1、激光 3D 工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展

目前，激光 3D 打印工藝已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了有效的推廣與應(yīng)用，作為一種新型的技術(shù)，該工藝可以被應(yīng)用于承受大荷載實(shí)體金屬零件的快速成型、復(fù)雜形狀與大體積制造缺陷的修復(fù)、誤加工損傷的修復(fù)等多個(gè)領(lǐng)域。在激光 3D 打印工藝的應(yīng)用中，原材料粉末的存在為快速成型提供了物質(zhì)條件。激光成形的過程中，3D打印設(shè)備是核心設(shè)備。通過該設(shè)備，合金粉末能夠被激光加以快速熔化、凝固，隨后隨著材料的累加成型。制粉工藝與粉末特征是影響激光 3D 打印制件性能的重要因素[1]。近年來，我國(guó)的激光 3D 打印技術(shù)已經(jīng)取得了一定的發(fā)展成果，但是其發(fā)展水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，尤其是在粉末原料的生產(chǎn)、新材料的開發(fā)方面，其技術(shù)水平相對(duì)落后、產(chǎn)業(yè)化不足、粉末原料制備技術(shù)落后都是制約我國(guó)激光 3D 打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的重要因素。現(xiàn)階段，我國(guó)國(guó)內(nèi)激光 3D 打印技術(shù)中所使用的鈦合金金屬粉末原料多依賴于進(jìn)口，嚴(yán)重阻礙了技術(shù)的快速發(fā)展。

鈦合金材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)較多，比如各類飛機(jī)的制造、航天器的制造等。近年來，隨著激光3D 打印工藝的快速發(fā)展，鈦合金的需求量逐年增加。激光 3D 打印技術(shù)在大型復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的成形方面有著較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，尤其是隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展，用激光 3D 打印工藝來進(jìn)行高性能鈦合金構(gòu)件的成形更是具有良好的發(fā)展前景。比如，以 TC4 鈦合金為例，由于其本身具有強(qiáng)度高、耐高溫、抗氧化的特性，在航空航天事業(yè)中的應(yīng)用較為普遍。隨著航空航天事業(yè)的快速發(fā)展，鈦合金構(gòu)件輕量化將是未來發(fā)展的主要方向，而傳統(tǒng)的制造方法下，存在效率低下、成本較高的劣勢(shì)，其復(fù)雜構(gòu)件難以保障成形效果，而激光 3D 打印工藝的應(yīng)用恰好有效解決了這些問題[2]。激光 3D 打印工藝的應(yīng)用中，工藝參數(shù)將直接影響鈦合金成形的質(zhì)量以及構(gòu)件的性能，因此，必須進(jìn)行工藝參數(shù)的科學(xué)設(shè)置，保障鈦合金成形質(zhì)量。

2、 試驗(yàn)設(shè)備與方法

要詳細(xì)了解激光 3D 打印工藝對(duì)鈦合金質(zhì)量的直接影響，可以進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，獲得定量化的影響結(jié)果。

以 TC4 鈦合金材料為研究對(duì)象，選用 LDW-8060 設(shè)備為打印設(shè)備。該設(shè)備內(nèi)主要由 4kW 光纖耦合半導(dǎo)體激光器、四路送粉 3D 打印頭、氣載式送粉器、氬氣工作倉(cāng) + 凈化系統(tǒng)、水冷機(jī)等部分組成。激光 3D 打印工藝參數(shù)的正交試驗(yàn)結(jié)果如表 1 所示。

TC4 基板采用鈦合金材料，為保障試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，在正式的試驗(yàn)開始之前，相關(guān)人員需首先對(duì)該基板進(jìn)行必要的打磨處理，隨后使用丙酮來擦拭，避免基板上存在各種油污等雜質(zhì)。TC4 鈦合金粉末的粒度范圍為75 ～ 120µm，由于其化學(xué)成分的特殊性，在試驗(yàn)之前，首先將 TC4 粉末放于惰性氣體加熱器中，在 200℃的溫度條件下進(jìn)行烘干處理，該處理過程主要是為了及時(shí)去除粉末中多余的水分。當(dāng)獲得激光 3D 打印制造的塊體以后，實(shí)施線切割處理，其制備尺寸為 15mm×10mm×10mm 的單道金相試樣以及 Z 方向和 XY 方向向拉伸試樣，其拉伸試樣如圖 1 所示。

