摘要 孔洞、未熔粉、裂纹是在激光选区熔化制备试样过程中常见的缺陷，迄今为止，大量研究均集中在减少缺陷上，关于工艺参数对缺陷影响的研究较少。本文系统研究了工艺参数对激光选区熔化Ti6Al4V合金相对密度、表面粗糙度、力学性能的影响。结果表明，低激光功率、高扫描速度和高层厚将会引起不充分的粉末熔化以及球化效应。最佳工艺参数为激光功率200 W，扫描速度500 mm/s，层厚10 μm，扫描间距105 μm。在该参数下，试样的抗拉强度1077 MPa，屈服强度907 MPa。 引言
Ti6Al4V钛合金，又称TC4合金或Ti64合金，属于（α+β）型钛合金，具有高比强度、高比刚度、良好的断裂韧性和生物相容性等优点，被广泛应用在航空航天装备和生物医疗等现代工业及国防装备中。目前，Ti6Al4V合金已经成为航空飞机主体框架、机翼的重要结构材料。然而，Ti6Al4V弹性模量较低，并在机械加工过程中回弹严重、加工效率低、成本高、制造难度大，现代工业倾向于在不影响材料性能的情况下实现产品的轻量化设计，零构件的结构越来越复杂，这对传统机械加工工艺提出了更高的要求。近年来，以激光选区熔化（selective laser melting，SLM）工艺为代表的激光增材制造技术凭借其无模具、近净成形的特点可以较为便捷地解决复杂零件的成形问题，Ti6Al4V合金零件设计中因传统加工手段无法实现的难题也得到了解决。 激光选区熔化技术受到了研究者的广泛关注。Wen等利用激光选区熔化技术对CoCrMo-In718梯度材料的成形工艺进行了研究，结果表明一种新的成型策略可以减小成形梯度区的成分波动。Yu等对激光选区熔化制备的Ni‒Ti合金性能进行研究，结果表明在相同能量密度下，激光功率同扫描速度的比值对于成形件的冶金质量和表面质量有着较大的影响。Ponnusamy等对比了激光选区熔化与锻造工艺制备的17-4PH不锈钢的力学性能，结果表明激光选区熔化17-4PH不锈钢具有更高比例的残留奥氏体，也具备更好的抗拉强度和延伸率。 国内外的研究者对Ti6Al4V合金的激光选区熔化加工工艺及性能做了大量的工作。Vastola等研究了激光选区熔化成形参数对Ti6Al4V合金冶金质量的影响，研究表明，随着能量密度的增加，孔隙率大幅度增加，并建立了预测抑制孔洞产生的模型。Gu和Shen在对激光选区熔化过程中缺陷形成的研究中指出，成形过程中的球化效应主要是因熔体与基体的低润湿性和熔池中的熔体飞溅两种行为产生。Murr等对激光选区熔化和传统锻铸Ti6Al4V合金的组织和力学性能做出了对比，实验结果表明，激光选区熔化制备的Ti6Al4V合金具有比传统锻铸工艺下Ti6Al4V合金更好的力学性能。Krakhmalev等对激光选区熔化成形Ti6Al4V合金的组织演变进行了研究，研究发现在快速冷却过程中，初生的面心立方β相会转变成针状的密排六方α′相。Yang等通过改变扫描策略来改善试样的表面质量和摩擦磨损性能，实验结果表明，不同扫描策略可诱导晶粒向不同取向进行生长，晶粒生长方向可由试样堆积方向转变为垂直于堆积方向，进而改善试样的摩擦磨损性能。Shi等发现在Ti6Al4V合金的激光选区熔化制备过程中，随着铺粉层厚由100 μm提高至200 μm，由于孔洞、未熔粉和夹杂等缺陷的存在，试样的抗拉强度、屈服强度以及延伸率呈现出显著的下降。Gong等的研究发现，在激光增材制造Ti6Al4V合金过程中，能量密度对于缺陷的形成有着显著的作用。 综上所述，国内外针对激光选区熔化成形Ti6Al4V合金的研究主要集中在工艺优化、显微组织及其力学性能等方面，而在工艺参数对缺陷及缺陷控制的影响规律上缺乏系统研究。另外，研究者通常聚焦于激光选区熔化过程中激光能量密度对Ti6Al4V合金组织与性能的影响，却并没有指出各项工艺参数对于Ti6Al4V合金在激光选区熔化制备过程中的特定影响。本文研究了激光选区熔化参数对Ti6Al4V合金的缺陷、表面质量和力学性能的影响，借助光学显微镜、电子扫描显微镜、激光共聚焦显微镜等设备来表征合金微观特征，为激光选区熔化Ti6Al4V合金的冶金质量控制和力学性能研究提供参考。
