钛合金因具有比强度高、热强性好、耐腐蚀等优点,近年来已成为先进飞机和高推比发动机的主要金属结构材料[1-4]。TC4钛合金是目前在航空航天领域应用最为广泛的钛合金,利用激光直接成形制备TC4钛合金零件可适应先进飞机"低成本、短周期、高性能"的设计原则。为了最大限度减轻结构件重量，同时保证较高的使用性能,飞机用钛合金关键零件通常采用形状复杂的整体带筋加强结构[5-6]。采用传统自由锻加数控机加的制造路线制备零件时，存在材料利用率低、研制周期长、制造成本高等缺点[7-8]，因而开发航空钛合金构件近净成形技术，对于提高材料利用率和节省成本具有重要的意义和工程价值。
激光直接成形技术是20世纪90年代中期迅速发展起来的一项新的先进制造技术，借鉴快速原型技术"离散+堆积"的增材制造思想，同时将激光熔覆所获得的优越的熔凝组织扩展到三维实体零件整体，从而能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、近净成形[9-12]。激光立体成形钛合金在降低钛合金制品的成本、缩短研制周期、提高合金力学性能等方面展示出巨大的发展前景[13]，该技术一经出现，就成为发达国家和我国先进制造技术和激光加工技术领域研究的热点[14-15]。
本文以TC4钛合金为研究对象，开展TC4钛合金激光直接成形技术的工艺研究，以加工过程中的激光功率、扫描速度及送粉量为变量进行3因素3水平正交实验，分析工艺参数对激光直接成形TC4钛合金单层和块体沉积微观组织的影响规律，从而优化激光直接成形TC4钛合金的激光成形工艺窗口，为激光直接成形TC4钛合金工艺参数和后续热处理工艺参数制定提供参考。
1、实验材料及方法
1.1 实验材料和实验设备
激光直接成形实验原材料使用TC4钛合金球形粉末，粉末化学成分如表1所示。从表1可看出，粉末元素含量满足 GJB 9577-2018[16]的指标要求。TC4钛合金球形粉末的微观形貌如图1所示。可以看出，粉末粒径为75~180μm。激光直接成形用基材为满足GJB 2744A-2019[17]要求的TC4钛合金锻件。激光直接成形前将TC4钛合金基材打磨至平整，并采用酒精清洗。实验设备为B100X激光直接成形系统，载粉气体和保护气体为高纯氩气。
表1 激光直接成形用TC4钛合金粉末的化学成分(%，质量分数)
| 元素 | Ti | Al | V | Fe | O | C | N | H |
| 指标要求 | 余量 | 5.80~6.75 | 3.5~4.5 | ≤0.30 | 0.13~0.18 | ≤0.08 | ≤0.05 | ≤0.015 |
| 实测值 | 余量 | 6.39 | 4.19 | 0.19 | 0.153 | <0.01 | 0.013 | 0.0030 |
采用线切割机沿垂直激光成形方向截取5mm长度的样品，并使用镶样机将样品横截面朝外然后经打磨、抛光、腐蚀、浸蚀等步骤制备金相试样，采用OLYMPUS金相显微镜观察和分析合金的微观组织。
2、实验结果与讨论
2.1 工艺参数对单道单层沉积层微观组织的影响
为分析工艺参数对激光直接成形TC4钛合金单道单层沉积层宽度、高度及宽高比 η 的影响，制定了以扫描速度、激光功率、送粉量为变量的3因素3水平正交实验方案，工艺参数及测得的沉积层参数见表2。单道单层沉积层是构成激光直接成形块体的基本几何单元，其形状特征是制定搭接、抬升工艺的基础，也是调整、优化工艺参数的基本依据。
图2为根据表2所示的工艺参数激光直接成形的单道单层沉积层的截面微观组织。从图2可以看出，9组工艺参数条件下，单道单层沉积层的冶金质量良好，均无裂纹、气孔、未熔合等缺陷，因此，在3000~4000 W激光功率、750~950 mm·min⁻¹扫描速度、14~18 g·min⁻¹送粉量的工艺参数组合下均可获得冶金质量良好的单道单层沉积层。
