四光束激光对钛合金SLM制造时缺陷形成机制和显微组织演化的影响

江苏激光联盟导读：

华中科技大学的研究人员王泽敏等人采用多光束激光进行了SLM制造Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V (TA15)的研究，发现定向的气孔由于激光的切换而在搭接区存在；同步的扫描策略导致了致密度的退化；多光束激光SLM造成几乎完全的马氏体α' 结构。随着激光数量的增加造成马氏体α' 粗化和硬度的降低。

成果简介

基于粉末床的多光束激光打印由于该技术可以直接制造复杂的结构和大尺寸的部件而吸引了广泛的关注。在本工作中，采用这一技术制造了Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V (TA15) 部件，此时的多光束是顺序和同步的扫描策略。缺陷的形成机理和多光束（最多为4个）对密度，显微组织和显微硬度的影响进行了澄清。研究发现，致密度随着光束的数量增加而劣化。激光的切换诱导产生的气孔在顺序扫描策略的过程中占据主导地位，这导致在扫描搭接区产生直接的气孔分布。同步扫描策略时具有类似的现象发生。而且，同步扫描的激光相互作用会导致熔池模型的潜在过渡和反冲汽压的增加，这会显著的恶化材料的致密度。多光束SLM制造的 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V部件由几乎为完全的马氏体α'所组成。多光束SLM制造诱导的低角度晶界向高角度晶界过渡，其原因是热积累效应所造成。因此，在采用更多的光束进行加工时会造成针状马氏体α'的缓慢的粗化。这导致单个，双和四光束SLM制造的样品硬度从大约为423Hv到大约388Hv变化。多光束SLM的显微组织-性能同Hall-Petch关系式也是吻合的。

图1. 成果的Graphical abstract

成果背景

钛合金由于具有诸如高强度，耐腐蚀和低密度等优点而广泛的应用在航空航天和汽车工业中。作为航空航天工业中的重要的结构材料，近α钛合金 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V （ 在中国指 TA15 ) 被用来制造飞机舱壁，壁板和机匣等运行温度较高和复杂的结构场合。早期的Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V合金的研究主要聚焦在变形行为，热处理和焊接上。然而，航空航天器件向着高性能，轻质和重载的方向发展，从而对传统的制造复杂结构的制造工艺提出了更高的要求。

图2. 多光束SLM制造: (a)示意图; (b) 改变X/Y光栅的扫描策略;(c) 单光束,双光束和四光束SLM制造在平台的位置

在这一背景下，研究人员引入增材制造技术来制造具有复杂结构的Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 合金。由于飞机舱壁，壁板和机匣向着大尺寸的方向发展，当前的增材制造Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 的主要研究集中在激光直接沉积上（LMD）。无论如何，LMD的缺点存在精度低和设计自由度比SLM 差的特点，限制了制造复杂结构的制造。粉末床激光成形（SLM）被认为是另外一种以激光为基础的AM技术。该技术吸引了大量的注意，这是因为该技术具有制造几乎完全致密的，高精度的和复杂形状的金属部件。然而，传统的SLM技术由于制造气氛室尺寸的限制和制造效率低等原因而不适合制造大尺寸的部件。一些研究工作表明几乎为全致密的Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V部件可以采用LMD和SLＭ进行制造。结果表明两者制造出来的致密度几乎没有区别。这两种技术的差别在于制造效率，尺寸精度和显微组织形态上。

图3. 多光束应用在搭接区时的示意图:a) 顺序激光扫描策略; (b)同步激光扫描策略

同传统的LMD和SLM制造技术相比较，多光束SLM制造技术综合了高精度和高效率的优点，特别适合制造大尺寸的和复杂结构形状的 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V部件。然而，迄今为止，只有少量的工作是关于多光束SLM制造的。Tsai 等人使用一个衍射光学元器件在单激光系统中构建了一个多光斑的系统。这一多光斑扫描的速度同传统的单激光扫描系统相比较，提高了 38%的效率。Roehling等人则发展了一个多激光系统，整合了光纤激光和四个半导体激光来原位控制SLＭ制造过程中的残余应力。Heeling和 Wegener则使用一个双光束系统来制造完全致密的316 L不锈钢样品。一个激光束用来熔化粉末，另外一个激光束用来加热熔池附近的材料，进行预热或者后热该区域。

