SLM技术制备Ti5553钛合金的缺陷演化与性能优化：激光功率提升/扫描速度降低减少未熔合缺陷，过高能量密度引发匙孔缺陷，工艺参数与缺陷、晶粒、性能的关联模型为航空航天复杂钛合金构件高效成形提供技术支撑

Ti5553(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr)合金是一种商用亚 稳态β 钛合金，其比强度较高、质量轻、断裂韧性、淬 透性和耐蚀性较好[1~5] 。用高性能Ti5553钛合金可制 造发动机舱、机壳、机翼以及机翼连接构件等关键 部件[6~10] 。

选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM) 是一种先进的增材制造技术，可用于制造复杂形状 的金属零件[11~13] 。SLM 使用的原材料是小粒径金 属粉末，在激光熔化过程中能均匀熔化和固化。激 光束聚焦到特定位置的金属粉末，使其瞬间熔化形 成一个极小的熔池。一层金属粉末熔化和固化后， 建造台下降一个微小的距离为下一层金属粉末提 供空间。这个过程不断重复，直到制备出整个零 件。SLM技术的优势有：可制造复杂几何形状的零 件、材料利用率高、制造效率高[14] 。调节激光功率 和扫描速度等 SLM 工艺参数，可改变零件的致密 度等性能[15,16] 。Zhou 等[17] 使用 CT 分析了用不同工 艺参数制造的样品中缺陷的尺寸、形态和空间分 布。他们建立了一个将缺陷体积分数与工艺参数 相关联的数学模型，证明使用无损 X 射线 CT 技术 可表征SLM零件中的缺陷并优化制造工艺。Gong 等[18] 研究了激光和电子束选区熔化制备的 Ti-6Al4V零件中的缺陷对其力学性能的影响，发现缺陷使 材料的强度和延伸率显著降低。Fousová 等[19] 采用 不同参数的 SLM 工艺制备了 Ti-6Al-4V 样品，发现 激光功率和扫描速度是影响其致密度和压缩性能的 关键参数。Choy等[20] 优化激光功率和扫描速度，用 SLM 技术制备出致密度高达 99.9% 的 Ti-6Al-4V 零件。

本文用SLM技术制备Ti5553合金构件，研究激 光功率和扫描速度等工艺参数对其致密度等性能的 影响，分析缺陷的特征和形成规律，以及力学性能与致密度的关系。

1、实验方法

SLM成型用Ti5553粉末的粒径为15~53μm。用AmProSP101型金属铺粉3D打印机制备实验用Ti5553样品，粉层厚度为0.03mm，扫描间距为0.06mm,层间旋转角度为67°,条宽为10mm,激光光斑直径为0.06mm。以功率和扫描速度为变量设计了36组参数制备样品。激光功率为70~120W，功率跨度为10W，扫描速度为300~800mm/s，跨度为100mm/s。样品的长、宽、高均为10mm。

使用线切割从基板上截取样品，基板的材质为TC4。在36个样品中选取9个试样，其命名(A1-C3)列于表1。

用GeminiSEM-300场发射扫描电子显微镜(SEM)观察用于打印的粉末的形貌。沿打印样品生长方向的截面截取金相试样，依次用80#、200#、800#、1500#、2000#、3000#砂纸打磨样品的表面，然后用二氧化硅抛光液抛光。用Archimedes法、金相法和CT(Computed Tomography,计算机断层扫描)法测量致密度。用SHUJU SJ-300固体密度计和Ar-chimedes法测试样品的密度计算样品的致密度。用HAL-100 ZEISS型光学显微镜(OM)观察样品中缺陷的分布。将9个打印样品分别加工成长4mm、宽4mm和高6mm的立方体，用Xradia 515 Versa型X射线断层扫描仪统计样品的致密度，得到直观可见的缺陷形貌、数量、体积分数图像。用MTS Landmark型伺服液压控制测试系统按照GB/T73142017标准测试样品的压缩性能，压缩速率为0.5mm/min，每个工艺参数测试2个样品，取其结果的平均值。用密度计测量样品的密度，将其除以Ti5553的理论密度4.65g/cm3得到样品的致密度，孔隙率=1-致密度。

