增材制造又称3D打印［1-3］， 是基于零部件三维模型实现快速成形的先进制造技术， 在航空航天、船舶工程以及生物医疗等领域有着广阔的应用前景［4-5］。 激光同轴送丝增材制造技术是将丝材从中空激光内部送入， 逐层进行沉积的增材制造技术，兼具熔丝增材制造成本低、 效率高和激光增材制造精度高、 质量好的优势， 且过程灵活度高、 零件各向异性低， 更具广阔的应用前景［6］。

目前， 国内外各研究机构已开展了大量关于钛及钛合金激光同轴送丝增材制造技术的研究。 重庆大学的 Ｄｕ［7］、 德国弗朗恩霍夫焊接研究所的 Ｋｅｌｂａｓｓａ［8］

和法国波尔多大学的 Ｃａｚａｕｂｏｎ［９］等人分别对 0.4、 0.8和 1.2mmTC4 钛合金激光同轴送丝增材制造工艺进行了系统研究， 结果表明激光同轴送丝增材技术可以实现复杂零件的近净成形； 德国劳西茨应用技术大学的 Ｓｉｌｚｅ 等人［10］对 1.0mmTC4 钛合金激光同轴送丝增材制造试件的组织性能进行了研究， 发现

TC4钛合金激光同轴送丝增材制造试件的柱状 β 晶粒内部呈现“网篮组织”， 通过延长层间停留时间以及降低层间温度可以减小晶粒尺寸， 改善拉伸性能；重庆绿色智能技术研究所的 Ｄｉｎｇ 等人［11］ 对 0.4 ｍｍTC4 钛合金激光同轴送丝增材制造工艺进行了研究，发现在增材制造过程中可通过红外（ＩＲ） 热成像仪对试件内部的缺陷进行预测分析； 西班牙工业研究中心的 Ｃｈｕｒｒｕｃａｍ 等人［12］对TC4钛合金激光同轴送粉和激光同轴送丝增材制造的打印效率、 成本和试件质量进行对比分析， 结果表明 2 种增材试件的微观组织类似， 而激光同轴送丝增材制造的效率和成本相比激光同轴送粉增材制造有着巨大的优势。

综上可以发现， 国内外各机构对钛合金激光同轴送丝增材制造的研究多集中在工艺、 组织和热过程分析方面， 对其试件力学性能的研究较少。 此外目前的研究多集中在单道多层薄壁件上， 对多层多道增材试件的组织性能缺乏系统研究。 与TC4钛合金相比，TA2纯钛具有较高的成本优势， 为此， 以1.2mmTA2 纯钛为原料， 对不同路径下激光同轴送丝增材制造试件的组织和性能进行系统研究， 以期为推动钛合金激光同轴送丝增材制造技术在实际工程中的应用提供一定的技术积累。

1、 实 验

实验材料为 ϕ1.2mm的TA2焊丝， 化学成分如表 1 所示。 激光同轴送丝增材制造试验以工业机器人和 Ｌ 型变位机作为增材制造系统的运动机构， 以6kW 激光器作为热源， 并配备有 150 μｍ 光纤、 激光同轴送丝打印头和推拉式送丝机。 试验底板为50mm×200mm×200mm的TA2纯钛板， 试验前用钛丝轮清除试板表面氧化膜， 用丙酮清除试板表面油污。 增材制造在氩气氛围中进行， 试验参数如表2 所示。

图 1 为增材制造路径示意图。 采用图 1 所示 3种路径打印规格为 120mm×120mm×20mm的 TA2纯钛试件。 其中， 图 1ａ 为单向平行路径， 每一层的堆积方向一致， 各层的堆积方向也一致； 图 1ｂ 为蛇形往复路径， 每一层采用循环往复的方式堆积， 各层的堆积方向一致； 图 1ｃ 为蛇形正交路径， 每一层采用循环往复的方式堆积， 奇偶层的堆积方向垂直，层层正交。 沿试件横截面切取金相试样， 经砂纸磨光及金刚石研磨膏抛光后， 使用 ＨＦ、 ＨＮＯ3、 Ｈ2Ｏ体积比为 2 ∶ 1 ∶ 17 的 Ｋｒｏｌｌ 试剂腐蚀 45 ｓ 后立即用清水冲洗干净， 使用 ＯＬＹＭＰＵＳ ＧＸ71 金相显微镜观察组织。 依照 ＧＢ ／ Ｔ 228.1—2021 和 ＧＢ ／ Ｔ 22９—2020分别沿试件横向和纵向取标准拉伸试样（平行段直径为 5 ｍｍ）和 Ｖ 型冲击试样（10mm×55mm×55 ｍｍ）各 3 件， 采用万能材料试验机进行拉伸性能和冲击性能测试。

2、 结果与分析

2.1 宏观形貌

图 2 为激光同轴送丝增材制造TA2纯钛试件的宏观形貌。 从图 2 可以看出， 试件表面光滑均匀，呈银白色金属光泽， 说明激光功率和送丝速度等工艺参数匹配良好， 打印过程保护效果良好。

