TC4鈦合金因具有比強度高、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕和抗高溫蠕變等優點，在航空航天領域和其他新興領域得到了廣泛應用。 隨著航空航天科學技術的發展，對鈦合金結構輕量化及性能提出了更高要求。 由于利用傳統制造方法制造復雜零部件時存在效率低、成本高且難于實現等問題，近年來人們熱衷于3D打印直接成形研究以解決上述問題，并獲得了眾多成果［1 － 4］。 現有研究［5］表明，隨著激光功率的提高，晶粒尺寸增大; 掃描速度影響熔覆過程中的加熱時間及粉末利用率，掃描速度越高，粉末和基材的加熱時間越短，粉末利用率越低; 送粉量影響成形效率，在保證激光功率密度足夠的情況下送粉量越多，成形效率越高［6］。

激光3D打印工藝參數對3D打印材料成形質量及構件性能具有很大影響，因而激光3D打印工藝參數選擇的正確與否顯得非常重要。 到目前為止，當激光輸出功率約為2kW 時，3D打印工藝參數與鈦合金成形質量、性能之間的關系仍缺乏科學、全面及系統的研究。 本文采用了正交試驗方法，研究了當激光輸出功率約為2kW 時，3D打印工藝參數對鈦合金成形質量及性能的影響規律。

1、試驗設備與方法

用于TC4鈦合金打印的LDM-8060 設備是由南京中科煜宸激光技術有限公司自主研發的，該設備主要由4 kW 光纖耦合半導體激光器( 聚焦點光斑直徑為4 mm) 、四路送粉3D打印頭、氣載式送粉器、氬氣工作倉+ 凈化系統、水冷機、三軸數控工作系統+ 工作臺、3D打印軟件+ 運動控制系統等組成。 激光3D打印工藝參數正交試驗設計方案如表1 所示。

TC4基板采用鈦合金鍛造板材，其尺寸為100 mm × 100 mm × 20 mm。 試驗前首先利用SiC砂紙進行打磨處理，然后采用丙酮進行擦拭，從而去除基板表面的油污和氧化膜等雜質。 TC4鈦合金粉末粒度范圍為75 ～ 120 μm，其化學成分為:w( Al) = 5.5 ～ 6.75%、w ( V ) = 3.5 ～ 4.5%、w( Fe) ≤0. 25%、w( C) ≤0.08、w( O) ≤0.16%、 w( N) ≤0.01%、w( H) ≤0.01%、余量為Ti。 試驗前將TC4 粉末放到惰性氣體加熱器內于200 ℃下進行烘干處理，以去除粉末中的水分。 對激光3D打印制造的塊體進行線切割，制備尺寸為15 mm × 10 mm × 10 mm 的單道金相試樣以及Z向和XY 向拉伸試樣。 拉伸試樣尺寸如圖1 所示( 單位: mm) ，其實物圖如圖2 所示。

利用500# ～ 2000# SiC 砂紙對金相試樣進行研磨后，再對試樣進行拋光處理，然后利用Kroll腐蝕液( HF、HNO3、H2O 體積比為1∶ 6∶ 7) 進行腐蝕，腐蝕時間約為30s。 采用蔡司ZX-10 型金相顯微鏡和SU8010 型場發射掃描電子顯微鏡分析了金相試樣的組織。 采用WDW-100 型電子萬能試驗機測試了拉伸試樣的力學性能。

2、結果與分析

2.1 試驗結果與數據分析

單道3D打印試驗數據統計結果如表2 所示。 由表2 中的熔合比數據指標可以清楚地看到，3、6 和7號試樣的熔合比相對較小，分別為0.74、0.75 和0.76。 單道3D打印層的外觀形貌如圖3所示。 由圖3可知，3號試樣表面具有大量粘粉，其原因主要是由激光功率不足引起的。 6和7號試樣外觀形貌良好。 與3號試樣相比，6和7號試樣熔合比僅分別增加了0.01 和0.02。 另外，7號試樣的送粉量在三個試樣中最大。 綜合上述分析可以確定7 號試樣數據為最優打印參數。

圖4 為單道3D打印層的橫截面組織形貌。

由圖4 可以測量出熔深和余高，從而計算出熔合比。 熔合比的計算采用熔深/( 熔深+ 余高) 的方法。 熔合比越小，表明基板材料對3D打印層的影響越小，3D打印質量越好。

