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钛合金3D打印钛棒成形技术及缺陷

发布时间: 2023-01-12 17:48:23    浏览次数:

3D打印技术又被称为“快速成形技术”、“增材制造技术”和“实体自由制造”等,其思想最早在19 世纪末出现于美国,并在20 世纪80 年代得到应用与发展,至今已有30 多年[1-2]。3D打印技术基于离散-堆积原理,采用与减材制造技术相反的加工方式(逐层累加),通过操作计算机使材料逐层累加,最终得到立体实物的过程[3-7]。相比于传统的 减材制造技术,3D打印技术具有精度高、工艺简单、自由度高、节约原材料、节省时间等优点,在航空航天、工业、国防、医疗、汽车、电子等领域得到了广泛的应用[8-9]。目前可用于3D打印的原料主要有高分子材料(树脂、塑料、橡胶等)、金属材料(铝合金、钛合金、不锈钢等)和非金属材料(陶瓷、石膏、纸张等),其中高分子材料和非金属材料3D打印技术起步较早、研究较多,技术相对成熟[8]。而金属材料3D打印技术则具备巨大的发展潜力,有专家预测,在未来制造业中,金属材料3D打印技术将会逐渐占据整个快速成形制造领域的主导地位[10]。

钛合金棒

钛棒、钛锻件等钛合金是一种重要的有色金属,具有密度小、比强度高,以及良好的耐腐蚀性能、高温变形性能和生物相容性等诸多优点,在航空航天、工业、国防、医疗等领域得到广泛应用[1, 11-12]。传统的锻造和铸造方法所制得的大型复杂的钛合金构件,由于成本高、工艺复杂、材料利用率低以及后续加工困难等不利影响,严重阻碍了其更为广泛的应用。而3D打印技术采用与传统的减材制造相反的加工方法,有着极高的材料利用率,相比传统的成形加工方法有着极大的优势。目前对钛合金3D打印的研究主要集中在材料、设备、技术以及工艺方面,但是对零件的成形过程中缺陷问题的研究还处于初步阶段。本文综述了国内外几种常用的钛合金3D打印技术,重点介绍了其在成形过程中缺陷的分类、危害以及形成原因的研究现状,并结合国内外的研究进展,对合金缺陷的改善方法进行探讨,对钛合金3D打印的发展前景进行展望。

1 、钛合金3D打印技术分类

当今,国内外常用的钛合金3D打印方法主要有以下几种。根据热源不同可分为:以激光为热源的激光选区烧结成形技术(selective laser sintering,SLS)、激光选区熔化成形技术(selective laser melting,SLM)和激光近净成形技术(laser solid forming,LSF);以电子束为热源的电子束选区熔化成形技术(electron beam selective melting, EBSM)和电子束熔丝沉积成形技术(electron beam fuse depositionforming, EBF3)。

SLS 技术基于激光粉末床,运用激光有选择地对粉末进行烧结,逐层叠加得到最终的实体零件。

具有材料利用率高、适用范围广、无需模具和支撑结构、可直接制造任意形状复杂的结构件等优点;但是由于烧结过程中粉末没有完全熔化,且之间没有受到压力,因此孔隙无法消除,最终得到的制件性能与传统制件相比仍有较大差距,存在残余应力大、致密度低、强度低等缺陷[10]。

LSF 技术采用同步送粉方式,在激光作用下钛合金粉末开始熔化、凝固,逐层堆积,可实现钛合金零件直接制造。该技术具有低成本、周期短、无需模具、材料利用率高等优点,但成形精度低,属于“近净成形”,需经过后续加工才能得到最终的制件[9]。

在SLS 技术基础上发展起来的SLM 技术所使用的激光功率更大,整个加工进程都处于保护氛围的成形舱内, 金属粉末完全熔化, 成功弥补了SLS 技术只能成形低熔点金属、孔隙大、力学性能差等缺点[13-14];成形件的精度高和表面质量好,无需后续加工,属于“净成形”,但是可成形的尺寸有限,且成本较高。

EBSM 技术与SLM 技术的成形原理基本相似,主要区别在于EBSM 技术采用能量更大的电子束为热源,整个成形过程均在真空环境中(≤10–2Pa)进行,能够很好地防止空气中其他有害杂质C、N、O 等的影响。具有成形速率快、能量密度高、无反射、聚焦方便、真空无污染、尺寸精度高、力学性能好等优点[15-17]。

