分別為圖4中方框所標(biāo)E，F(xiàn)和G區(qū)域的高倍放大圖。圖5(a)所示為沉積層頂部條狀α相與晶間β，與單層試驗相比頂部的條狀α相表現(xiàn)出明顯的枝晶生產(chǎn)的特性，呈現(xiàn)為魚骨狀。圖5(b)為沉積層中冷裂紋區(qū)域的放大圖，多層多道的激光掃描增大了熱輸入，在過大的熱輸入和鈦合金相對較差的導(dǎo)熱性雙重影響下易使基板發(fā)生變形，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，在隨后的冷卻過程中發(fā)生開裂形成裂紋。解決方法是通過去應(yīng)力退火方式消除內(nèi)應(yīng)力，防止此類裂紋的產(chǎn)生[12]。此外在多層沉積試樣中有少量偏析的情況出現(xiàn)，如圖4頂部以及圖5(c)中都觀察到了粗大α塊。由于此類位置出現(xiàn)α穩(wěn)定元素富集與偏析，在富集處α相首先析出，并沿晶界向晶內(nèi)生長，從而形成了偏析引起的大塊α相的出現(xiàn)。圖5(d)為圖5(c)的進一步放大圖，從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)多層沉積試樣中的針狀α′相相對于單層沉積試樣而言數(shù)量與長寬比都有所減??；針狀α′相之間的片層狀α與短條α數(shù)量增多。圖5(e)為多層沉積試樣中較為典型的由交錯的片層α構(gòu)成的魏氏組織，相比單層沉積試樣，這一類組織在多層沉積試樣中的含量大大減少，僅在沉積層與界面處有少部分存在。圖5(f)為多層沉積試樣中典型的網(wǎng)籃組織，原始的晶界基本破碎，α與晶間的β小片呈現(xiàn)短且歪扭的形狀并具有較小的縱橫比；由于各α集束交錯排列，在多層沉積試樣中此類組織出現(xiàn)的相對更多。

圖5 多層沉積層中典型顯微組織Figure 5 Typical microstructure in multi-layer deposited sample

3 結(jié)論

課題組采用電阻點焊預(yù)置TC4金屬條后激光掃描的方式，實現(xiàn)了基于預(yù)置TC4線材的單層與多層激光沉積，并對沉積層的組織進行了研究，得到以下結(jié)論：

1) 沉積層中組織主要為長針狀α′相，條狀α相及晶間β，多層的堆疊增大了組織中條狀α相枝晶生長的趨勢，也極大地減小了沉積層中魏氏組織的含量。

2) 在組織上A2試樣更佳，但也存在少量的裂紋與氣孔。原因是在多層沉積放大了試樣表面起伏，氣孔容易在表面凹陷較大處出現(xiàn)；而成型過程中多道多層的激光掃描提升了熱輸入量，在冷卻過程容易形成較大的內(nèi)應(yīng)力使工件開裂，在實際生產(chǎn)中應(yīng)注意防控此類問題。

本研究中降低了激光沉積技術(shù)對設(shè)備及材料的要求，顯著降低了生產(chǎn)成本，對于工業(yè)化生產(chǎn)中中型和大型零部件的激光沉積制造有積極影響和重要意義。在此研究的基礎(chǔ)上可進一步研究如工藝參數(shù)對組織及性能的影響，或是預(yù)置不同成分與形狀的金屬條以實現(xiàn)梯度材料的制造。