發布日期：2024-3-15 23:46:02
1、激光 3D 工藝的應用現狀及其發展
目前，激光 3D 打印工藝已經在很多領域得到了有效的推廣與應用，作為一種新型的技術，該工藝可以被應用于承受大荷載實體金屬零件的快速成型、復雜形狀與大體積制造缺陷的修復、誤加工損傷的修復等多個領域。在激光 3D 打印工藝的應用中，原材料粉末的存在為快速成型提供了物質條件。激光成形的過程中，3D打印設備是核心設備。通過該設備，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，我國的激光 3D 打印技術已經取得了一定的發展成果，但是其發展水平還遠遠落后于發達國家，尤其是在粉末原料的生產、新材料的開發方面，其技術水平相對落后、產業化不足、粉末原料制備技術落后都是制約我國激光 3D 打印技術發展與應用的重要因素。現階段，我國國內激光 3D 打印技術中所使用的鈦合金金屬粉末原料多依賴于進口，嚴重阻礙了技術的快速發展。
鈦合金材料在航空航天領域的應用相對較多，比如各類飛機的制造、航天器的制造等。近年來，隨著激光3D 打印工藝的快速發展，鈦合金的需求量逐年增加。激光 3D 打印技術在大型復雜鈦合金構件的成形方面有著較大的技術優勢，尤其是隨著我國航空航天事業的發展，用激光 3D 打印工藝來進行高性能鈦合金構件的成形更是具有良好的發展前景。比如，以 TC4 鈦合金為例，由于其本身具有強度高、耐高溫、抗氧化的特性，在航空航天事業中的應用較為普遍。隨著航空航天事業的快速發展，鈦合金構件輕量化將是未來發展的主要方向，而傳統的制造方法下，存在效率低下、成本較高的劣勢，其復雜構件難以保障成形效果，而激光 3D 打印工藝的應用恰好有效解決了這些問題[2]。激光 3D 打印工藝的應用中，工藝參數將直接影響鈦合金成形的質量以及構件的性能，因此，必須進行工藝參數的科學設置，保障鈦合金成形質量。
2、 試驗設備與方法
要詳細了解激光 3D 打印工藝對鈦合金質量的直接影響，可以進行相應的試驗，獲得定量化的影響結果。
以 TC4 鈦合金材料為研究對象，選用 LDW-8060 設備為打印設備。該設備內主要由 4kW 光纖耦合半導體激光器、四路送粉 3D 打印頭、氣載式送粉器、氬氣工作倉 + 凈化系統、水冷機等部分組成。激光 3D 打印工藝參數的正交試驗結果如表 1 所示。
TC4 基板采用鈦合金材料，為保障試驗結果的可靠性，在正式的試驗開始之前，相關人員需首先對該基板進行必要的打磨處理，隨后使用丙酮來擦拭，避免基板上存在各種油污等雜質。TC4 鈦合金粉末的粒度范圍為75 ～ 120µm，由于其化學成分的特殊性，在試驗之前，首先將 TC4 粉末放于惰性氣體加熱器中，在 200℃的溫度條件下進行烘干處理，該處理過程主要是為了及時去除粉末中多余的水分。當獲得激光 3D 打印制造的塊體以后，實施線切割處理，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。
利用砂紙對金相試樣進行相應的研磨、拋光處理，隨后利用 Kroll 腐蝕液對其加以腐蝕處理，腐蝕時間維持在 0.5min 左右。隨后，利用蔡司 ZX-10 型金相顯微鏡、SU8010 型場發射掃描電子顯微鏡來進行金相試樣組織的具體分析，使用電子萬能試壓機進行試樣力學性能的檢測。
3、 試樣結果與數據分析
試樣結果如表 2 所示。根據熔合比指標，3、6、7號的熔合比相對較小。根據其最終的單道 3D 打印層外觀，在 3 號試樣表面，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 號與 7 號試樣中的 3D 打印層外觀相對較好，而且其熔合比都略微高于 3 號試樣。從 3、6 與 7 號試樣的總體來看，7 號試樣的送粉量相對較多。因此，相比較而言，7 號試樣的相關參數更為合理。在本次試驗中，有關人員能夠充分獲得單道 3D 打印層的橫截面組織情況。根據每個試樣的呈現結果，有關人員直接進行熔深與余高的測量，當獲得這些參數以后，依舊熔合比的計算公式，能夠有效進行各個試樣熔合比的精確計算。根據所計算的熔合比，可得出在試驗過程中基板材料對 3D 打印層的影響大小，即越小的情況下，基板材料對打印層的影響越小，越能夠保障打印質量[3]。
4、 激光 3D 打印對鈦合金質量的影響
