發(fā)布日期：2024-1-8 15:04:23
金屬熔絲增材制造因設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、材料利用率高、無(wú)污染等特點(diǎn)而備受關(guān)注[1-3]，而TC4鈦合金具有高剛度、高強(qiáng)度和耐腐蝕等優(yōu)良特性，在航空、航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[4-6]。因此，基于熔絲的 TC4 增材制造成為了研究熱點(diǎn)[7-9]。
與基于粉末的工藝相比，金屬熔絲增材制造工藝更為復(fù)雜，往往存在尺寸精度難以控制、制備零件表面粗糙度差的問題。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，金屬激光熔絲沉積幾何特征，如沉積層單道寬度、高度、潤(rùn)濕角等，與激光功率、掃描速度以及送絲比等工藝參數(shù)有著復(fù)雜的關(guān)系[10-16]。因此，必須對(duì)其工藝過程進(jìn)行研究，以提高制備零件的質(zhì)量。
1、 TC4 熔絲增材制造工藝實(shí)驗(yàn)裝置
TC4 金屬熔絲工藝實(shí)驗(yàn)的原理和裝置圖如圖 1 所示，該裝置主要包括真空艙、激光器、送絲機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)以及檢測(cè)系統(tǒng)等模塊。絲材通過送絲機(jī)構(gòu)按照一定的速度進(jìn)入高功率激光束的作用區(qū)域，絲材受熱熔化，熔化的金屬過渡到基板的熔池區(qū)域，最終通過層層堆疊快速形成高致密性、高性能的大型復(fù)雜金屬零件。
實(shí)驗(yàn)使用的金屬絲和基板材料為TC4 鈦合金，絲材的直徑為 0.5 mm，基板尺寸為 120 mm×120 mm×10 mm。TC4 化學(xué)成分如表 1 所示。
2 、單因素單道增材制造工藝實(shí)驗(yàn)
單層單道是實(shí)現(xiàn)增材制造的基礎(chǔ)，其成形質(zhì)量直接影響下一道或下一層的成形，因此，研究單層單道的成形和控制機(jī)理至關(guān)重要。本文在高真空環(huán)境下，采用激光熔絲增材制造技術(shù)進(jìn)行單層單道成形實(shí)驗(yàn)，主要研究激光功率、掃描速度以及送絲比（送絲速度與掃描速度的比值）對(duì)單層單道成形形貌、成形截面尺寸的影響。
2.1 激光功率
激光功率的大小會(huì)影響激光輸入到熔覆道能量的大小，激光輸入能量將影響熔池和鈦合金絲材的熔化。因此，激光功率最終會(huì)影響熔覆道表面和截面形貌。為了探究激光功率對(duì)單道成形的影響，在其他參數(shù)（掃描速度為 2 mm/s，送絲比為 1.25）不變的情況下，只改變激光功率的大小進(jìn)行單道掃描。不同激光功率下單道成形單元的表面形貌如圖 2所示。
可以看出，當(dāng)激光功率小于 230 W 時(shí)，打印單道的表面形貌較為良好。當(dāng)激光功率為 230 W 時(shí)，打印起始段出現(xiàn)了缺陷，表面出現(xiàn)了類似“魚鱗”的結(jié)構(gòu)，液橋過渡不平穩(wěn)，質(zhì)量較差。不同激光功率下單道橫截面圖如圖 3 所示�？梢钥闯�，當(dāng)激光功率為 190~230 W 時(shí)，熔覆層與基板區(qū)域相對(duì)結(jié)合較好。但較大的激光功率會(huì)造成基板熱影響區(qū)較大，當(dāng)激光功率為 230 W 時(shí)，基板熱影響區(qū)深度為 0.697 mm。而當(dāng)激光功率為 150 W 時(shí)，基板熱影響深度僅為 0.464 mm。在后期打印過程中，過大的熱影響區(qū)域會(huì)造成熱積累嚴(yán)重，前幾層重熔嚴(yán)重，影響打印樣件的表面質(zhì)量。
單道橫截面高度以及寬度尺寸隨激光功率的變化曲線如圖 4 所示。可以看出，單道橫截面寬度隨激光功率的增大而增大，單道橫截面高度隨激光功率的增大而減小。隨著激光功率從 150 W 增大到 230 W，單道截面寬度從 0.582 mm 增大到 1.123 mm，增大了93.0%；單道截面高度從 0.443 mm 降低到 0.351 mm，降低了 20.8%。
2.2 掃描速度
掃描速度是指基板相對(duì)激光束的運(yùn)動(dòng)速度，掃描速度與激光功率共同決定了成形過程中的線能量密度，最終影響成形質(zhì)量的好壞，同時(shí)也決定了沉積效率。為了探究掃描速度對(duì)單道成形的影響，在其他參數(shù)（激光功率為 200 W，送絲比為 1.25）不變的情況下，工藝實(shí)驗(yàn)只改變掃描速度進(jìn)行打印。
