SLM技術制備Ti5553鈦合金的缺陷演化與性能優化：激光功率提升/掃描速度降低減少未熔合缺陷，過高能量密度引發匙孔缺陷，工藝參數與缺陷、晶粒、性能的關聯模型為航空航天復雜鈦合金構件高效成形提供技術支撐

Ti5553(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr)合金是一種商用亞 穩態β 鈦合金，其比強度較高、質量輕、斷裂韌性、淬 透性和耐蝕性較好[1~5] 。用高性能Ti5553鈦合金可制 造發動機艙、機殼、機翼以及機翼連接構件等關鍵 部件[6~10] 。

選區激光熔化(Selective Laser Melting，SLM) 是一種先進的增材制造技術，可用于制造復雜形狀 的金屬零件[11~13] 。SLM 使用的原材料是小粒徑金 屬粉末，在激光熔化過程中能均勻熔化和固化。激 光束聚焦到特定位置的金屬粉末，使其瞬間熔化形 成一個極小的熔池。一層金屬粉末熔化和固化后， 建造臺下降一個微小的距離為下一層金屬粉末提 供空間。這個過程不斷重復，直到制備出整個零 件。SLM技術的優勢有：可制造復雜幾何形狀的零 件、材料利用率高、制造效率高[14] 。調節激光功率 和掃描速度等 SLM 工藝參數，可改變零件的致密 度等性能[15,16] 。Zhou 等[17] 使用 CT 分析了用不同工 藝參數制造的樣品中缺陷的尺寸、形態和空間分 布。他們建立了一個將缺陷體積分數與工藝參數 相關聯的數學模型，證明使用無損 X 射線 CT 技術 可表征SLM零件中的缺陷并優化制造工藝。Gong 等[18] 研究了激光和電子束選區熔化制備的 Ti-6Al4V零件中的缺陷對其力學性能的影響，發現缺陷使 材料的強度和延伸率顯著降低。Fousová 等[19] 采用 不同參數的 SLM 工藝制備了 Ti-6Al-4V 樣品，發現 激光功率和掃描速度是影響其致密度和壓縮性能的 關鍵參數。Choy等[20] 優化激光功率和掃描速度，用 SLM 技術制備出致密度高達 99.9% 的 Ti-6Al-4V 零件。

本文用SLM技術制備Ti5553合金構件，研究激 光功率和掃描速度等工藝參數對其致密度等性能的 影響，分析缺陷的特征和形成規律，以及力學性能與致密度的關系。

1、實驗方法

SLM成型用Ti5553粉末的粒徑為15~53μm。用AmProSP101型金屬鋪粉3D打印機制備實驗用Ti5553樣品，粉層厚度為0.03mm，掃描間距為0.06mm,層間旋轉角度為67°,條寬為10mm,激光光斑直徑為0.06mm。以功率和掃描速度為變量設計了36組參數制備樣品。激光功率為70~120W，功率跨度為10W，掃描速度為300~800mm/s，跨度為100mm/s。樣品的長、寬、高均為10mm。

使用線切割從基板上截取樣品，基板的材質為TC4。在36個樣品中選取9個試樣，其命名(A1-C3)列于表1。

用GeminiSEM-300場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察用于打印的粉末的形貌。沿打印樣品生長方向的截面截取金相試樣，依次用80#、200#、800#、1500#、2000#、3000#砂紙打磨樣品的表面，然后用二氧化硅拋光液拋光。用Archimedes法、金相法和CT(Computed Tomography,計算機斷層掃描)法測量致密度。用SHUJU SJ-300固體密度計和Ar-chimedes法測試樣品的密度計算樣品的致密度。用HAL-100 ZEISS型光學顯微鏡(OM)觀察樣品中缺陷的分布。將9個打印樣品分別加工成長4mm、寬4mm和高6mm的立方體，用Xradia 515 Versa型X射線斷層掃描儀統計樣品的致密度，得到直觀可見的缺陷形貌、數量、體積分數圖像。用MTS Landmark型伺服液壓控制測試系統按照GB/T73142017標準測試樣品的壓縮性能，壓縮速率為0.5mm/min，每個工藝參數測試2個樣品，取其結果的平均值。用密度計測量樣品的密度，將其除以Ti5553的理論密度4.65g/cm3得到樣品的致密度，孔隙率=1-致密度。