基于LSF 技术基础发展起来的EBF3 技术,具有成形效率快、无反射、材料和能量的利用率高、真空无污染等优点,适合大中型钛合金零件的成形制造修复。以丝材代替粉末为原料虽然避免了吹粉问题,但是其成形精度差,需要后续表面处理[18-19]。

表1 为几种常见的钛合金3D打印技术比较。

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综合对比,EBSM 技术是未来最具发展前景的钛合金3D打印技术,理由如下:(1) EBSM 具有与SLM 技术相当的成形精度、表面质量以及良好的力学性能,而且也克服了SLM 技术不能成形大尺寸零件的缺点;(2)整个成形过程均在真空环境下进行,有效防止成形过程中C、N、O 元素对材料的污染;(3)采用功率更大的电子束代替激光束,不但 加快成形效率,而且降低生产成本。

2、3D打印成形钛合金构件缺陷分析

采用3D打印技术制备钛合金,成功克服了使用传统方法制备钛合金结构件时,所面临的费用高、材料浪费严重、加工工艺复杂,以及后续加工困难等不利因素,但采用3D打印技术成形钛合金零件时,由于粉末/丝材特殊的加工性能,或者工艺参数选择不当,工件容易出现球化、裂纹、孔隙以及翘曲变形等缺陷。如图1 所示,严重影响钛合金的机械性能和成形精度,阻碍了钛合金3D打印技术的发展。另外,缺陷无损检测是3D打印件能否实现广泛应用的基础,也是影响3D打印技术进一步发展的决定因素。目前,国内外对3D打印件缺陷进行无损检测的方法主要有[ 2 0 - 2 2 ]:渗透检测、X 射线检测、磁粉检测和超声检测等。随着3D打印件向结构大型化、复杂化和精细化方向发展,传统的无损检测方法已经不再适用于3D打印件的缺陷检测和分析,新型的无损检测技术工业CT 检测和激光超声在线无损检测相继问世。Plessis 等[23]采用CT 技术检测3D打印成形的复杂钛合金结构件,成功检出了孔隙率仅为0.005% 的微孔隙,这在采用常规无损检测方法是几乎不可能检出的。国内一专利[24]发明了激光超声无损检测技术,利用激光激励的超声表面波幅的变化检测3D打印过程中产生的缺陷,实现制造过程同步对零件进行检测。

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表2 列出几种常见的无损检测技术比较。

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随着科学技术的进步,3D打印技术也在不停地完善和发展,目前国内外逐渐对这些缺陷形成的原因、分类及其危害进行了大量的研究,以期使钛合金3D打印技术得到更为广泛的应用。

2.1 球化现象

球化现象是3D打印金属材料成形过程中常见的一种缺陷,是指金属粉末经激光或电子束熔化后,不能均匀地铺展于前一层,而是产生大量相互隔离的球状金属,这种现象被称为球化现象[25]。该缺陷主要的危害有以下两个方面:(1)导致金属件组织内部存在孔隙,大大降低成形件的力学性能并增加了表面粗糙度;(2)凝固后的金属球又会使下一层的铺粉不均匀,且铺粉辊又会与前一层所产生的金属球相互摩擦,不但会破坏成形件的表面质量,而且当他们之间摩擦非常大时,铺粉辊将无法动弹,致使成形过程终止。

