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钛棒钛加工件等钛合金3D打印成形技术及缺陷概述

发布时间:2023-11-15 15:39:44 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]。

3D打印钛合金棒

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(selectivelasersintering, SLS)、激光选区熔化成形技术(selectivelasermelting, SLM)和激光近净成形技术(lasersolidforming, LSF);以电子束为热源的电子束选区熔化成形技术 (electronbeamselectivemelting,EBSM)和电子束 熔丝沉积成形技术(electronbeamfusedeposition forming,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EBF 3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。 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。

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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。

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目前,国内外对3D打印件缺 陷进行无损检测的方法主要有 [20-22]: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。 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+Ti2AlNb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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