成形方向及添加支撑对电子束选区熔化成形TC4合金组织与拉伸性能的影响.pdf

36MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERINGVol.47No.6Jun.20232023年6 月第47 卷第6 期2023机械工程材料D0I:10.11973/jxgccl202306007成形方向及添加支撑对电子束选区熔化成形TC4合金组织与拉伸性能的影响黄星光，孙宝福，徐博翰?，张建飞3（1.桂林理工大学机械与控制工程学院，桂林5410 0 4；2.佛山桃园先进制造研究院，佛山52 8 2 2 5；3.桂林狮达机电技术工程有限公司研发中心，桂林5410 0 4）摘要：以TC4合金粉末为原料，利用电子束选区熔化技术成形TC4合金拉伸试样，研究了轴向和径向2 种成形方向以及添加支撑对合金显微组织和拉伸性能的影响。结果表明：无支撑径向成形合金存在等轴晶及晶内针状相，形成魏氏集束组织和网篮组织，添加支撑后由粗大柱状晶及两侧网篮组织组成；无支撑和添加支撑轴向成形合金上部分组织由初生相和相组成，而下部分为等轴组织。添加支撑的径向成形合金的拉伸性能明显优于无支撑径向成形合金，其平均抗拉强度为117 3.52 MPa，屈服强度为1155.6 9 MPa，断后伸长率达到15.57%，而添加支撑的轴向成形合金的拉伸性能与无支撑轴向成形合金相当，且均比径向成形合金差。关键词：电子束选区熔化；TC4合金；成形方向；添加支撑；显微组织；拉伸性能中图分类号：TG146.2文献标志码：A文章编号：10 0 0-37 38（2 0 2 3)0 6-0 0 36-0 6Effects of Forming Direction and Adding Support on Microstructure and TensileProperties of TC4 Alloy Formed by Selective Electron Beam MeltingHUANG Xingguang,SUN Baofu,XU Bohan,ZHANG Jianfei?(1.College of Mechanical and Control Engineering,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China;2.FoshanTaoyuan Advanced Institute of Manufacturing,Foshan 528225,China;3.Guilin THD Mech.&.Elec.EngineeringCo.,Ltd.,Guilin 541004,China)Abstract:Taking TC4 alloy powder as raw material,TC4 alloy tensile samples were formed by electronbeam selective melting technology.The effects of axial and radial forming directions and adding support on themicrostructure and tensile properties of the alloy were studied.The results show that there were equiaxed crystalsand intragranular acicular phase in the radial formed alloy without support,forming Widmanstatten clusterstructure and net basket structure;after adding support,it was composed of coarse columnar crystal and netbasket structure at two sides.The upper part of the axial formed alloy without and with support was composed ofprimary phase and a phase,while the lower part was equiaxed structure.The tensile properties of the radialformed alloy with support were significantly better than those of the radial formed alloy without support withaverage