2、实验结果

表1选取样品的编号和工艺参数

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样品的致密度和孔隙率

如图4a所示，激光功率为110W，扫描速度为300mm/s的样品，其最大致密度可达99.99%。在相同功率下扫描速度降低使密度提高，扫描速度为500~600mm/s的样品其致密度最高。能量密度与致密度的关系散点图，如图4b所示。可以看出，随着能量密度的提高致密度随之提高。功率高于200J/mm3时，致密度达到最大值后降低，因为过高的能量密度导致匙孔的形成。

率,再根据孔隙率计算出致密度。

2.3样品中微观缺陷的分布

2.4样品中的CT缺陷

图5给出了不同工艺参数样品的微观缺陷分布。可以看出，在能量密度较低的A区域出现了较多的未熔合缺陷;B区域中的缺陷较少。在功率不变的情况下，扫描速度的提高使致密度降低，在金相照片中可见明显的未熔合缺陷。功率为70~90W时，这种情况尤为显著。

样品中缺陷的形貌可分为两类:一类是能量密度较低时形成的形状不规则、尺寸较大的未熔合缺陷;另一类是能量密度过高时形成的球形度较大、尺寸较小的匙孔,是粉末中的杂质气化形成的气孔。

图6给出了样品A1、A2、A3的CT图,图中不同的颜色表示缺陷的大小不同。在功率低于70W的样品中缺陷无规则且体积分数较大,不同大小的缺陷均匀弥散分布。较大的未熔合缺陷呈不规则的椭

圆状或片状，沿打印方向上的弗雷特直径较小，在打印方向的法平面方向弗雷特直径较大。随着扫描速度的提高缺陷的体积分数提高(数量增多),缺陷的最大弗雷特直径随之增大(表2)。A3样品中缺陷的最大弗雷特直径达到了4.237mm。在能量密度较低的样品中未熔合缺陷极多，将较小的缺陷连成较大且连续的未熔合缺陷群。随着扫描速度的降低这些缺陷群逐渐断开和变小，在A1样品中只见一个标红的较大缺陷。

样品的致密度降低,在C2和C3样品中也观察到一个弗雷特直径较大的未熔合缺陷。在C1样品中形状规则、球形度较高且体积分数较小的匙孔，是过高的能量密度使金属蒸发产生的气孔。

在功率不变的情况下，提高扫描速度使样品中的缺陷增多、体积分数提高和分布密集;在扫描速度不变的情况下，激光功率的提高使样品中的缺陷数量减少、体积分数降低。这表明，一味地提高激光功率和降低扫描速度并不能使致密度持续提高。过高能量密度使金属粉末熔化后进一步气化，熔融的金属凝固使样品中产生形状规则的气孔。

图7给出了B1、B2和B3的CT图。与激光功率为70W的样品相比，随着激光功率的提高可观测到未熔合缺陷的体积分数降低、数量减少。与功率为70W的样品相同的是，随着激光扫描速度的提高功率为100W的样品中不规则的未熔合缺陷数量增多和体积分数提高。在B1样品中可观察到较大的环状未熔合缺陷。

用Archimedes法和金相法测得的致密度与用CT法测得的致密度比较，其差别如表3所示。可以看出,样品的致密度越低差别越大。样品的致密度越高，差别越小。

2.5样品的压缩性能

图8给出了C1、C2和C3的CT图。与功率为70W和100W的6个样品相比，激光功率为120W的样品中未熔合缺陷的体积分数大幅度降低，数量也大幅度减少。扫描速度的提高也使功率为120W

表2CT样品中缺陷的最大弗雷特直径

Table 2 Maximum Feret diameter of defects in CT samples

图9给出了样品的工程应力-应变曲线。致密度高于99%的样品其屈服强度为805.5~864 MPa,其中致密度为99.99%的C1样品其打印态屈服强度为862.5MPa。A1、A2、A3、B3样品在压缩过程中发