4.1 顯微組織
根據此次試驗，能夠直接獲得激光 3D 打印工藝下TC4 鈦合金的顯微組織圖。根據相應的試驗分析，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，其表現為棒狀分布的狀態。隨著試驗的繼續，柱狀晶內逐步析出大量片層 α 相、少量片層 α 魏氏板條相、短棒狀 α 相。其中，α 魏氏板條相呈現出細長的結構形態，其長度較大，尖端基本上不存在球化現象，主體沿著晶界向晶內生長，呈現集束狀形態。短棒狀 α 相的出現主要是在激光 3D 打印技術的應用過程中，先析出與后析出的 α 相都逐步在長大，由于生長方向的差異性，不同方向上的 α 相在相互接觸以后會立即停這種情況下對一些 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 打印技術條件下，柱狀晶組織的存在將會影響鈦合金的拉伸性能。一般情況下，沿著柱狀晶生長方向的鈦合金拉伸性能相對較好[4]。
4.2 室溫拉伸性能
在本次試驗中，只有當工藝參數最優的情況下，室溫拉伸性能才能夠符合相應的標準。在本試驗中，其最佳的工藝參數為激光輸出功率 1900W、掃描速度700mm/min、 送 粉 量 10g/min。 此 條 件 下， 能 夠 獲 得TC4 鈦合金試驗的室溫拉伸性能結果。根據對試驗結果的分析，可以得出：鈦合金 Z 方向的拉伸塑性相對要高于 XY 方向，但是 Z 方向的屈服強度、拉伸強度都遠遠低于 XY 方向。從激光 3D 打印工藝的實際應用來看，TC4鈦合金的強度符合國家的相關標準與要求，且 Z 方向的塑性指標遠遠優于 TC4 鈦合金構件的標準，而 XY方向的塑性指標相對較差[5]。
從根本上來看，激光 3D 打印工藝所制造出的 TC4鈦合金構件在 Z 方向上的塑性相對較好，這主要是由晶粒生長方向、組織形態所決定的。由于在 Z 向晶粒的生長方向大致與 3D 打印方向垂直，而柱狀晶粒組織的形態使得在 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，最大程度上減小了位錯運動的阻力。XY 方向鈦合金的拉伸方向始終與晶界垂直，基本上不會存在位錯運動，使得此方向上的強度相對較高，而塑性相對較小。
4.3 室溫拉伸斷口
根據此次試驗，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，根據最終的呈現結果來看，3D 打印條件下，鈦合金在 Z 方向、XY方向上的斷口都表現為不滿韌窩、塑性斷口的形態。總之，激光 3D 打印工藝雖然是一種有效的工藝技術，尤其是在鈦合金構件的制造方面。但要想充分發揮激光 3D 打印工藝的應用效果，則在實際的應用過程中，相關人員必須從鈦合金構件的性能、質量要求著手，對激光 3D 打印工藝的相關參數加以必要的優化與處理，保障其工藝參數能夠符合鈦合金處理的質量要求，發揮激光 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優勢，保障鈦合金構件的性能。
5、 結束語
近年來，隨著我國工業與城市的快速發展，各種技術不斷進步，在鈦合金材料的應用方面，激光 3D 打印工藝是一種有效的處理技術，能夠在鈦合金構件的質量控制、性能優化方面發揮重要的作用。但是，在實際的工藝應用中，相關人員需結合鈦合金構件的質量標準與要求，對 3D 打印工藝的參數進行優化，最大程度達到技術應用的理想效果。
參考文獻：
[1] 李海亮, 賈德昌, 楊治華, 等. 選區激光熔化3D 打印鈦合金及其復合材料研究進展[J]. 材料科學與工藝,2019,27(2):1-15.
[2] 劉占起, 徐國建, 王蔚, 等. 激光3D 打印工藝對鈦合金質量的影響[J]. 沈陽工業大學學報,2020,42(1):57-62.
[3] 周宇羚, 單等玉, 王爭飛, 等. 激光拋光3D 打印鈦合金板的機理及工藝研究[J]. 應用激光,2019,39(4):621-627.
[4] 高健, 劉立彬, 賀韡, 等. 航空鈦合金零件激光選區熔化3D打印技術應用的關鍵基礎研究[J]. 航空制造技術,2018,61(Z2):87-90+95.
[5] 李傳濤.3D 打印技術在航空鋁合金薄壁零件上的應用[J].機電信息,2019,585(15):86-87.