顧曉春，程爽爽，宋國華，2，王帥，李婷

1.北京星航機電裝備有限公司 北京 100074 2.航天增材科技（北京）有限公司 北京 100074

1 序言

增材制造技術相對于傳統(tǒng)制造技術，具有材料利用率高、制造周期短、易成形復雜結構等優(yōu)勢，尤其適合于航空航天復雜金屬構件的快速制造[1-3]。激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術是目前在航空航天領域廣泛應用的一種增材制造技術，歐洲空客公司和北京衛(wèi)星制造廠等已在其相關產品上應用了采用SLM技術成形的構件[4，5]。

由于SLM成形過程涉及復雜的物理化學過程，成形件內部難以避免地會存在缺陷，如裂紋、氣孔、未熔合等。國內研究人員對SLM成形件的缺陷成因、影響因素及如何避免缺陷開展了大量研究[6-11]，有力地推動了SLM技術的成熟和廣泛應用。對于SLM成形件的缺陷情況，已有涉及TA15材料的研究較少，且主要集中在缺陷類型及成因分析上，對于缺陷分布的研究較少。

本文基于實際SLM成形TA15構件的質量控制與改進需求，開展了激光選區(qū)熔化成形TA15材料缺陷分布研究，為SLM成形工藝的改進和產品質量驗收條件的確定提供了支撐。

2 試樣制備與分析方法

2.1 試樣設計與制備

基于實際產品的幾何尺寸，同時考慮實際產品主要為薄壁構件，以及SLM工藝已較為成熟，存在的缺陷主要是微小缺陷，因此需要采用金相顯微鏡對缺陷進行分析。本文設計了0.6mm、1.0mm和1.5mm3種厚度，尺寸均為15mm×15mm的試樣，每種規(guī)格的試樣制備5件。

采用的TA15粉末粒度為15～53mm，粉末為球形粉末，球形度93%，粉末化學成分見表1。采用實際產品的工藝參數進行SLM成形，具體見表2。為盡可能保證分析試樣與實際產品的一致性，分析試樣與實際產品一同隨爐制備。

表1 TA15粉末化學成分（質量分數） （%）

表2 SLM成形工藝參數

2.2 分析方法

基于實際產品的情況，本文重點關注缺陷在增長方向和厚度上的分布情況，為此選取了3個具有代表性的截面進行缺陷分布分析，如圖1所示。3個截面分別標記為截面A（試樣表層，距表面0.2～0.3mm）、截面B（距表面約Y向尺寸的1/4處）、截面C（距表面約Y向尺寸的1/2處）。

圖1 缺陷分析截面示意

采用掃描電鏡進行缺陷分析，相比光學顯微鏡，掃描電鏡具有以下優(yōu)勢。

1）掃描電鏡景深長，放大倍數更高且調節(jié)方便，載物臺可以旋轉及傾斜，能夠更好地對缺陷清晰成像，從而便于全面、準確地觀察和判斷缺陷的情況，特別是對于本研究所用試樣而言，缺陷尺度為幾微米到幾十微米量級，對缺陷清晰成像的要求很高，圖2和圖3分別為同一個缺陷的掃描電鏡和光學顯微鏡照片，可見掃描電鏡的成像效果遠好于光學顯微鏡，掃描電鏡可以對缺陷表面和內部同時清晰成像，而金相顯微鏡則只能對缺陷表面（見圖3a）和內部（見圖3b）分別成像，且對于缺陷內部的成像效果較差。

圖2 某缺陷的掃描電鏡照片

圖3 某缺陷的光學顯微鏡照片

2）對于缺陷的分布研究而言，缺陷位置信息非常重要，掃描電鏡在觀察缺陷的同時可以方便地對其位置參數進行測量，而光學顯微鏡在這方面遠不及掃描電鏡方便。

3 試樣缺陷類型

為明確不同類型缺陷的分布情況，先對缺陷的類型進行了分析，發(fā)現試樣內部主要存在氣孔和未熔合兩種缺陷，未發(fā)現裂紋、夾雜等其他缺陷。

根據氣孔缺陷的形成原理[7，8]，因其體積為球形或類球形，故其在金相照片上主要表現為圓形（見圖4a）或橢圓形（見圖4b）。

圖4 氣孔缺陷

觀察到的未熔合缺陷可以分為兩種：一種是未熔合孔洞，如圖5所示，可以看到缺陷內部表面光滑，表面呈現典型的金屬流動形態(tài)；另一種是層間未熔合，其是相鄰掃描線間的熔池未能有效搭接而形成的較大連續(xù)缺陷，典型的層間未熔合缺陷在二維尺度上一般具有較大的長寬比，如圖6所示。

圖5 未熔合孔洞

圖6 層間未熔合

4 激光選區(qū)熔化成形TA15材料缺陷分布

采用掃描電鏡對試樣3個不同截面上的缺陷進行了觀察。記錄缺陷的類型和位置數據，由此繪制了缺陷的分布圖。

4.1 0.6mm厚試樣缺陷分布

5件0.6mm厚試樣在3個截面上的缺陷分布情況分別如圖7～圖9所示，分析表明，其缺陷分布表現出以下規(guī)律。

圖7 0.6mm厚試樣在截面A上的缺陷分布

圖8 0.6mm厚試樣在截面B上的缺陷分布

圖9 0.6mm厚試樣在截面C上的缺陷分布

1）試樣表面區(qū)域的缺陷數量明顯多于試樣內部的缺陷數量。

2）未熔合缺陷主要分布于試樣表面區(qū)域，試樣內部少有未熔合缺陷，即靠近表面區(qū)域的未熔合缺陷數量明顯多于試樣內部的未熔合缺陷數量。

3）氣孔缺陷主要呈無規(guī)則的彌散分布，雖然未表現出明顯的規(guī)律性，但分布于試樣表面區(qū)域的氣孔缺陷的數量略微占優(yōu)。

4）缺陷的分布呈現一定的聚集性趨勢，即缺陷的分布相對較為集中，大部分缺陷較為密集地分布于某些區(qū)域。

4.2 1.0mm厚試樣缺陷分布

5件1.0mm厚試樣在3個截面上的缺陷分布情況分別如圖10～圖12所示，分析表明，其缺陷分布規(guī)律與0.6mm厚試樣的缺陷分布規(guī)律相同。

圖10 1.0mm厚試樣在截面A上的缺陷分布

圖11 1.0mm厚試樣在截面B上的缺陷分布

圖12 1.0mm厚試樣在截面C上的缺陷分布

4.3 1.5mm厚試樣缺陷分布

5件1.5mm厚試樣在3個截面上的缺陷分布情況分別如圖13～圖15所示。分析表明，其缺陷分布規(guī)律與0.6mm厚試樣的缺陷分布規(guī)律相同。

圖13 1.5mm厚試樣在截面A上的缺陷分布

圖14 1.5mm厚試樣在截面B上的缺陷分布

圖15 1.5mm厚試樣在截面C上的缺陷分布

5 結束語

0.6mm、1.0mm、1.5mm共3種厚度的激光選區(qū)熔化成形TA15材料試樣內部主要存在氣孔和未熔合缺陷，不同厚度試樣的缺陷均呈現相同的分布規(guī)律。

1）試樣表面區(qū)域的缺陷數量明顯多于試樣內部的缺陷數量。

2）未熔合缺陷主要分布于試樣表面區(qū)域，試樣內部少有未熔合缺陷。

3）氣孔缺陷主要呈無規(guī)則的彌散分布，但分布于試樣表面區(qū)域的氣孔缺陷數量略微占優(yōu)。

4）缺陷的分布呈現一定的聚集性趨勢。