生了断裂失效，其他样品均未失效。由此可以推测，致密度低于98.71%的样品在压缩时失效。根据图9计算出各参数样品的屈服强度和对应的能量密度，如表4所示。

图10给出了不同激光打印参数Ti5553的屈服强度及其与能量密度的关系。可以看出，在功率相同的条件下,随着扫描速度的提高屈服强度随之降低。其原因是,样品中的缺陷对力学性能产生了较大的影响。样品中的缺陷越多、缺陷的尺寸越大,则样品的屈服强度越低[21]。激光功率同为100W,B2样品的屈服强度最高(852MPa),比致密度较高的样品B1高。同样地，功率同为120W的样品C2和C1也出现了相同的情况。随着能量密度的提高Ti5553样品的屈服强度随之提高，这种趋势在能量密度较低时尤为显著。能量密度高于约166.67J/mm3的样品,屈服强度趋于平稳。

表3不同方法测试的致密度及其误差

Table 3 Different methods for measuring relative density values and errors

Note: AM-the Archimedes Method

表4不同参数Ti5553合金样品的能量密度与屈服强度

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

3、讨论

3.1工艺参数对缺陷形成的影响

样品的致密度与激光能量密度的关系，可表示为

式中E为能量密度(J/mm3);P为激光功率(W);V为单位时间内扫过的粉体体积(mm3);v为扫描速度(mm/s);h为粉层厚度(mm);d为扫描间距(mm)。用金相法测试致密度的结果表明，激光功率为110W、扫描速度为300mm/s的样品致密度最高。能量密度为203.7J/mm3制备的样品，其致密度为99.99%。能量密度的提高使样品的致密度提高，但是过高的能量密度使金属发生气化,产生的匙孔使致密度降低。实验结果表明，在能量密度相同的条件下，其它工艺参数不同也使致密度不同。其原因是，在能量密度足够高的条件下，提高激光功率和扫描速度也可能使轨迹从连续状态转变为不规则和球化状态，从而影响构件的致密度[22]。因此，只依据能量密度确定的最优参数，是不准确的。从图7a和图8c可以看出，扫描速度和激光功率都较高的样品，其中缺陷的体积较大。激光功率和扫描速度较低的样品，其中的缺陷体积较小。这表明，即使能量密度接近，降低激光功率和扫描速度也能减小缺陷的体积。需要指出的是，本文关注激光功率和扫描速度对样品的组织和力学性能的影响，因此使用了一种层厚。层厚不同也显著影响构件的缺陷和组织[23]。这表明，调节层厚也是优化SLM制备的Ti5553构件的致密度和力学性能的有效手段。

3.2用不同方法测量的致密度的误差和工艺参数影响压缩性能的机制

用金相法和Archimedes法测出的致密度有一定的误差。用Archimedes法测量致密度，样品的体积越小误差越大。样品中缺陷的体积分数和数量也影响其压缩性能。样品的缺陷越少、体积越小，其压缩性能越高，尤其是致密度不高于99%时。致密度高于99%的样品(图5),B1的致密度为99.93%,屈服强度为843.5MPa,B2的致密度为99.62%，屈服强度为852 MPa。B2的致密度低于B1，但是其屈服强度却高于B1。致密度高于99%的样品,缺陷对力学性能的影响较小。在功率相同的条件下，扫描速度越高熔池的冷却越快，只能生成较小的晶粒，其屈服强度就比较高[24]。同时，能量密度较低的样品具有混合的柱状和细晶粒结构，因为熔池的重叠不足以打破柱状晶粒结构。能量密度更高的样品呈现出等轴晶粒形貌，因为其熔池足够大且重叠，整个区域熔融生成了等轴晶粒[25]。与柱状晶样品相比，这些等轴晶样品具有各向同性并具有更好的塑性变形能力，因此其压缩性能更优。

4、结论

(1)随着激光能量密度的提高，用选区激光熔化技术(SLM)制备的Ti5553合金样品缺陷减少，致密度提高。能量密度相同但是工艺参数不同的样品其致密度不同。

(2)在工艺窗口外，降低激光功率、提高扫描速度使未熔合缺陷的增多，提高激光功率、降低扫描速度使形状规则、体积较小的匙孔增多。

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（注，原文标题：激光功率和扫描速度对SLM制备Ti5553合金性能的影响）