2、實驗結果

表1選取樣品的編號和工藝參數

Table 1 The numbering and process parameters for sample selection

2.1 Ti5553合金粉末的形貌和粒度分布

2.2樣品的致密度和孔隙率

如圖4a所示，激光功率為110W，掃描速度為300mm/s的樣品，其最大致密度可達99.99%。在相同功率下掃描速度降低使密度提高，掃描速度為500~600mm/s的樣品其致密度最高。能量密度與致密度的關系散點圖，如圖4b所示?？梢钥闯觯S著能量密度的提高致密度隨之提高。功率高于200J/mm3時，致密度達到最大值后降低，因為過高的能量密度導致匙孔的形成。

率,再根據孔隙率計算出致密度。

2.3樣品中微觀缺陷的分布

2.4樣品中的CT缺陷

圖5給出了不同工藝參數樣品的微觀缺陷分布。可以看出，在能量密度較低的A區域出現了較多的未熔合缺陷;B區域中的缺陷較少。在功率不變的情況下，掃描速度的提高使致密度降低，在金相照片中可見明顯的未熔合缺陷。功率為70~90W時，這種情況尤為顯著。

樣品中缺陷的形貌可分為兩類:一類是能量密度較低時形成的形狀不規則、尺寸較大的未熔合缺陷;另一類是能量密度過高時形成的球形度較大、尺寸較小的匙孔,是粉末中的雜質氣化形成的氣孔。

圖6給出了樣品A1、A2、A3的CT圖,圖中不同的顏色表示缺陷的大小不同。在功率低于70W的樣品中缺陷無規則且體積分數較大,不同大小的缺陷均勻彌散分布。較大的未熔合缺陷呈不規則的橢

圓狀或片狀，沿打印方向上的弗雷特直徑較小，在打印方向的法平面方向弗雷特直徑較大。隨著掃描速度的提高缺陷的體積分數提高(數量增多),缺陷的最大弗雷特直徑隨之增大(表2)。A3樣品中缺陷的最大弗雷特直徑達到了4.237mm。在能量密度較低的樣品中未熔合缺陷極多，將較小的缺陷連成較大且連續的未熔合缺陷群。隨著掃描速度的降低這些缺陷群逐漸斷開和變小，在A1樣品中只見一個標紅的較大缺陷。

樣品的致密度降低,在C2和C3樣品中也觀察到一個弗雷特直徑較大的未熔合缺陷。在C1樣品中形狀規則、球形度較高且體積分數較小的匙孔，是過高的能量密度使金屬蒸發產生的氣孔。

在功率不變的情況下，提高掃描速度使樣品中的缺陷增多、體積分數提高和分布密集;在掃描速度不變的情況下，激光功率的提高使樣品中的缺陷數量減少、體積分數降低。這表明，一味地提高激光功率和降低掃描速度并不能使致密度持續提高。過高能量密度使金屬粉末熔化后進一步氣化，熔融的金屬凝固使樣品中產生形狀規則的氣孔。

圖7給出了B1、B2和B3的CT圖。與激光功率為70W的樣品相比，隨著激光功率的提高可觀測到未熔合缺陷的體積分數降低、數量減少。與功率為70W的樣品相同的是，隨著激光掃描速度的提高功率為100W的樣品中不規則的未熔合缺陷數量增多和體積分數提高。在B1樣品中可觀察到較大的環狀未熔合缺陷。

用Archimedes法和金相法測得的致密度與用CT法測得的致密度比較，其差別如表3所示?？梢钥闯?樣品的致密度越低差別越大。樣品的致密度越高，差別越小。

2.5樣品的壓縮性能

圖8給出了C1、C2和C3的CT圖。與功率為70W和100W的6個樣品相比，激光功率為120W的樣品中未熔合缺陷的體積分數大幅度降低，數量也大幅度減少。掃描速度的提高也使功率為120W

表2CT樣品中缺陷的最大弗雷特直徑

Table 2 Maximum Feret diameter of defects in CT samples

圖9給出了樣品的工程應力-應變曲線。致密度高于99%的樣品其屈服強度為805.5~864 MPa,其中致密度為99.99%的C1樣品其打印態屈服強度為862.5MPa。A1、A2、A3、B3樣品在壓縮過程中發