实验材料与方法
本文使用的激光选区熔化成形设备是来自英国Renishaw公司的AM250，该设备配备持续激光波长为1073 nm的光纤激光，激光光斑直径为70 μm，最大功率为200 W，实验系统示意图如图1（a）所示，激光选区熔化实验是在氧体积分数低于0.02%的氩气环境下进行，实验采用尺寸为100 mm×100 mm×20 mm的Ti6Al4V基材。为了减少试样的内应力，采取层间转角为67°的扫描策略（如图1（a）所示）。实验中使用的粉末为Ti6Al4V预合金粉末，粉末形貌如图1（b）所示。采用尺寸为8 mm×8 mm×8 mm的立方体试样观察其微观组织。根据GB/T 228.1-2010制备标准力学试样，进行力学性能测试，如图1（c）所示。
图1 激光选区熔化系统以及扫描策略示意图（a），预合金Ti6Al4V粉末形貌（b）和力学拉伸试样尺寸（c） 结果与讨论
实验中相对密度测试采用控制变量法进行，为了研究激光功率（P）对激光选区熔化制备Ti6Al4V合金相对密度的影响，实验参数设置为扫描速度v=1100 mm·s‒1，扫描间距h=0.105 mm，层厚t=0.03 mm。图2展示了该组实验中孔隙率随着激光功率的变化而变化的趋势。当激光功率从140 W上升至200 W时，孔隙率由11.40%下降至6.47%。图3为试样表面随机选取的金相照片，展示了不同功率下试样的典型缺陷。由图可知，当激光功率为140 W时，试样内部出现了未熔粉、孔洞和球化现象。随着激光功率的上升，以上缺陷明显减少。这主要由于激光功率所产生的更大熔池可以减少熔化不充分和球化现象的产生，更高的激光功率还会提高金属液的温度以降低金属液的黏度和表面张力以降低球化效应的产生。
图3 不同激光功率下试样表面显微形貌：（a）140 W；（b）160 W；（c）200 W
为探究不同激光扫描速度下孔隙率的变化，采用固定激光功率200 W，扫描间距0.105 mm，层厚0.03 mm，只改变扫描速度的方式进行研究。图4反应了扫描速度对试样孔隙率的影响，随着扫描速度的增加（500～1700 mm·s-1），孔隙率逐渐增加。当激光扫描速度从500 mm·s‒1增长到800 mm·s‒1时，孔隙率增加的较为平缓；当扫描速度增加到1100 mm·s‒1时，孔隙率增长迅速；随后扫描速度继续增长，但孔隙率的增长又变得平缓。图5为试样表面随机选取的金相照片，展示了不同扫描速度下试样的典型缺陷。如图5所示，当扫描速度为500 mm·s‒1时，试样金相照片已经接近全致密。当扫描速度升高时，未熔粉、孔洞、金属球等缺陷的数量也逐渐升。高扫描速度会引起熔液的表面张力增大，这会导致熔液更难进行补缩而产生缺陷。另外，图5（b）展示了线性排列的缺陷，这是由于熔池尺寸较小，导致熔池之间的搭接率不够而产生的线性的孔洞。
图5 不同扫描速度下试样表面显微形貌：（a）500 mm·s‒1；（b）1100 mm·s‒1；（c）1700 mm·s‒1 
图6 扫描速度对激光选区熔化Ti6Al4V 的抗拉强度和屈服强度影响
图7 不同扫描速度下试样室温拉伸断口显微形貌
1）低激光功率、高扫描速度和较高的层厚造成了不充分熔化和球化效应，该效应导致大量缺陷的存在，经过参数优化所得到的最佳工艺参数为激光功率200 W，扫描速度500 mm·s‒1，层厚30 μm，扫描间距105 μm。 2）低激光功率、高扫描速度所造成的不充分熔化和球化效应导致更高的表面粗糙度。对于高于粉末平均粒径的层厚，表面粗糙度将会越来越高；对于低于粉末平均粒径的层厚，表面粗糙度差距不大。 3）由最佳激光选区熔化参数制备的Ti6Al4V合金获得最大抗拉强度和屈服强度分别为1077 MPa和907 MPa。 论文引用：
冯恩昊, 王小齐, 韩潇, 周占伟, 康楠, 王清正, 赵春玲, 林鑫. 激光选区熔化Ti6Al4V合金的工艺参数优化[J]. 粉末冶金技术, 2022, 40(6): 555-563. 