tensile strength of 1 173.52 MPa,the yield strength of 1 155.69 MPa,and the percentage elongation afterfracture of 15.57%.The tensile properties of the axial formed alloy with support were comparable to those of theaxial formed alloy without support,and were worse than those of radial formed alloy.Key words:electron beam selective melting;TC4 alloy;forming direction;supporttaddition;microstructure;tensile property收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 2；修订日期：2 0 2 2-0 8-19基金项目：广西创新驱动发展专项资金资助项目（桂科AA18242046)作者简介：黄星光（19 9 9-），男，广西钦州人，硕士研究生导师：孙宝福副教授0 引 言增材制造技术是近年来迅速发展的新型制造技术，是一种根据所需要的产品构建三维模型，以粉末37MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING黄星光，等：成形方向及添加支撑对电子束选区熔化成形TC4合金组织与拉伸性能的影响2023机械工程材料状金属、高分子材料等为原材料，通过将原材料逐层打印而制备出高性能、高致密产品的制造技术。目前，金属增材制造技术主要分为激光选区熔化技术（s e l e c t i v e l a s e r me l t i n g，SL M)、激光熔融沉积技术（l a s e r me t a l d e p o s i t i o n，L M D）、电子束选区熔化技术(selective electron beam melting,SEBM)等 1 经过近2 0 a的发展，SEBM技术已成为金属增材制造技术的重要分支，在成形精度、成形件的强度和致密性方面表现突出，是未来增材制造业发展的主要方向 2 SEBM技术需要三维模型驱动成形，模型处理是影响成形件质量的关键因素之一。受温度梯度影响，零件的成形方向可以直接影响成形件中原始晶粒的生长方向 3；添加支撑可有效改善具有悬空特征结构成形件的拉伸性能L4。A NT O NYSA M Y等 5 研究发现，SEBM成形Ti6A14V合金的初生柱状晶的生长方向与扫描路径以及几何形状有关。李艳梅等 6 研究发现，对于支撑强度不足而引发的结构体翘边、剥落缺陷，可结合零件实际情况采用网格和锥体支撑的方式来改善。姜晓通7 提出了一种计算最小理论支撑体积的模型三维打印方向的方法，该方法在提高支撑稳定性的同时可有效节省打印耗材和时间。赵淑霞等8 研究发现，支撑结构在激光选区熔化成形过程中主要起承托零件、抵消应力、热传导等作用，可直接影响成形件的内部强度及表面精度。目前，有关成形方向、添加支撑对SEBM成形件性能调控机制的研究尚不够充分。因此，作者以常用TC4合金粉末为原料，利用电子束选区熔化技术成形TC4合金拉伸试样，研究了轴向和径向2种成形方向以及添加支撑对合金显微组织和拉伸性能的影响，并对拉伸断口形貌进行观察，以期为不同工艺对SEBM成形钛合金性能影响的研究提供试验参考。1试样制备与试验方法试验材料为通过气雾化法制备的进口TC4（T i-6A1-4V)合金粉末，其化学成分如表1所示，微观形貌如图1所示，可知粉末颗粒球形度良好，大小不一且伴有少量卫星粉，粉末粒径为4510 0 m。基板采用成分相同的TC4钛合金板，尺寸为2 0 0 mmX200mmX10mm。用30 mA的束流对基板进行预热，预热时间为2 5min，使基板的温度达到7 30，防止粉末溃散。采用ArcamA2X型电子束选区熔化设备成形如图2 所示的拉伸试样。将利用Solidworks绘制好的零件试样三维图纸导出为分层零件格式，再导人模型处理软件Magics中，在预设好的基板上以横向和纵向2 种摆放方式放置试样，即成形方向为试样径向和轴向。在不同方向成形的试样上分别添加如图3所示的网状支撑结构，其中径向成形零件支撑表面积为2 7 5mm，轴向成形零件支撑部分为整个直径10 mm的表面，支撑填充量为支撑面积的2 0%。成形时的真空度维持在6 10-Pa，并充入58 Pa的氮气作为保护气体，电子束的扫描路径为弓字形，电子束加速电压为60kV,电子束束流为10 mA，聚焦电流为2 0 mA，扫描速度为30 0 0 mms-1，铺粉层厚为50 m。