生了斷裂失效，其他樣品均未失效。由此可以推測，致密度低于98.71%的樣品在壓縮時失效。根據圖9計算出各參數樣品的屈服強度和對應的能量密度，如表4所示。

圖10給出了不同激光打印參數Ti5553的屈服強度及其與能量密度的關系。可以看出，在功率相同的條件下,隨著掃描速度的提高屈服強度隨之降低。其原因是,樣品中的缺陷對力學性能產生了較大的影響。樣品中的缺陷越多、缺陷的尺寸越大,則樣品的屈服強度越低[21]。激光功率同為100W,B2樣品的屈服強度最高(852MPa),比致密度較高的樣品B1高。同樣地，功率同為120W的樣品C2和C1也出現了相同的情況。隨著能量密度的提高Ti5553樣品的屈服強度隨之提高，這種趨勢在能量密度較低時尤為顯著。能量密度高于約166.67J/mm3的樣品,屈服強度趨于平穩。

表3不同方法測試的致密度及其誤差

Table 3 Different methods for measuring relative density values and errors

Note: AM-the Archimedes Method

表4不同參數Ti5553合金樣品的能量密度與屈服強度

Table 4 Energy density and yield strength of Ti-5553 alloy with different parameters

3、討論

3.1工藝參數對缺陷形成的影響

樣品的致密度與激光能量密度的關系，可表示為

式中E為能量密度(J/mm3);P為激光功率(W);V為單位時間內掃過的粉體體積(mm3);v為掃描速度(mm/s);h為粉層厚度(mm);d為掃描間距(mm)。用金相法測試致密度的結果表明，激光功率為110W、掃描速度為300mm/s的樣品致密度最高。能量密度為203.7J/mm3制備的樣品，其致密度為99.99%。能量密度的提高使樣品的致密度提高，但是過高的能量密度使金屬發生氣化,產生的匙孔使致密度降低。實驗結果表明，在能量密度相同的條件下，其它工藝參數不同也使致密度不同。其原因是，在能量密度足夠高的條件下，提高激光功率和掃描速度也可能使軌跡從連續狀態轉變為不規則和球化狀態，從而影響構件的致密度[22]。因此，只依據能量密度確定的最優參數，是不準確的。從圖7a和圖8c可以看出，掃描速度和激光功率都較高的樣品，其中缺陷的體積較大。激光功率和掃描速度較低的樣品，其中的缺陷體積較小。這表明，即使能量密度接近，降低激光功率和掃描速度也能減小缺陷的體積。需要指出的是，本文關注激光功率和掃描速度對樣品的組織和力學性能的影響，因此使用了一種層厚。層厚不同也顯著影響構件的缺陷和組織[23]。這表明，調節層厚也是優化SLM制備的Ti5553構件的致密度和力學性能的有效手段。

3.2用不同方法測量的致密度的誤差和工藝參數影響壓縮性能的機制

用金相法和Archimedes法測出的致密度有一定的誤差。用Archimedes法測量致密度，樣品的體積越小誤差越大。樣品中缺陷的體積分數和數量也影響其壓縮性能。樣品的缺陷越少、體積越小，其壓縮性能越高，尤其是致密度不高于99%時。致密度高于99%的樣品(圖5),B1的致密度為99.93%,屈服強度為843.5MPa,B2的致密度為99.62%，屈服強度為852 MPa。B2的致密度低于B1，但是其屈服強度卻高于B1。致密度高于99%的樣品,缺陷對力學性能的影響較小。在功率相同的條件下，掃描速度越高熔池的冷卻越快，只能生成較小的晶粒，其屈服強度就比較高[24]。同時，能量密度較低的樣品具有混合的柱狀和細晶粒結構，因為熔池的重疊不足以打破柱狀晶粒結構。能量密度更高的樣品呈現出等軸晶粒形貌，因為其熔池足夠大且重疊，整個區域熔融生成了等軸晶粒[25]。與柱狀晶樣品相比，這些等軸晶樣品具有各向同性并具有更好的塑性變形能力，因此其壓縮性能更優。

4、結論

(1)隨著激光能量密度的提高，用選區激光熔化技術(SLM)制備的Ti5553合金樣品缺陷減少，致密度提高。能量密度相同但是工藝參數不同的樣品其致密度不同。

(2)在工藝窗口外，降低激光功率、提高掃描速度使未熔合缺陷的增多，提高激光功率、降低掃描速度使形狀規則、體積較小的匙孔增多。

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（注，原文標題：激光功率和掃描速度對SLM制備Ti5553合金性能的影響）