近年来,越来越多的学者对球化现象形成原因进行了大量的研究,但各持不同的意见。其中“液态金属与固态表面的润湿问题”的说法较为普遍接受[26]。球化根据尺寸不同可分为大尺寸球化和小尺寸球化,对大尺寸球化的形成原因归结于液-固润湿问题。图2 所示为液态金属与固态金属的润湿示意图,当熔融金属液均匀铺展时,润湿角θ <90°,固液金属润湿性良好,不会出现球化,当金属液很难铺展于固态表面时,θ > 90°,固液金属润湿性差,产生球化反应。对于小尺寸球化的成因,则认为是加工过程中发生液滴飞溅,在熔道或熔道周围凝固成金属球,因为金属液飞溅相对较少,所以金属球的尺寸也较小。Sallica 等[12]通过研究SLM成形件Ti-6Al-4V 的微观组织,发现过高的激光功率会减小熔融金属的表面能,并导致球化现象的产生。张晓博[27]研究了加工环境对球化现象的影响,认为成形气氛中的氧元素容易与熔融金属液发生反应,形成一层致密的氧化物薄膜,该薄膜并不利于金属液与固体基底润湿、粘合,容易导致球化的产生,且球化现象随氧含量的增加,效果越明显;他还研究了工艺参数对球化现象的影响,认为激光功率过高,会出现“飞溅”,导致熔道间的金属球大量出现,球化现象明显;扫描速率过快,激光在粉末上停留的时间较短,金属液温度低,流动性及润湿性差导致球化现象明显。沈以赴等[15]认为球化是由于液相表面张力大、黏度高,或熔融粉末与未熔化的粉末颗粒和基板未发生浸润等的影响下产生,进一步分析表明,激光快速成形过程中的氧气是导致球化的直接原因。Gusarov 等[28]借助Plateau-Rayleigh 毛细不稳定理论[29]指出:球化现象与熔池的几何形状密切相关,在二维层面上,熔池长度与宽度的比值大于2.1 时,容易出现球化现象。

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2.2 孔隙

孔隙是成形过程中的另一种重要缺陷,对于一些高性能致密的钛合金制件,由于孔隙的存在严重降低了制件的力学性能和致密性,阻碍了钛合金的广泛应用。对于孔隙的成因研究报道较多,上面谈到的球化现象会引起制件的孔隙问题;裂纹也会导致孔隙的形成,随着裂纹尺寸的不断变大,裂纹会相遇连接,最后形成孔隙;另外粉末本身的缺陷也会导致孔隙产生,在快速熔化和凝固过程中,空心粉中含有的气体来不及逃逸,从而在成形件中残留形成孔隙,此类孔隙形貌多为球形或类球形。

Gong 等[30]通过使用较大范围的工艺参数成形Ti-6Al-4V 合金,根据孔隙率大小将工艺参数进行分类,并对孔隙的产生机理进行了讨论。薛雷等[31]分别采用未经干燥处理和经真空干燥处理的TC4粉末对制件进行激光快速修复,认为修复过程中孔隙的形成原因归因于以下两种:(1)粉末铺放时吸附了空气中的其他杂质气体,在随后的成形过程中受到激光/电子束加热、熔化后,又经快速凝固得到成形件,其组织内部的气体析出不及时,保留在成形件中并形成孔隙;(2)粉末不够干燥且存在水分,在加热熔融后,一部分在熔池表面附近的水分以水蒸气的形式蒸发逸出;远离熔池表面的另一部分水分,与(1)类似的情况,由于气体来不及逸出,在制件内部产生气孔。Zaeh 等[32]研究发现,使用高能量密度的热源加工时,容易造成受热不均,当某部分热量过高时,即使粉末还未引起球化现象,但仍会形成孔洞,并且空洞在后续的加工过程中会变长。

Sallica 等[12]研究发现当激光功率过低时,导致熔化不完全从而引起孔隙,影响致密性。

2.3 裂纹

裂纹是激光快速成形过程中影响极大的一种缺陷。在成形过程中,由于熔体过冷度大、冷却速率快,在冷却过程中应力得不到释放而保留在制件内,当应力集中超过材料屈服强度就会产生裂纹[27]。裂纹通常可分为微观裂纹和宏观裂纹两种,其中成形件组织内部的微观裂纹一般是凝固裂纹,归类为热裂纹;宏观裂纹则大部分表现为层间裂纹,属于冷裂纹范畴。若制件中存在裂纹,将严重影响制件的组织和力学性能。微裂纹尺寸相对较小,会降低抗疲劳性能,缩短成形件的使用寿命;对于粗裂纹而言,会影响零件的使用性能,甚至导致零件直接报废。

周旭等[33]研究了近α 钛合金激光选区熔化成形的开裂机理,得出如下结论:在残余应力作用下,裂纹形成于侧壁缺口,在沉积层上沿着硬脆化合物扩大。张升等[34]采用交替扫描策略制备出TC4 合金试样,得出如下结论:SLM 成形TC4 合金过程中裂纹主要为冷裂纹,具有典型的穿晶断裂特征,并指出是由于SLM 成形过程中激光熔化金属粉末受热不均,致使成形件组织内部产生大的残余应力,另外残余应力的作用下马氏体组织(抗裂强度低)也会产生裂纹。Lukas 等[35]研究了工艺参数对SLM技术的β 型TNM-B1 钛铝合金裂纹的成因,得出如下结论:功率和扫描速率较低时,制件容易产生垂直于熔池的裂纹,并认为在凝固过程中过快的冷却速率所产生的残余应力是导致开裂的主要原因。