图4. 顺序激光扫描和同步激光扫描得到的致密度的对比

尽管多光束技术同单光束技术相比较在本质上具有一定的优势，但依然存在诸多问题没有解决。多光束搭接区经常都至少有几个毫米的宽度以确保连接的质量是可靠的。由于多个激光束进行扫描的时候依然需要搭接区的存在，就需要对致密度，显微组织和部件的性能均匀性在单激光SLM制造和多激光SLＭ制造的时候进行同单激光要一样。Andani等人的研究显示在双光束SLM制造时存在更多的飞溅和更大的反冲汽压.他们发现未熔化的区域是两个激光工作靠的非常近的时候对样品的机械性能有影响.Li等人发现台阶效应影响着多光束制造Ti6Al4V合金时的搭接区的表面形貌.然而,在搭接区的致密度没有被提及.使用同一设备,Zhang等人制备出几乎为完全致密的AlSi10Mg合金.他们发现搭接区的致密度和晶粒尺寸比采用单激光束进行扫描的时候要稍微小一些.如同Wei等人所研究的,匙孔效应造成的缺陷会在搭接区由于多光束相互干涉而形成.当多光束激光扫描接近时,其缺陷会由于激光羽毛效应的作用而得到加强。

▲图5. 典型的缺陷位置:(a)示意搭接线,气孔的位置沿着 (b) XY 平面在双激光束时的搭接区; (c)在XY平面四激光束的搭接区位置; (d) 在XY平面中四激光束SLM的边缘; (e)XZ平面内四激光束的搭接区　

此外，扫描策略在应用到搭接区的时候需要提供更多的注意力,这是因为要避免多光束所带来的不利影响.在早期的多光束LSM制造设备中,多光束的扫描策略大多采用平行的方式,这意味着激光束在搭接区是独立工作的.在双激光束扫描实验中,两个激光束中一个小的偏移量,张等人研究发现在两个扫描的熔池之间出现周期性的粗化.后来,Heeling和 Wegener 等人提出了一个空间同步的多光束扫描策略.该技术可以允许多光束形成工作组而熔化粉末,因此造成了比较高的材料致密度.多光束扫描策略造成的高的温度梯度意味着搭接区的缺陷,显微组织和机械性能会发生潜在的改变。

▲图６. 热的飞溅喷射行为随着时间和光束数量变化的情况：单激光束条件下(a1-a4)为时间序列的快照；(b1-b4) 为双激光束空间同步的轨迹．在双激光加工过程中，双激光束在空间碰撞来模拟激光相互作用的瞬时效应

在华中科技大学的这项研究中,采用一个四激光束SLM制造技术来制造Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V部件.在两种不同的扫描策略下搭接区的致密度的恶化进行了研究以深入了解多光束对缺陷生成的影响.对缺陷生成的机理进行了澄清.此外,采用单激光束,双激光束和四激光束制造的样品在缺陷的特征,显微组织和显微硬度上的差别进行了研究。

▲图７. 多光束SLＭ制造时诱导的缺陷形成机制的示意图：(a)顺序扫描策略：激光束切换诱导高能输入和促进气孔沿着搭接线和边缘进行；匙孔. (b) 同步扫描策略：激光相互作用导致潜在的匙孔模型参考和高的反冲气压

图８ (a) 单激光束；(b)双激光束和　(c) 四激光束制造的样品的反极图

图９：不同数量的激光束作用下得到的样品的晶粒尺寸

▲图１０：(a-c) 单激光束；(d-f)双激光束和 (h-j) 四激光束制造的样品在不同的放大倍数下的金相照片

研究成果的主要结论：

在当前的研究工作中，四激光束SLＭ增材制造系统用来在两种不同的扫描策略下进行制造Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 部件．通过研究样品的缺陷，显微组织和显微硬度的特征，其缺陷生成机制和显微组织的演化进行了澄清，主要结论如下：　

(1)当在多光束SLM制造系统中增加更多的激光束的时候，样品的致密度会在顺序扫描和同步扫描的策略下出现致密度劣化，顺序扫描策略比同步扫描策略更能提高致密度．顺序扫描和同步扫描策略中的常见缺陷为定向的气孔沿着多光束搭接的区域发生；这是光束切换时产生的．在同步扫描策略条件下独特的缺陷特征是多光束激光相互作用造成的。

(2)激光的相互作用增加了体积能量密度，当采用同步扫描策略的时候,导致过渡参考向匙孔模型转变.高速影像结果证明激光的相互作用诱导了一个高的反冲气压和创造出大的且更加不稳定的金属蒸汽在熔池周围形成,这对缺陷的形成负主要责任.激光的相互作用对缺陷的生成比激光切换更加明显.结果,同步扫描策略会显著的损害多光束LSM制造时的部件的致密度。

(3)所有的多光束SLM制造的样品均由几乎为完全的针状马氏体α'组织.多光束激光工艺取决于热积累效应.小角度晶界向大角度晶界的过渡和慢的晶粒粗化发生在增加激光束数量的时候.多光束的SLM制造的 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 合金的显微硬度在 (388–423 Hv)的范围,并且简单的遵从Hall-Petch关系式.在所有的样品中,四光束SLM工艺制造的样品具有最低的显微硬度,这是因为晶粒粗化造成的。

图11. 同步扫描策略条件下SLM进行制造的样品的情形

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