表1TC4合金粉末的化学成分Table 1Chemical composition of TC4 alloy powder元素A1VCFe0NHTi质量分数/%640.080.250.130.050.01余100um图1TC4合金粉末的SEM形貌Fig.1SEMmorphologyof TC4alloypowder165516R4R495图2 SEBM成形拉伸试样尺寸Fig.2Dimesion of SEBM formed tensile specimen采用线切割法在试样沿成形方向的上部分和下部分分别截取厚度为2 mm的金相试样，其中径向成形试样的取样位置在标距段中部的上表面和下表面，轴向成形试样取样位置在标距段的两端；试样经磨抛，用Kroll试剂（HF、H NO 3、H,O 的体积比为2:4：9 4）腐蚀后，在DMILM型倒置光学显微镜(OM)和HitachiS-4800型扫描电镜（SEM)下观察显微组织，并用SEM附带的能谱仪（EDS)进行元素面扫描。按照GB6397一19 8 6，采用WDW-100型38MATERIALSFORMECHANICALENGINEERING黄星光，等：成形方向及添加支撑对电子束选区熔化成形TC4合金组织与拉伸性能的影响2023机械工程材料电子万能试验机对不同试样进行室温拉伸试验，试样标距部分尺寸为$5mm55mm，拉伸速度为3X10-3ms-1。拉伸试验结束后采用Hitachi S-4800型扫描电镜观察拉伸断口形貌。图3网状支撑结构示意Fig.3Schematic of mesh support structure2试验结果与讨论2.1对显微组织的影响在SEBM成形TC4合金的过程中，电子束的熔化深度大于1个粉末层厚度，导致一层材料多次熔化，组织为相；当电子束的作用远离该层时，由于冷却速率很快，相先转化成马氏体，在后续的成形中，材料多次被加热至固态相变温度，使得马氏体分解为十相组成的网篮组织 9。由图4可知，在无支撑轴向成形试样的上部分可以明显观察到典型的钛合金双态组织，其特点为相上分布着互不相连的初生相，下部分组织为等轴相。轴向成形试样上部分距离基板较远，预热效果较差，加热的次数较少，加热温度远低于钛合金的相转变温度，从而得到双态组织 10 。轴向成形试样下部分距离基板较近，预热效果好，并且每次扫描过程都相当于对下层材料进行一次重熔和退火处理，因此该部分的组织表现出明显的等轴组织；具有这类组织合金的塑性、疲劳强度、抗缺口敏感性及热稳定性都较好，但韧性会较差 11。观察发现，有支撑轴向成形试样的组织与无支撑轴向成形试样的组织相似。无支撑径向成形试样的上部分和下部分都呈现魏氏组织的特征，这是由于成形时试样紧贴基板，粉末得到有效预热，相无法及时冷却转变为相所致；具有这类组织的合金具有较高的蠕变抗力、持久强度和断裂韧度，但塑性和断面收缩率远低于具有其他组织类型的合金 12 。径向成形试样中存在一些孔洞缺陷，推测是由于径向成形时的电子束扫描面积过大所致。对无支撑条件下不同方向成形试样上部分和下部分横截面进行元素面扫描，得到不同试样不同位置的钛、铝、钒、碳、氧含量基本一致，说明成形方向不同不会造成元素分布不均匀。等轴相20m30 um(a)轴向，上部分(b)轴向，下部分20um20 m(c）径向，上部分(d)径向，下部分图4无支撑条件下不同方向成形试样上部分和下部分的横截面SEM形貌Fig.4 Cross section SEM morphology of upper part(a,c)and lower part(b,d)of sample formed along different directions without support:(a-b)axial direction and(c-d)radial direction由图5可以看出：无支撑径向成形试样的显微组织中有明显的初生晶界，在相中析出不同取向的马氏体，存在魏氏集束组织和网篮组织，柱状晶生长方向贯穿多个沉积带，向温度梯度最39MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING黄星光，等：成形方向及添加支撑对电子束选区熔化成形TC4合金组织与拉伸性能的影响2023机械工程材料大的方向生长 13；高倍下有细小的等轴晶及晶内针状相，在SEBM成形过程中，当温度缓慢下降至（十)两相区时，从晶界处析出的晶界相和晶内析出的片状相互相交织，从而形成网篮组织。添加支撑的径向成形试样的显微组织中柱状晶的晶界较完好，晶界内有连续交错分布的网篮组织。