为了确定沉积层宽高比,测量出不同激光功率、扫描速度及送粉量下的沉积层的宽度和高度,如表2所示。一般来说，当沉积层宽高比 η>3时，有利于通过多道搭接获得平整的表面。但沉积层宽高比不宜过大,过大的沉积层宽高比会降低沉积效率。进一步根据表2数据,进行极差分析,如表3所示。根据表3数据,绘制激光成形工艺参数(激光功率、扫描速度及送粉量)与单道单层沉积层的关系曲线,如图3所示。
表2 激光直接成形TC4钛合金的正交实验方案和结果
| 试样编号 | 激光功率/W | 扫描速度/(mm·min⁻¹) | 送粉量/(g·min⁻¹) | 沉积层宽度L/μm | 沉积层高度H/μm | 宽高比η |
| 1-1# | 3000 | 750 | 14 | 3706 | 819 | 4.52 |
| 1-2# | 3500 | 750 | 16 | 3441 | 852 | — |
| 1-3# | 4000 | 750 | 18 | 3772 | 781 | 4.82 |
| 1-4# | 3000 | 850 | 16 | 4419 | 769 | 5.74 |
| 1-5# | 3500 | 850 | 18 | 4674 | 731 | 6.39 |
| 1-6# | 4000 | 850 | 14 | 4841 | 820 | 5.90 |
| 1-7# | 3000 | 950 | 18 | 4990 | 842 | 5.93 |
| 1-8# | 3500 | 950 | 14 | 4875 | 852 | 5.72 |
| 1-9# | 4000 | 950 | 16 | 4971 | 868 | 5.72 |
表3 激光直接成形TC4钛合金的单道单层沉积层极差分析结果
| 沉积层参数 | 因素 | 水平1均值 | 水平2均值 | 水平3均值 | 极差R | 极差排序 |
| 沉积层宽度L/μm | A(激光功率) | 4371.6 | 4330.0 | 4528.0 | 198.0 | 3 |
| 沉积层宽度L/μm | B(扫描速度) | 3639.7 | 4644.7 | 4945.3 | 1305.7 | 1 |
| 沉积层宽度L/μm | C(送粉量) | 4474.0 | 4277.0 | 4478.7 | 201.7 | 2 |
| 沉积层高度H/μm | A(激光功率) | 810.0 | 811.7 | 823.0 | 13.0 | 3 |
| 沉积层高度H/μm | B(扫描速度) | 817.3 | 773.3 | 854.0 | 80.7 | 1 |
| 沉积层高度H/μm | C(送粉量) | 830.3 | 829.7 | 784.7 | 45.7 | 2 |
| 宽高比η | A(激光功率) | 6.0 | 6.1 | 5.9 | 0.2 | 2 |
| 宽高比η | B(扫描速度) | 4.5 | 4.9 | 5.7 | 1.2 | 1 |
| 宽高比η | C(送粉量) | 5.8 | 5.7 | 5.7 | 0.1 | 3 |
从表3中极差排序可看出，对于沉积层宽度和沉积层高度，均是扫描速度的影响最大，其次为送粉量和激光功率，即各参数对单道单层沉积层的宽度和高度的影响顺序为扫描速度>送粉量>激光功率。而对宽高比的影响顺序为扫描速度>激光功率>送粉量。从图3可看出，随扫描速度增加，沉积层宽度增加，沉积层高度先减小后增加。随激光功率增加，沉积层宽度先减小后增加，沉积层高度增加。随送粉量增加，沉积层宽度先减小后增加，沉积层高度降低。对于宽高比，扫描速度显著影响宽高比，随扫描速度增加，宽高比明显增加，而激光功率和送粉量对宽高比的影响较小。
尽管在本文工艺参数下均可获得冶金质量良好的单道单层沉积层，但考虑到大尺寸零件采用激光直接成形工艺制备时，需要同时兼顾冶金质量及沉积效率，以提高加工效率。此外，沉积层极差较分散，需要进一步缩小激光工艺参数范围，以形成较稳定的沉积层。