图 3 为 3 种增材路径下TA2纯钛试件的焊道熔合形貌。 由图 3 可以看出， 对于单向平行路径试件，由于各层间仅高度方向升高相同的距离， 奇偶层间的堆积方向以及同一高度奇偶道间的堆积方向均相同， 因此各层之间存在较多薄弱的锯齿状熔池边界（图 3ａ）。 采用此种路径进行增材制造时， 每堆积一道需要熄光停丝一次， 返回起始位置进行偏移后再重新堆积， 效率较低。 对于蛇形往复路径试件， 由于每一层奇偶道间的堆积方向相反， 奇偶层间的堆积方向也相反， 堆积方式较复杂， 因此各堆积层间薄弱的锯齿状熔池边界较少（图 3ｂ）。 采用此种路径进行增材制造时， 可在层间温度符合要求的情况下一次堆积多层试样， 效率较高。 对于蛇形正交路径试件， 由于每一层奇偶道间的堆积方向相反， 奇偶层间的堆积方向相互垂直， 因此熔池边界过渡较其他路径更为平缓， 无锯齿状薄弱边界（图 3ｃ）。 采用此种路径进行增材制造时， 也可在层间温度符合要求的情况下一次堆积多层试样， 效率与蛇形往复路径相当。

2.2 显微组织

图 4 为 3 种增材路径下TA2纯钛试件的金相组织。 由图 4 可以看出， 3 种增材路径下所获得的试件其组织均为锯齿状 α 相。 激光同轴送丝增材制造是焊丝在激光作用下熔化又急速快冷的过程， 在熔化过程中发生α→β相转变， 在冷却凝固过程中 β 相又转变为 α 相和 α′相， 但由于加热和冷却速度都极快， 试件组织转变为不规则的锯齿状 α 相， 且晶粒与母材相比较为粗大。 3 种路径下增材过程的热输入和散热条件类似， 因此 3 组TA2纯钛试件的组织形貌类似。

2.3 力学性能

图 5 为 3 种增材路径下TA2纯钛试件的拉伸性能。 从图 5 可以看出，TA2纯钛试件抗拉强度、 屈服强度和断后伸长率的最低值分别为 425.5 ＭＰａ、335.5MPa和 26.0％ ， 均达到了 ＧＢ ／ Ｔ 3621—2022对TA2纯钛板材拉伸性能的要求。 单向平行路径试件的纵向抗拉强度和纵向屈服强度均最高， 分别为483.5MPa和 383.5 ＭＰａ， 蛇形正交路径试件的横向断后伸长率最大， 达到了 36.0％ 。 此外， 单向平行路径和蛇形正交路径试件的拉伸性能各项指标的差值均较大， 各向异性较强， 蛇形正交路径试件的拉伸性能各项指标的差值均最小， 各向同性较强。 这主要是由于单向平行路径试件和蛇形往复路径试件在纵向拉伸过程中， 载荷方向与沉积焊道方向一致， 沉积焊道起到了轧制板材中纤维组织的作用， 故拉伸性能较好； 而横向拉伸时与上述 2 个方向垂直， 各堆积焊道间的熔合线成为了拉伸过程中的薄弱位置，因此各向异性较强。 蛇形正交路径试件由于层与层之间沉积方向相互垂直， 故横向与纵向组织基本一致， 拉伸性能差别不大， 各向同性较强。

图 6 为根据图 3 抽象出的 3 种增材路径下TA2纯钛试件的焊道熔合形貌模型。 从图 6ａ 可以看到， 单向平行路径试件由于同一层和不同层相邻焊道的堆积方向一致， 有较多 3 条焊道交于一点的锯齿状薄弱区域； 而图 6ｂ 蛇形往复路径试件由于每一层相邻焊道和相邻层不同焊道的堆积方向均不相同， 多为2 条焊道交于一点， 锯齿状薄弱区域较少； 图 6ｃ 蛇形正交路径试件由于相邻层焊道堆积方向垂直， 焊道熔合边界最为平缓， 无锯齿状薄弱区域。 增材制造试件的塑性变形能力主要由晶粒滑移和焊道边界滑移共同决定［13］。 3 种不同增材路径下试件内部的显微组织相似， 均为锯齿状 α 相， 因而塑性变形能力主要由焊道边界滑移决定。 焊道边界平缓， 有利于降低应力集中， 提高试件的塑性变形能力。 因此，蛇形正交路径试件的断后延伸率较高， 且由于横向和纵向的焊道熔合形貌相同， 各向同性也较强。

图 7 为不同增材路径下TA2纯钛试件的冲击性能。 从图 7 可以看出， 与拉伸性能类似， 单向平行路径和蛇形往复路径试件在横、 纵向的冲击功差值较大， 而蛇形正交路径试件在横、 纵向的冲击功差值较小。 这也是由于不同路径下试件的焊道熔合形貌存在明显差异而引起的。

3 、结 论

（1） 在合适的工艺参数下， 可以实现 1.2 ｍｍTA2 纯钛丝材的激光同轴送丝增材制造。 所制备的TA2 纯钛试件表面光滑平整， 呈银白色， 在横、 纵两个方向上的力学性能均能达到GB/T 3621—2022对TA2纯钛板材的要求。

（2） 由于 3 种路径下增材过程的热输入和散热条件类似， 焊缝微观组织均为锯齿状 α 相。 不同的增材路径下， 由于堆积层与层间、 同一层相邻的堆积焊道之间堆积方向存在差异， 使得不同路径增材试件的焊道熔合形貌迥异。

（3）TA2纯钛试件的力学性能主要与增材路径形成的焊道熔合形貌有关， 其中单向平行路径和蛇形往复路径试件的力学性能各向异性较强， 蛇形正交路径试件的各向同性较强。

（4） 单向平行路径试件的纵向抗拉强度和屈服强度均最高， 分别为 483.5、 383.5 ＭＰａ。 这主要是由于纵向拉伸过程中， 载荷方向与沉积焊道方向一致， 沉积焊道起到了轧制板材纤维组织的作用。 蛇形正交路径试件在横、 纵向的断后伸长率均较高，分别为 36.0％ 和 34.5％ ， 这主要是因为蛇形正交路径试件焊道边界平缓， 应力集中较低， 塑性变形能力较强。

参考文献 Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ

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