單道3D打印試驗數據分析結果如表3 所示。 表3 中Ki為任一列因素水平為i 時所對應的試驗結果之和; ki為任一列因素水平為i 時所得試驗結果的算數平均值; Ｒ 為極差。 由表3 可見，各列數據的極差不同，表明各因素的水平改變對試驗結果的影響各不相同。 極差越大，表明該列因素在試驗范圍內的數值變化會導致試驗指標數值產生更大變化，所以極差最大的那一列因素就是對試驗結果影響最大的因素，即最主要因素。 由于Ｒ2 ＞ Ｒ1 ＞ Ｒ3，所以各因素從主到次的順序為: 因素二( 掃描速度) ＞ 因素一( 激光功率) ＞ 因素三( 送 粉量) 。 從極差值大小可以直接看出掃描速度是影響熔合比的最主要因素，其次是激光功率，影響最小的是送粉量。

以因素水平為橫坐標，熔合比為縱坐標，分析指標-因素之間的關系，結果如圖5 所示。 由圖5可知，當激光輸出功率為1900 W、掃描速度為700mm /min、送粉量為8g/min 時，熔合比均較小。 結合表2 中的實際試樣參數可知，7號試樣參數為最優工藝參數，即激光輸出功率為1900 W、掃描速度為700mm/min、送粉量為10g/min。

2.2 顯微組織

激光3D打印TC4鈦合金的顯微組織如圖6所示。 由圖6a可以觀察到，高溫下粗大β柱狀晶基本垂直于3D打印( 熔合線) 方向［7］，該柱狀晶寬度約為0.5mm。 由圖6b可知，柱狀晶界先析出相( α相) 呈棒狀分布，柱狀晶內次析出了大量片層α相、少量片層α魏氏板條相及短棒狀α相。

魏氏α板條相具有細長結構特征，長寬比較大且尖端無球化現象。 大量魏氏α板條相主要沿著晶界向晶內生長，形成具有集束狀的形貌特征［8 － 9］。另外，在柱狀晶內存在少量短小棒狀α相，其形成原因是在激光3D打印過程中，由于先析出及次析出α相在晶界和晶內形核并長大，因α相生長方向不同，不同方向的α相接觸后停止生長，從而抑制了部分α相的生長，因而形成了少量短棒狀α相。 柱狀晶組織影響鈦合金的拉伸性能，在柱狀晶生長方向鈦合金的拉伸塑性高于垂直晶粒生長方向的情況。

2.3 室溫拉伸性能

在激光輸出功率為1900 W、掃描速度為700mm /min 及送粉量為10g/min 的最佳工藝參數條件下，激光3D打印制造TC4鈦合金試樣的室溫拉伸性能如表4 所示。 由表4 可知，鈦合金Z 向的拉伸塑性優于XY 向; 但其Z 向的屈服強度和抗拉強度都低于XY 向。 激光3D打印制造TC4鈦合金的強度指標均滿足TC4 鍛件國家標準( GB /T 25137-2010) 的相關要求( σ0.2= 828MPa，σb = 895MPa) ，且其Z向塑性指標優于TC4鍛件國家標準( δ = 10%、ψ = 25%) ，而其XY 向塑性指標低于TC4 鍛件國家標準。

激光3D打印制造TC4鈦合金Z 向塑性較好的原因與晶粒的生長方向和組織形態有關［10 － 11］，該方向下晶粒的生長方向基本垂直于3D打印方向，鈦合金的組織形態為柱狀晶組織，晶粒與晶粒之間的晶界與拉伸方向平行，位錯運動阻力較小。 XY 向下鈦合金的拉伸方向與晶界垂直，位錯運動困難，因而其塑性降低，強度較高。

2.4 室溫拉伸斷口分析

3D打印層Z 向和XY 向的拉伸試樣斷口形貌如圖7 所示。 由圖7 可見，鈦合金兩個方向上的斷口均布滿韌窩，呈現典型的塑性斷口形貌。

2.5 顯微硬度

TC4鈦合金3D打印層的硬度分布如圖8 所示。 由圖8 可以計算得到鈦合金打印層的平均硬度約為342.6 HV。

3、 結論

通過以上分析可以得到如下結論:

1) 激光3D打印制造TC4鈦合金的優化工藝參數為: 激光功率1 900 W、掃描速度700 mm /min、送粉量10g/min。

2) 在優化工藝參數條件下，鈦合金焊態下的顯微組織由粗大柱狀晶組成，柱狀晶界由先析出棒狀α相組成，晶內組織由次析出的大量片層α相、少量片層α魏氏相及短棒狀α相組成。

3) 激光3D打印制造TC4鈦合金Z 向拉伸試件的性能指標超越了國家鍛造標準; XY 向強度指標超越國家鍛造標準要求，而塑性指標低于國家鍛造標準要求; Z 和XY 向拉伸試樣斷口形貌均布滿韌窩且均屬于塑性斷裂。

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