西北工业大学的张凤英等[36]持相同的看法,也认为是工艺参数选择不当,造成SLM 制件内部粉末熔合不良,导致制件发生开裂。刘延辉等[37]研究了激光3D打印TC4 钛合金根部裂纹产生的原因,微观组织如图3 所示,认为TC4 钛合金出现裂纹的根本原因是根部存在组织缺陷、过大的残余应力、性能分布不均以及预热温度不足等共同导致的。刘彦涛等[38]研究功能梯度材料TA15 + Ti2 AlNb 合金激光熔融沉积成形时发现,激光熔化沉积技术所制备异种材料的界面为冶金结合,异种材料结合界面会形成过渡区,过渡区通常是梯度复合结构的薄弱环节,容易产生裂纹,此裂纹具有沿界面断裂的特征,他们认为裂纹形成的原因是异种材料界面过渡区通常会有对性能不利的第二相析出,导致材料易沿界面断裂。

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2.4 翘曲变形

翘曲变形是基于粉末床3D打印成形技术的又一个难题,经常出现在悬伸无支撑部分,其形成的最根本原因是移动的激光点或电子束热源对粉末床的不均匀加热,形成大的温度梯度,导致材料体系收缩的不一致,主要是熔固收缩和温致收缩[39, 49]。

其中温致收缩是指成形件在打印完成后,冷却至常温的过程中所产生的收缩,与材料本身的收缩率有关,对产生翘曲变形作用较小;熔固收缩是由于粉末经激光/电子束熔融后,经常产生的一种行为。主要是因为成形过程中,粉末经加热后从熔融状态转变为固态,温差变化较大,故熔固收缩相当严重[39, 43]。

翘曲变形对成形件的尺寸大小、成形精度、形位误差等的影响很大,甚至会严重影响后续加工。

国内外针对钛合金翘曲变形的研究较少。吴伟辉等[40]对成形过程中造成翘曲变形的成因进行了研究,翘曲变形示意图如图4 所示,可以看出激光作用的当前层(i) 层,受到高温的作用处于塑性状态,在凝固过程中过快的冷却速率,导致收缩变形;第(i–1) 层温度略低于第i 层的温度,此时塑性较差或处于弹性状态,在冷却过程中,其收缩变形小于第(i) 层的变形量,但是在第(i) 层严重翘曲变形的作用下,第(i–1) 层也会发生大幅度的向上翘曲变形。同理第(i–2)、(i–3) 层也有相同的影响,只是距离(i) 层越远,对应层的收缩量越小,当距离(i)层到达一定距离时,对应的层已不发生收缩变形,翘曲变形终止。齐海波等[41]采用电子束选区熔化成形TC4 钛合金成形件,认为扫描路径对成形件温度分布的影响,导致热应力分布不均匀是翘曲变形产生的主要原因。杨立宁等[42]通过建立数值分析模型,研究了在不同扫描路径和堆积速率下,所对应的热应力场分布和变化行为,以及它们对制件翘曲变形的影响。李守卫等[43]分析了SLS 技术成形过程中的温度场与热应力场对翘曲变形的影响机理。

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3、钛合金3D打印成形工艺优化

针对上述各种常见的合金缺陷,国内外学者运用不同的原理,采用不同的工艺优化方法对合金缺陷的抑制进行了探究。其中研究较多的方法主要有:对粉末进行预热、优化工艺参数或者对制件进行后续热处理等,都可以相应地改善合金的缺陷,提高合金的组织性能。

3.1 3D打印工艺优化

使用不同的成形技术,加工不同的材料,其最优的工艺参数各不相同,合理的设置工艺参数(激光功率、扫描速率、扫描间距、扫描策略、层厚、预热温度以及成形气氛等)能够明显减小球化、孔隙、裂纹以及翘曲变形等缺陷。