利用砂紙對(duì)金相試樣進(jìn)行相應(yīng)的研磨、拋光處理，隨后利用 Kroll 腐蝕液對(duì)其加以腐蝕處理，腐蝕時(shí)間維持在 0.5min 左右。隨后，利用蔡司 ZX-10 型金相顯微鏡、SU8010 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡來進(jìn)行金相試樣組織的具體分析，使用電子萬(wàn)能試壓機(jī)進(jìn)行試樣力學(xué)性能的檢測(cè)。

3、 試樣結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

試樣結(jié)果如表 2 所示。根據(jù)熔合比指標(biāo)，3、6、7號(hào)的熔合比相對(duì)較小。根據(jù)其最終的單道 3D 打印層外觀，在 3 號(hào)試樣表面，存在著大量的粘粉，這種情況可能是激光功率不夠造成的；6 號(hào)與 7 號(hào)試樣中的 3D 打印層外觀相對(duì)較好，而且其熔合比都略微高于 3 號(hào)試樣。從 3、6 與 7 號(hào)試樣的總體來看，7 號(hào)試樣的送粉量相對(duì)較多。因此，相比較而言，7 號(hào)試樣的相關(guān)參數(shù)更為合理。在本次試驗(yàn)中，有關(guān)人員能夠充分獲得單道 3D 打印層的橫截面組織情況。根據(jù)每個(gè)試樣的呈現(xiàn)結(jié)果，有關(guān)人員直接進(jìn)行熔深與余高的測(cè)量，當(dāng)獲得這些參數(shù)以后，依舊熔合比的計(jì)算公式，能夠有效進(jìn)行各個(gè)試樣熔合比的精確計(jì)算。根據(jù)所計(jì)算的熔合比，可得出在試驗(yàn)過程中基板材料對(duì) 3D 打印層的影響大小，即越小的情況下，基板材料對(duì)打印層的影響越小，越能夠保障打印質(zhì)量[3]。

4、 激光 3D 打印對(duì)鈦合金質(zhì)量的影響

4.1 顯微組織

根據(jù)此次試驗(yàn)，能夠直接獲得激光 3D 打印工藝下TC4 鈦合金的顯微組織圖。根據(jù)相應(yīng)的試驗(yàn)分析，在高溫條件下，粗大的 β 柱狀晶基本上可以與 3D 打印方向保持垂直方向，且此種條件下柱狀晶寬度僅僅為 0.5mm左右。此外，通過深入分析可知，柱狀晶線先析出 α 相，其表現(xiàn)為棒狀分布的狀態(tài)。隨著試驗(yàn)的繼續(xù)，柱狀晶內(nèi)逐步析出大量片層 α 相、少量片層 α 魏氏板條相、短棒狀 α 相。其中，α 魏氏板條相呈現(xiàn)出細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)，其長(zhǎng)度較大，尖端基本上不存在球化現(xiàn)象，主體沿著晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)，呈現(xiàn)集束狀形態(tài)。短棒狀 α 相的出現(xiàn)主要是在激光 3D 打印技術(shù)的應(yīng)用過程中，先析出與后析出的 α 相都逐步在長(zhǎng)大，由于生長(zhǎng)方向的差異性，不同方向上的 α 相在相互接觸以后會(huì)立即停這種情況下對(duì)一些 α 相起到了重要的抑制作用，最終形成了短棒狀 α 相。激光 3D 打印技術(shù)條件下，柱狀晶組織的存在將會(huì)影響鈦合金的拉伸性能。一般情況下，沿著柱狀晶生長(zhǎng)方向的鈦合金拉伸性能相對(duì)較好[4]。

