鈦合金因具有比強度高、熱強性好、耐腐蝕等優點,近年來已成為先進飛機和高推比發動機的主要金屬結構材料[1-4]。TC4鈦合金是目前在航空航天領域應用最為廣泛的鈦合金,利用激光直接成形制備TC4鈦合金零件可適應先進飛機"低成本、短周期、高性能"的設計原則。為了最大限度減輕結構件重量，同時保證較高的使用性能,飛機用鈦合金關鍵零件通常采用形狀復雜的整體帶筋加強結構[5-6]。采用傳統自由鍛加數控機加的制造路線制備零件時，存在材料利用率低、研制周期長、制造成本高等缺點[7-8]，因而開發航空鈦合金構件近凈成形技術，對于提高材料利用率和節省成本具有重要的意義和工程價值。

激光直接成形技術是20世紀90年代中期迅速發展起來的一項新的先進制造技術，借鑒快速原型技術"離散+堆積"的增材制造思想，同時將激光熔覆所獲得的優越的熔凝組織擴展到三維實體零件整體，從而能夠實現高性能復雜結構金屬零件的無模具、快速、近凈成形[9-12]。激光立體成形鈦合金在降低鈦合金制品的成本、縮短研制周期、提高合金力學性能等方面展示出巨大的發展前景[13]，該技術一經出現，就成為發達國家和我國先進制造技術和激光加工技術領域研究的熱點[14-15]。

本文以TC4鈦合金為研究對象，開展TC4鈦合金激光直接成形技術的工藝研究，以加工過程中的激光功率、掃描速度及送粉量為變量進行3因素3水平正交實驗，分析工藝參數對激光直接成形TC4鈦合金單層和塊體沉積微觀組織的影響規律，從而優化激光直接成形TC4鈦合金的激光成形工藝窗口，為激光直接成形TC4鈦合金工藝參數和后續熱處理工藝參數制定提供參考。

1、實驗材料及方法

1.1 實驗材料和實驗設備

激光直接成形實驗原材料使用TC4鈦合金球形粉末，粉末化學成分如表1所示。從表1可看出，粉末元素含量滿足 GJB 9577-2018[16]的指標要求。TC4鈦合金球形粉末的微觀形貌如圖1所示。可以看出，粉末粒徑為75~180μm。激光直接成形用基材為滿足GJB 2744A-2019[17]要求的TC4鈦合金鍛件。激光直接成形前將TC4鈦合金基材打磨至平整，并采用酒精清洗。實驗設備為B100X激光直接成形系統，載粉氣體和保護氣體為高純氬氣。

表1 激光直接成形用TC4鈦合金粉末的化學成分(%，質量分數)

采用線切割機沿垂直激光成形方向截取5mm長度的樣品，并使用鑲樣機將樣品橫截面朝外然后經打磨、拋光、腐蝕、浸蝕等步驟制備金相試樣，采用OLYMPUS金相顯微鏡觀察和分析合金的微觀組織。

2、實驗結果與討論

2.1 工藝參數對單道單層沉積層微觀組織的影響

為分析工藝參數對激光直接成形TC4鈦合金單道單層沉積層寬度、高度及寬高比 η 的影響，制定了以掃描速度、激光功率、送粉量為變量的3因素3水平正交實驗方案，工藝參數及測得的沉積層參數見表2。單道單層沉積層是構成激光直接成形塊體的基本幾何單元，其形狀特征是制定搭接、抬升工藝的基礎，也是調整、優化工藝參數的基本依據。

圖2為根據表2所示的工藝參數激光直接成形的單道單層沉積層的截面微觀組織。從圖2可以看出，9組工藝參數條件下，單道單層沉積層的冶金質量良好，均無裂紋、氣孔、未熔合等缺陷，因此，在3000~4000 W激光功率、750~950 mm·min?1掃描速度、14~18 g·min?1送粉量的工藝參數組合下均可獲得冶金質量良好的單道單層沉積層。

為了確定沉積層寬高比,測量出不同激光功率、掃描速度及送粉量下的沉積層的寬度和高度,如表2所示。一般來說，當沉積層寬高比 η>3時，有利于通過多道搭接獲得平整的表面。但沉積層寬高比不宜過大,過大的沉積層寬高比會降低沉積效率。進一步根據表2數據,進行極差分析,如表3所示。根據表3數據,繪制激光成形工藝參數(激光功率、掃描速度及送粉量)與單道單層沉積層的關系曲線,如圖3所示。

表2 激光直接成形TC4鈦合金的正交實驗方案和結果

表3 激光直接成形TC4鈦合金的單道單層沉積層極差分析結果

從表3中極差排序可看出，對于沉積層寬度和沉積層高度，均是掃描速度的影響最大，其次為送粉量和激光功率，即各參數對單道單層沉積層的寬度和高度的影響順序為掃描速度>送粉量>激光功率。而對寬高比的影響順序為掃描速度>激光功率>送粉量。從圖3可看出，隨掃描速度增加，沉積層寬度增加，沉積層高度先減小后增加。隨激光功率增加，沉積層寬度先減小后增加，沉積層高度增加。隨送粉量增加，沉積層寬度先減小后增加，沉積層高度降低。對于寬高比，掃描速度顯著影響寬高比，隨掃描速度增加，寬高比明顯增加，而激光功率和送粉量對寬高比的影響較小。

盡管在本文工藝參數下均可獲得冶金質量良好的單道單層沉積層，但考慮到大尺寸零件采用激光直接成形工藝制備時，需要同時兼顧冶金質量及沉積效率，以提高加工效率。此外，沉積層極差較分散，需要進一步縮小激光工藝參數范圍，以形成較穩定的沉積層。