Fischer 等[44]基于SLS 技术使用高能量密度的激光(Nd:YAG 激光),对工业纯Ti 进行了激光成形。结果发现:制件的球化现象明显得到改善,且成形件的孔隙率也得到提高。Cormier 等[45]认为采用预热增加粉末黏度,将待熔化粉末加热到一定的温度,可有效减少球化现象。张永志等[46]研究发现,通过对基板进行预热可降低熔池的凝固速率与成形过程中的温度梯度,减小SLM 成形合金中的裂纹数量,但无法完全消除裂纹。梁晓康等[47]采用SLM 成形技术制备TC4 钛合金试样,研究了工艺参数对残余应力的影响。结果发现:扫描策略对表面残余应力分布有一定的影响,当线能量密度一定时,随着填充间距的增加,成形层表面残余应力有减小的趋势。周旭等[33]研究了近α 钛合金激光选区熔化成形开裂机理及抑制研究,发现对工艺进行优化,可减小组织内部的残余应力,从而可有效抑制裂纹的产生;另外还研究了预热温度对裂纹抑制的影响,发现裂纹的数量随着预热温度的提高逐渐减少,在预热温度提高到350 ℃ 时,裂纹几乎完全消失。陈静等[48]研究了TC4 钛合金的激光快速成形,结果发现,氧含量严重影响成形件的工艺、表面质量和开裂行为,当保证氧含量低于0.02%(质量分数)时,得到的TC4 薄板试样表面质量良好且没有孔隙、裂纹等缺陷。傅蔡安等[49]研究了扫描路径对选择性激光烧结工艺成形件的翘曲变形的影响,得出如下结论:优化了扫描路径不仅大大降低翘曲变形量,而且大大缩短加工时间提高加工效率。

3.2 后处理工艺优化

钛合金3D打印制件的后处理工序主要有退火、热等静压、固溶时效、抛光、渗碳等,其中退火的主要目的是减小零件内部的残余应力,热等静压则可以减少组织内部的孔隙。汤慧萍等[50]在粉末床预热的基础上,结合随行热处理工艺[51],也就是在每完成一层粉末熔化扫描后,再经快速扫描实现缓冷保温,从而通过塑性及蠕变使应力松弛,防止应力应变累计,达到减小变形、抑制零件开裂、降低残余应力水平的目的。张霜银等[52]利用小孔释放法对TC4 钛合金(LENS 技术成形)沉积态和热处理后的残余应力进行研究,结果表明,经热处理后,成形件的残余应力降低显著,且分布均匀。

Terner 等[53]认为金属粉末在制备过程中所存在的氩气泡,在随后的成形过程中会导致孔隙的产生,它一般呈细小球状,再经热等静压处理后,孔隙会再次减小,但不影响材料的力学性能。

4、钛合金3D打印技术的发展趋势

钛合金3D打印技术作为一项前沿的制造技术,集设计、制造于一体,近年来引起各界广泛关注,并在航空航天、国防军事、生物医学、汽车高铁等高精尖领域展示了广阔的应用前景,但是,相较于传统制造技术起步较晚,发展历史仅30 年左右,与世界先进国家比较还存在很大的差距,比如:钛合金零件的成形效率低、精度还未能达到高精水平、设备和材料的制备成本高,以及仍未实现大规模的工业、商业应用等问题,特别是成形件缺陷的抑制问题。目前我国对零件的成形过程中存在的缺陷问题,球化、裂纹、孔隙、翘曲变形等的研究还处于初步阶段,仍有大量的研究工作急需进行。将来钛合金3D打印技术的发展趋势如下:

(1)在材料方面,研制开发新型的球形钛合金粉末的生产设备和制备工艺,提高钛合金粉末的质量(粒度、球形度、流动性、夹杂气体等),进而改善制件的组织和力学性能。此外,通过提高粉末的收得率和粉末的回收再利用来降低成本。

(2)在设备方面,一方面应提高设备的成形效率、成形精度,以及降低成本等;另外,还要研发大型的工业级打印设备,逐步实现大规模生产和应用。

(3)在检测方面,伴随3D打印件向大型化、复杂化和精密化方向发展,很多传统的无损检测方法存在盲区,需要开发新型的无损检测技术;通过对组织、缺陷实时监控的在线检测技术是未来重点的研究方向之一;另外,建立和完善无损检测标准,是3D打印技术广泛应用的依据。

(4)在工艺方面,进一步优化3D打印技术的工艺,抑制成形过程中的缺陷,提高成形件的力学性能。成形过程中零件内应力演变规律、变形开裂行为以及缺陷产生机理等关键问题,仍然是未来需要重点研究的问题。

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