發布日期：2024-1-8 15:04:23
金屬熔絲增材制造因設備簡單、成本低、材料利用率高、無污染等特點而備受關注[1-3]，而TC4鈦合金具有高剛度、高強度和耐腐蝕等優良特性，在航空、航天等領域廣泛應用[4-6]。因此，基于熔絲的 TC4 增材制造成為了研究熱點[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。相關研究發現，金屬激光熔絲沉積幾何特征，如沉積層單道寬度、高度、潤濕角等，與激光功率、掃描速度以及送絲比等工藝參數有著復雜的關系[10-16]。因此，必須對其工藝過程進行研究，以提高制備零件的質量。
1、 TC4 熔絲增材制造工藝實驗裝置
TC4 金屬熔絲工藝實驗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、送絲機構、運動平臺以及檢測系統等模塊。絲材通過送絲機構按照一定的速度進入高功率激光束的作用區域，絲材受熱熔化，熔化的金屬過渡到基板的熔池區域，最終通過層層堆疊快速形成高致密性、高性能的大型復雜金屬零件。
實驗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 化學成分如表 1 所示。
2 、單因素單道增材制造工藝實驗
單層單道是實現增材制造的基礎，其成形質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理至關重要。本文在高真空環境下，采用激光熔絲增材制造技術進行單層單道成形實驗，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，激光功率最終會影響熔覆道表面和截面形貌。為了探究激光功率對單道成形的影響，在其他參數（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，當激光功率小于 230 W 時，打印單道的表面形貌較為良好。當激光功率為 230 W 時，打印起始段出現了缺陷，表面出現了類似“魚鱗”的結構，液橋過渡不平穩，質量較差。不同激光功率下單道橫截面圖如圖 3 所示。可以看出，當激光功率為 190~230 W 時，熔覆層與基板區域相對結合較好。但較大的激光功率會造成基板熱影響區較大，當激光功率為 230 W 時，基板熱影響區深度為 0.697 mm。而當激光功率為 150 W 時，基板熱影響深度僅為 0.464 mm。在后期打印過程中，過大的熱影響區域會造成熱積累嚴重，前幾層重熔嚴重，影響打印樣件的表面質量。
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激光束的運動速度，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，最終影響成形質量的好壞，同時也決定了沉積效率。為了探究掃描速度對單道成形的影響，在其他參數（激光功率為 200 W，送絲比為 1.25）不變的情況下，工藝實驗只改變掃描速度進行打印。
不同掃描速度下的打印表面形貌如圖 5 所示。可以看出，所有情況下打印單道的表面形貌都較為良好，但當掃描速度小于 1.5 mm/s 時，表面也出現了和大功率情況一樣的類似“魚鱗”的結構。此時線能量密度較大，液橋過渡不平穩。
各掃描速度下單道橫截面圖如圖 6 所示。可以看出，當掃描速度為 1 mm/s 時，相對結合較好，但其熱影響區較大。當掃描速度大于 1.5 mm/s 時，基板熱影響區深度從 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。可以看出，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。當掃描速度從 1 mm/s 增大到 5 mm/s 時，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，與激光功率對橫截面尺寸的影響進行比較可以發現，激光功率對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，它決定了單位長度（時間）送入熔池中絲材的質量。當送絲比過大時，熔池無法及時熔化送進的絲材，絲材將頂在基板上并發生變形，造成最終成形失敗。當送絲比過小時，送進的絲材末端無法與熔池形成穩定的液橋過渡，絲材將會在未進入熔池前被激光輻射熱量熔化，形成小球。為了研究送絲比對成形的影響，在其他參數（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。
不同送絲比下的單道橫截面圖如圖 9 所示。可以看出，不同參數下熔池的熱影響區并無明顯區別，說明絲材的添加對熔池溫度分布無影響。隨著送絲比的增大，送入熔池中絲材的質量逐漸增大，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。可以看出，在不同送絲比情況下，橫截面寬度無明顯差異，寬度均值為 0.938 mm，標準差為0.025 mm。這主要是由于沉積層的寬度會受到熔池寬度的影響，而送絲比對熔池形狀幾乎無影響，因此沉積層寬度也不會有較大差異，絲材質量的增大主要體現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、 結論
對真空環境下 TC4 激光熔絲增材制造工藝進行了實驗研究，研究了激光功率、掃描速度以及送絲比等因素對單道沉積層形貌、橫截面的影響規律，得到的主要結論如下：
1）當激光功率小于 230 W 時，得到的單道表面形貌較為良好，而當激光功率為 230 W 時，單道起始段出現了缺陷，且表面出現了“魚鱗”結構；當激光功率為 190~230 W 時，熔覆層與基板區域相對結合較好，但較大功率會造成基板熱影響區較大。
2）當掃描速度小于 1.5 mm/s 時，表面也出現了“魚鱗”結構；掃描速度對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，無明顯缺陷，成形過程較為平穩，不同參數下熔池熱影響區并無明顯區別；隨著送絲比的增大，送入熔池中絲材的質量逐漸增大，橫截面的面積逐漸增大，主要體現在沉積層高度方向上。
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