因此，在表2所示工艺参数基础上，优化选取3800和4000W为边界激光功率、选取850和950mm·min⁻¹为边界扫描速度、选取16和18g·min⁻¹为边界送粉量，如表4所示。
图4为采用优化工艺参数(表4)制备的单道单层沉积层截面微观组织。从图4可看出，优化激光直接成形工艺参数后，单道单层沉积层的冶金质量良好，沉积层形貌均匀。从表4中沉积层参数可看出，优化工艺参数后单道单层沉积层的宽高比均仍大于3，且更加均匀，分布于4.27~5.63之间，极差仅为1.36。同时单道熔覆层能量密度增大，在一定程度上可降低层间缺陷的产生概率。因此，在激光功率为3800~4000W、扫描速度为850~950mm·min⁻¹、送粉量为16~18g·min⁻¹的工艺参数下激光成形时,可获得优良的沉积层冶金质量和较高的沉积效率。
表4 工艺参数优化后激光直接成形TC4钛合金的正交实验方案和结果
| 序号 | 激光功率/W | 扫描速度/(mm·min⁻¹) | 送粉量/(g·min⁻¹) | 沉积层宽度L/μm | 沉积层高度H/μm | 宽高比η |
| 2-1# | 3800 | 850 | 16 | 5296 | 1143 | 4.63 |
| 2-2# | 3800 | 850 | 18 | 6085 | 1346 | 4.52 |
| 2-3# | 3800 | 950 | 16 | 6385 | 1494 | 4.27 |
| 2-4# | 3800 | 950 | 18 | 5170 | 1030 | 5.02 |
| 2-5# | 4000 | 850 | 16 | 5499 | 1148 | 4.79 |
| 2-6# | 4000 | 850 | 18 | 5905 | 1154 | 5.12 |
| 2-7# | 4000 | 950 | 16 | 4829 | 871 | 5.54 |
| 2-8# | 4000 | 950 | 18 | 5735 | 1018 | 5.63 |
| 2-9# | 3900 | 900 | 17 | 6448 | 1278 | 5.05 |
2.2 工艺参数对TC4钛合金块体微观组织的影响
图5为优化后工艺参数(表4)下激光直接成形制备的TC4钛合金块体的微观组织。从图5可看出，在所有工艺参数范围内块体微观组织均显示出良好的冶金质量，未观察到明显的气孔，也未观察到明显的裂纹及未熔合现象。从微观组织来看，合金微观组织由(α+β)柱状晶构成，柱状晶主轴方向平行于沉积高度方向。这是由于激光直接成形时沉积层高度方向散热远大于沉积层水平方向导致的。柱状晶在其他钛合金激光成形时是普遍存在的，例如:杨兴远等[18]采用激光选区熔化成形技术制备TA7钛合金内部组织为平行于成形方向的柱状β晶粒;蔡小叶等[19]对TA15钛合金进行了激光熔化成形，发现合金沉积层存在β柱状晶;李长富等[20]尽管通过添加超声振动降低了β柱状晶长宽比，但β柱状晶仍然是存在的。
此外，激光成形工艺参数对合金块体微观组织也存在影响。对比2-1#和2-5#试样的微观组织，当扫描速度、送粉量保持恒定，激光功率由3800 W提升至4000W时，尽管微观组织均为柱状晶构成，但2-1#柱状晶直径约为420μm，2-5#试样柱状晶直径约为630μm，2-1#试样的柱状晶比2-5#试样的柱状晶明显更细更长，且α相含量更少。产生以上现象的原因是当扫描速度和送粉量恒定时，提高激光功率将使作用在单位面积的热量增加，在逐层沉积时温度梯度减小，沉积层高度散热方向更加不明显，因而柱状晶长度减小，析出的α相含量增加。对比2-5#和2-7#试样的微观组织，固定激光功率为4000 W、送粉量为16g·min⁻¹，扫描速度从850mm·min⁻¹增加至950mm·min⁻¹时，2-7#试样的柱状晶直径约为400μm，比2-5#试样的柱状晶更细更长，且α相含量更少。这是因为提高扫描速度，则激光作用时间缩短，在逐层沉积时温度梯度升高，从而促进柱状晶生长，但因凝固时间短，析出的α相含量减少[21]。对比2-7#和2-8#试样的微观组织，固定激光功率为4000W、扫描速度为950 mm·min⁻¹，送粉量从16g·min⁻¹增加至18g·min⁻¹时，因送粉量增加，单位体积内热量减少，沉积层温度降低，柱状晶变细变长，α相含量减少。