在SEBM成形过程中的电子束能量作用下，温度超过相变温度后合金发生相到相的相变，使得相变得粗大 14，同时网状支撑具有的热传导作用使合金成形时的保温效果较好，相元素的扩散系数较大，从而导致等轴相及原柱状相快速粗化，因此添加支撑的径向成形试样中有粗大的柱状晶，且在柱状晶两侧有大量网篮组织；柱状晶粗化的过程中会将合金中的稳定元素铝排除到晶界外，冷却后在原来的相晶内富集大量粗大的针状相。初生晶界等轴晶集束组织针状网篮组织孔洞50 um20 m(a）无支撑，低倍(b）无支撑，高倍粗大针状柱状晶网篮组织50 um20um(c)有支撑,低倍(d)有支撑,高倍图5无支撑和添加支撑条件下径向成形试样的横截面显微组织Fig.5 Cross section microstructures of sample formed along radial direction without(a-b)and with(c-d)support:(a,c)at low magnification and(b,d)at high magnification2.2对拉伸性能的影响由表2 可以看出，无支撑径向成形试样的平均抗拉强度和断后伸长率整体比无支撑轴向成形试样更高，2 种方向成形试样的屈服强度差异较小。轴向成形时试样上下部分受热不均匀，造成组织差异明显，导致力学性能有所差异，因此轴向成形试样的拉伸性能劣于径向成形试样。添加网状支撑的径向成形试样的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率都明显优于无支撑的径向成形试样，具有更好的拉伸性能。无支撑径向成形试样只能通过预设的粉末床来完成打印，而添加网状支撑的试样则可通过支撑结构承托悬空部分完成制备过程，可有效防止由成形过程中粉末的重力及热扩散而导致成形合金变形和塌陷的现象。添加支撑的轴向成形试样的拉伸性能与无支撑条件下的相似，这是因为轴向成形时试样的悬空部分较少，所以添加支撑对提高合金成形性能的效果不佳。表2不同成形条件下试样的拉伸性能Table2Tensile properties of samples formed underdifferentconditions成形抗拉强屈服强断后伸有无支撑方向度/MPa度/MPa长率/%径向无支撑921.47467.2313.23轴向无支撑752.26430.599.96径向有支撑1173.521 155.6915.57轴向有支撑754.98752.139.682.3对拉伸断口形貌的影响无支撑和添加支撑轴向成形试样拉伸断口形貌相似。由图6 可见，无支撑轴向成形试样拉伸时的裂纹起源于纤维区，快速扩展形成放射区，当裂纹扩展到表面时，形成了韧性断裂的剪切唇，最后形成杯锥状的断口，断口出现颈缩现象，在剪切唇和放射区40MATERIALSFOR MECHANICALENGINEERING黄星光，等：成形方向及添加支撑对电子束选区熔化成形TC4合金组织与拉伸性能的影响2023机械工程材料边缘存在未熔粉末。轴向成形试样中存在较多未熔粉末，导致其拉伸性能较径向成形拉伸试样差。轴向成形试样的断口位于试样上部分，这是由于距基板位置越远，成形件的受热效果越差，成形性能越差，未熔化的粉末越多所致 15无支撑和添加支撑径向成形试样均在试样中间部位断裂。由图7 可以看出：无支撑径向成形试样拉伸断口呈杯锥状，断口表面较平整，剪切唇区域较小，纤维区内粉末熔化效果较好；断口处还存在高密度短而弯曲的撕裂棱，呈现河流状的花样，同时还存在解理台阶和少量的孔洞；断口上下两侧都有未熔球形粉末，且上侧未熔粉末数量较多，这是由于径向成形时试样下方的粉末熔化成形后，没有支撑结构来对其进行托举，随着成形层数的增加，上层粉末熔化成形后的重力作用使下层没有完全结合的熔融粉末层塌陷，同时在电子束的热扩散和轰击作用下，下层粉末熔融粉末层结合状态变差，导致了力学性能差异。添加支撑的径向成形试样的宏观拉伸断口上存在剪切断裂的痕迹和少量的孔洞，断口杯锥边缘处的未熔粉末数量较少容粉杯锥状断口1mm500um(a)低倍(b)高倍图6 无支撑轴向成形试样的拉伸断口形貌Fig.6 Tensile fracture morphology of sample formed along axial direction without support:(a)at low magnification and(b)athighmagnification未熔粉木木熔粉木剪切断裂河流花样侧孔洞解理台阶1 mm1mm(a）无支撑(b）添加支撑图7 无支撑和添加支撑条件下径向成形试样的拉伸断口宏观形貌Fig.7Tensile fracture macromorphology of sample formed along axial direction without(a)and with support(b)由图8 可以看出：无支撑径向成形试样拉伸断口存在许多等轴韧窝，大多数韧窝小而浅，相界面因滑移形成少量微孔，放大后断口中出现解理小平面，还伴随着解理舌、解理台阶及河流花样；无支撑轴向成形试样拉伸断口中的韧窝较浅，且韧窝周围有许多微孔，在外力作用下，处于平衡状态的微孔遭到破坏，导致微孔变大，使得试样的致密性、强度、塑性比径向成形试样差 16 。