不同掃描速度下的打印表面形貌如圖 5 所示�？梢钥闯�，所有情況下打印單道的表面形貌都較為良好，但當(dāng)掃描速度小于 1.5 mm/s 時(shí)，表面也出現(xiàn)了和大功率情況一樣的類似“魚鱗”的結(jié)構(gòu)。此時(shí)線能量密度較大，液橋過渡不平穩(wěn)。
各掃描速度下單道橫截面圖如圖 6 所示�？梢钥闯�，當(dāng)掃描速度為 1 mm/s 時(shí)，相對(duì)結(jié)合較好，但其熱影響區(qū)較大。當(dāng)掃描速度大于 1.5 mm/s 時(shí)，基板熱影響區(qū)深度從 0.627 mm 減小到 0.498 mm，降低了 20.6%。單道橫截面寬度以及高度隨掃描速度的變化曲線如圖 7 所示�？梢钥闯�，隨著掃描速度的增大，橫截面寬度逐漸降低，高度逐漸增大，二者變化的幅度都很小。當(dāng)掃描速度從 1 mm/s 增大到 5 mm/s 時(shí)，單道橫截面寬度從 1.003 mm 降低至 0.887 mm，降低了11.6%， 而 單 道 橫 截 面 高 度 從 0.332 mm 增 大 至0.353 mm，增大了 6.32%。因此，與激光功率對(duì)橫截面尺寸的影響進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，激光功率對(duì)橫截面尺寸的影響更加顯著。
2.3 送絲比
送絲比是送絲速度與掃描速度的比值，它決定了單位長(zhǎng)度（時(shí)間）送入熔池中絲材的質(zhì)量。當(dāng)送絲比過大時(shí)，熔池?zé)o法及時(shí)熔化送進(jìn)的絲材，絲材將頂在基板上并發(fā)生變形，造成最終成形失敗。當(dāng)送絲比過小時(shí)，送進(jìn)的絲材末端無(wú)法與熔池形成穩(wěn)定的液橋過渡，絲材將會(huì)在未進(jìn)入熔池前被激光輻射熱量熔化，形成小球。為了研究送絲比對(duì)成形的影響，在其他參數(shù)（激光功率為 200 W，掃描速度為 2 mm/s）不變的情況下，只改變送絲比的大小進(jìn)行打印。
不同送絲比下的打印單道表面形貌如圖 8 所示。
可以看出，在不同送絲比情況下，單道表面形貌都較為良好，表面光滑，無(wú)明顯缺陷，說明激光器輸入熔池的能量足以熔化所有絲材，成形過程較為平穩(wěn)。
不同送絲比下的單道橫截面圖如圖 9 所示。可以看出，不同參數(shù)下熔池的熱影響區(qū)并無(wú)明顯區(qū)別，說明絲材的添加對(duì)熔池溫度分布無(wú)影響。隨著送絲比的增大，送入熔池中絲材的質(zhì)量逐漸增大，橫截面的面積逐漸增大。
橫截面寬度以及高度隨送絲比的變化曲線如圖10 所示�？梢钥闯觯诓煌徒z比情況下，橫截面寬度無(wú)明顯差異，寬度均值為 0.938 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.025 mm。這主要是由于沉積層的寬度會(huì)受到熔池寬度的影響，而送絲比對(duì)熔池形狀幾乎無(wú)影響，因此沉積層寬度也不會(huì)有較大差異，絲材質(zhì)量的增大主要體現(xiàn)在沉積層高度方向上。隨著送絲比從 1 增大至 3，單道沉積層的高度從 0.308 mm 增大至 0.465 mm，增大了 51.0%。
3、 結(jié)論
對(duì)真空環(huán)境下 TC4 激光熔絲增材制造工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究了激光功率、掃描速度以及送絲比等因素對(duì)單道沉積層形貌、橫截面的影響規(guī)律，得到的主要結(jié)論如下：
1）當(dāng)激光功率小于 230 W 時(shí)，得到的單道表面形貌較為良好，而當(dāng)激光功率為 230 W 時(shí)，單道起始段出現(xiàn)了缺陷，且表面出現(xiàn)了“魚鱗”結(jié)構(gòu)；當(dāng)激光功率為 190~230 W 時(shí)，熔覆層與基板區(qū)域相對(duì)結(jié)合較好，但較大功率會(huì)造成基板熱影響區(qū)較大。
2）當(dāng)掃描速度小于 1.5 mm/s 時(shí)，表面也出現(xiàn)了“魚鱗”結(jié)構(gòu)；掃描速度對(duì)橫截面寬度和高度的影響幅度都很小。
3）在不同送絲比情況下得到的單道表面形貌都較為良好，表面光滑，無(wú)明顯缺陷，成形過程較為平穩(wěn)，不同參數(shù)下熔池?zé)嵊绊憛^(qū)并無(wú)明顯區(qū)別；隨著送絲比的增大，送入熔池中絲材的質(zhì)量逐漸增大，橫截面的面積逐漸增大，主要體現(xiàn)在沉積層高度方向上。
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