2.3 激光直接成形TC4钛合金块体的化学成分
表5为工艺参数优化后激光直接成形制备的TC4钛合金块体的化学成分。从表5中各化学成分数据可看出，整体而言，相对于合金粉末，合金主要元素Al、Fe和V含量均有所降低，说明在激光直接成形过程中Al、Fe和V会被少量烧损。在各工艺参数下,TC4钛合金的主要强化元素Al、V含量波动非常小，Al元素含量在6.16%~6.22%之间，V元素含量在3.94%~3.98%之间。同时也可以看出，O、C、N及H等杂质元素保持相对均匀且较低的含量水平。尤其需特殊指出的是，相对合金粉末的含量，激光直接成形块体的O和N含量更低，可能的原因是由于在惰性气体中进行成形，少数空心粉末内的空气发生逃逸导致。此外，随激光功率、扫描速度及送粉量等因素的变化，各元素含量未发生较大程度变化，即在优化工艺参数下激光直接成形工艺参数对TC4钛合金块体化学成分影响不大。
表5 激光直接成形过程中各参数下的化学成分(%，质量分数)
| 试样编号 | C | H | O | N | Al | Fe | V |
| 2-1# | <0.01 | 0.0036 | 0.110 | 0.0070 | 6.22 | 0.055 | 3.98 |
| 2-2# | <0.01 | 0.0031 | 0.098 | 0.0071 | 6.18 | 0.053 | 3.95 |
| 2-3# | <0.01 | 0.0036 | 0.100 | 0.0090 | 6.18 | 0.054 | 3.96 |
| 2-4# | <0.01 | 0.0036 | 0.098 | 0.0075 | 6.16 | 0.053 | 3.94 |
| 2-5# | <0.01 | 0.0038 | 0.095 | 0.0072 | 6.18 | 0.054 | 3.95 |
| 2-6# | <0.01 | 0.0033 | 0.096 | 0.0072 | 6.16 | 0.055 | 3.95 |
| 2-7# | <0.01 | 0.0037 | 0.093 | 0.0060 | 6.22 | 0.055 | 3.99 |
| 2-8# | <0.01 | 0.0032 | 0.097 | 0.0062 | 6.19 | 0.053 | 3.96 |
| 2-9# | <0.01 | 0.0032 | 0.095 | 0.0047 | 6.18 | 0.054 | 3.95 |
| TC4钛合金粉末 | <0.01 | 0.0030 | 0.153 | 0.0130 | 6.39 | 0.190 | 4.19 |
3、结论
(1)各参数对单道单层沉积层的宽度和高度的影响顺序为扫描速度>送粉量>激光功率，宽高比随扫描速度增加显著增加，而激光功率和送粉量对宽高比影响较小。
(2)激光直接成形TC4钛合金块体组织由(α+β)柱状晶构成，随激光功率增加、扫描速度降低及送粉量减少，柱状晶变粗变短，α相含量增加。
(3)从获得优良冶金质量和高沉积效率考虑，激光工艺参数应选取激光功率为3800~4000W、扫描速度为850~950mm·min⁻¹、送粉量为16~18 g·min⁻¹。
(4)在优化激光直接成形工艺参数下，主要强化元素Al、V含量波动小，O、C、N及H等杂质元素保持相对均匀且较低的含量水平。
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（注，原文标题：工艺参数对激光成形TC4钛合金单层和块体沉积成形的影响_郑超）
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