添加支撑的径向成形试样拉伸断口基本由等轴韧窝组成，韧窝数量多且密集，标注所示区域在高倍下有少量撕裂棱和滑移平直区。支撑结构的热传导作用减小了成形时的温度梯度，使得试样组织比较均匀，从而提高了其拉伸性能。3结论（1）无支撑SEBM径向成形合金的显微组织存在等轴晶及晶内互相交织的针状相，形成魏氏集束组织和网篮组织，添加支撑的径向成形合金组织由粗大柱状晶及其两侧网篮组织组成；有支撑和无支撑的轴向成形合金中远离基板的上部分组织均由初生相和相组成，而下部分均为等轴组织。（2）添加支撑的径向成形合金的拉伸性能明显优于无支撑径向成形合金，其平均抗拉强度为1173.52MPa，屈服强度为1155.6 9 MPa，断后伸长率达到15.57%，而添加支撑的轴向成形合金的41MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING黄星光，等：成形方向及添加支撑对电子束选区熔化成形TC4合金组织与拉伸性能的影响2023机械工程材料河流花样解理台阶微孔解理舌50 m10um50 m（a）径向成形，无支撑，低倍(b）径向成形，无支撑，高倍（c）轴向成形，无支撑，低倍撕裂棱微孔滑移平直区10 um100 m10 um（d）轴向成形，无支撑，高倍(e）径向成形，有支撑，低倍(f)径向成形，有支撑，高倍图8 径向和轴向成形及无支撑和添加支撑条件下试样的拉伸断口微观形貌Fig.8 Tensile fracture micromorphology of sample formed along radial direction(a,b,e,f)and axial direction(c,d)without(a-d)and with(e-f)support:(a,c,e)at low magnification and(b,d,f)at high magnification拉伸性能与无支撑轴向成形合金相当，并均比径向成形合金差。（3）不同方向及有无支撑条件下成形合金拉伸断口均主要由韧窝组成，但轴向成形合金中存在更多的未熔粉末，成形性能差，导致其拉伸性能较差；添加支撑的径向成形合金拉伸断口由密集均匀的等轴韧窝组成，韧窝尺寸较小，其拉伸性能最好。参考文献：1孙长进，赵宇辉，王志国，等.增材新概念结构无损检测技术发展现状及趋势研究J.真空，2 0 19，56（4）：6 5-7 0.SUN C J,ZHAO Y H,WANG Z G,et al.Development statusand trend research of nondestructive testing for additive new-conceptual structureJ.Vacuum,2019,56(4):65-70.2汤慧萍，王建，逐圣路，等。电子束选区熔化成形技术研究进展J.中国材料进展，2 0 15,34（3）：2 2 5-2 35.TANG H P,WANG J,LU S L,et al.Research progress inselective electron beam meltingJJ.Materials China,2015,34(3):225-235.3王哲，齐永丰.工艺参数对EBM法制备Ti-6AI-4V合金影响的研究进展 J.金属加工（热加工），2 0 16（增刊2）：17 7-17 9.WANG Z,QI Y F.Research progress on the effect of processparameters on the preparation of Ti-6Al-4V alloy by EBMmethodJJ.MW Metal Forming,2016(S2):177-179.4陈岩，王士玮，杨周旺，等.FDM三维打印的支撑结构的设计算法J中国科学：信息科学，2 0 15，45（2）：2 59-2 6 9.CHEN Y,WANG S W,YANG Z W,et al.Construction ofsupport structure for FDM 3D printers JJ.Scientia SinicaInformationis,2015,45(2):259-269.5ANTONYSAMY A 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