4.2 室溫拉伸性能

在本次試驗(yàn)中，只有當(dāng)工藝參數(shù)最優(yōu)的情況下，室溫拉伸性能才能夠符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。在本試驗(yàn)中，其最佳的工藝參數(shù)為激光輸出功率 1900W、掃描速度700mm/min、 送 粉 量 10g/min。 此 條 件 下， 能 夠 獲 得TC4 鈦合金試驗(yàn)的室溫拉伸性能結(jié)果。根據(jù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得出：鈦合金 Z 方向的拉伸塑性相對(duì)要高于 XY 方向，但是 Z 方向的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 XY 方向。從激光 3D 打印工藝的實(shí)際應(yīng)用來看，TC4鈦合金的強(qiáng)度符合國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與要求，且 Z 方向的塑性指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于 TC4 鈦合金構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)，而 XY方向的塑性指標(biāo)相對(duì)較差[5]。

從根本上來看，激光 3D 打印工藝所制造出的 TC4鈦合金構(gòu)件在 Z 方向上的塑性相對(duì)較好，這主要是由晶粒生長(zhǎng)方向、組織形態(tài)所決定的。由于在 Z 向晶粒的生長(zhǎng)方向大致與 3D 打印方向垂直，而柱狀晶粒組織的形態(tài)使得在 3D 打印條件下，存在于晶粒與晶粒之間的晶界能夠始終與拉伸方向保持平行狀態(tài)，最大程度上減小了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。XY 方向鈦合金的拉伸方向始終與晶界垂直，基本上不會(huì)存在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使得此方向上的強(qiáng)度相對(duì)較高，而塑性相對(duì)較小。

4.3 室溫拉伸斷口

根據(jù)此次試驗(yàn)，能夠最終獲得激光 3D 打印層分別在 Z 方向與 XY 方向的拉伸試樣斷口形態(tài)，根據(jù)最終的呈現(xiàn)結(jié)果來看，3D 打印條件下，鈦合金在 Z 方向、XY方向上的斷口都表現(xiàn)為不滿韌窩、塑性斷口的形態(tài)。總之，激光 3D 打印工藝雖然是一種有效的工藝技術(shù)，尤其是在鈦合金構(gòu)件的制造方面。但要想充分發(fā)揮激光 3D 打印工藝的應(yīng)用效果，則在實(shí)際的應(yīng)用過程中，相關(guān)人員必須從鈦合金構(gòu)件的性能、質(zhì)量要求著手，對(duì)激光 3D 打印工藝的相關(guān)參數(shù)加以必要的優(yōu)化與處理，保障其工藝參數(shù)能夠符合鈦合金處理的質(zhì)量要求，發(fā)揮激光 3D 打印工藝在鈦合金快速成型、控制成本、提高效率方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，保障鈦合金構(gòu)件的性能。

5、 結(jié)束語(yǔ)

近年來，隨著我國(guó)工業(yè)與城市的快速發(fā)展，各種技術(shù)不斷進(jìn)步，在鈦合金材料的應(yīng)用方面，激光 3D 打印工藝是一種有效的處理技術(shù)，能夠在鈦合金構(gòu)件的質(zhì)量控制、性能優(yōu)化方面發(fā)揮重要的作用。但是，在實(shí)際的工藝應(yīng)用中，相關(guān)人員需結(jié)合鈦合金構(gòu)件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與要求，對(duì) 3D 打印工藝的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最大程度達(dá)到技術(shù)應(yīng)用的理想效果。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 周宇羚, 單等玉, 王爭(zhēng)飛, 等. 激光拋光3D 打印鈦合金板的機(jī)理及工藝研究[J]. 應(yīng)用激光,2019,39(4):621-627.

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[5] 李傳濤.3D 打印技術(shù)在航空鋁合金薄壁零件上的應(yīng)用[J].機(jī)電信息,2019,585(15):86-87.

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tag標(biāo)簽:TC4鈦合金,鈦合金材料,激光3D打印

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