因此，在表2所示工藝參數基礎上，優化選取3800和4000W為邊界激光功率、選取850和950mm·min?1為邊界掃描速度、選取16和18g·min?1為邊界送粉量，如表4所示。

圖4為采用優化工藝參數(表4)制備的單道單層沉積層截面微觀組織。從圖4可看出，優化激光直接成形工藝參數后，單道單層沉積層的冶金質量良好，沉積層形貌均勻。從表4中沉積層參數可看出，優化工藝參數后單道單層沉積層的寬高比均仍大于3，且更加均勻，分布于4.27~5.63之間，極差僅為1.36。同時單道熔覆層能量密度增大，在一定程度上可降低層間缺陷的產生概率。因此，在激光功率為3800~4000W、掃描速度為850~950mm·min?1、送粉量為16~18g·min?1的工藝參數下激光成形時,可獲得優良的沉積層冶金質量和較高的沉積效率。

表4 工藝參數優化后激光直接成形TC4鈦合金的正交實驗方案和結果

2.2 工藝參數對TC4鈦合金塊體微觀組織的影響

圖5為優化后工藝參數(表4)下激光直接成形制備的TC4鈦合金塊體的微觀組織。從圖5可看出，在所有工藝參數范圍內塊體微觀組織均顯示出良好的冶金質量，未觀察到明顯的氣孔，也未觀察到明顯的裂紋及未熔合現象。從微觀組織來看，合金微觀組織由(α+β)柱狀晶構成，柱狀晶主軸方向平行于沉積高度方向。這是由于激光直接成形時沉積層高度方向散熱遠大于沉積層水平方向導致的。柱狀晶在其他鈦合金激光成形時是普遍存在的，例如:楊興遠等[18]采用激光選區熔化成形技術制備TA7鈦合金內部組織為平行于成形方向的柱狀β晶粒;蔡小葉等[19]對TA15鈦合金進行了激光熔化成形，發現合金沉積層存在β柱狀晶;李長富等[20]盡管通過添加超聲振動降低了β柱狀晶長寬比，但β柱狀晶仍然是存在的。

此外，激光成形工藝參數對合金塊體微觀組織也存在影響。對比2-1#和2-5#試樣的微觀組織，當掃描速度、送粉量保持恒定，激光功率由3800 W提升至4000W時，盡管微觀組織均為柱狀晶構成，但2-1#柱狀晶直徑約為420μm，2-5#試樣柱狀晶直徑約為630μm，2-1#試樣的柱狀晶比2-5#試樣的柱狀晶明顯更細更長，且α相含量更少。產生以上現象的原因是當掃描速度和送粉量恒定時，提高激光功率將使作用在單位面積的熱量增加，在逐層沉積時溫度梯度減小，沉積層高度散熱方向更加不明顯，因而柱狀晶長度減小，析出的α相含量增加。對比2-5#和2-7#試樣的微觀組織，固定激光功率為4000 W、送粉量為16g·min?1，掃描速度從850mm·min?1增加至950mm·min?1時，2-7#試樣的柱狀晶直徑約為400μm，比2-5#試樣的柱狀晶更細更長，且α相含量更少。這是因為提高掃描速度，則激光作用時間縮短，在逐層沉積時溫度梯度升高，從而促進柱狀晶生長，但因凝固時間短，析出的α相含量減少[21]。對比2-7#和2-8#試樣的微觀組織，固定激光功率為4000W、掃描速度為950 mm·min?1，送粉量從16g·min?1增加至18g·min?1時，因送粉量增加，單位體積內熱量減少，沉積層溫度降低，柱狀晶變細變長，α相含量減少。

2.3 激光直接成形TC4鈦合金塊體的化學成分

表5為工藝參數優化后激光直接成形制備的TC4鈦合金塊體的化學成分。從表5中各化學成分數據可看出，整體而言，相對于合金粉末，合金主要元素Al、Fe和V含量均有所降低，說明在激光直接成形過程中Al、Fe和V會被少量燒損。在各工藝參數下,TC4鈦合金的主要強化元素Al、V含量波動非常小，Al元素含量在6.16%~6.22%之間，V元素含量在3.94%~3.98%之間。同時也可以看出，O、C、N及H等雜質元素保持相對均勻且較低的含量水平。尤其需特殊指出的是，相對合金粉末的含量，激光直接成形塊體的O和N含量更低，可能的原因是由于在惰性氣體中進行成形，少數空心粉末內的空氣發生逃逸導致。此外，隨激光功率、掃描速度及送粉量等因素的變化，各元素含量未發生較大程度變化，即在優化工藝參數下激光直接成形工藝參數對TC4鈦合金塊體化學成分影響不大。

表5 激光直接成形過程中各參數下的化學成分(%，質量分數)

3、結論

(1)各參數對單道單層沉積層的寬度和高度的影響順序為掃描速度>送粉量>激光功率，寬高比隨掃描速度增加顯著增加，而激光功率和送粉量對寬高比影響較小。

(2)激光直接成形TC4鈦合金塊體組織由(α+β)柱狀晶構成，隨激光功率增加、掃描速度降低及送粉量減少，柱狀晶變粗變短，α相含量增加。

(3)從獲得優良冶金質量和高沉積效率考慮，激光工藝參數應選取激光功率為3800~4000W、掃描速度為850~950mm·min?1、送粉量為16~18 g·min?1。

(4)在優化激光直接成形工藝參數下，主要強化元素Al、V含量波動小，O、C、N及H等雜質元素保持相對均勻且較低的含量水平。

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（注，原文標題：工藝參數對激光成形TC4鈦合金單層和塊體沉積成形的影響_鄭超）

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