西北有色院金屬多孔材料國家重點實驗室&澳大利亞RMIT：電子束深粉床3D打印Ti-6Al-4V合金缺陷的三維表征及其對力學性能的影響

【引言】

隨著研究的不斷深入， 設備的不斷完善，金屬3D打印工藝日趨成熟，但氣孔及局部未熔合等內部缺陷仍難以避免。目前，缺陷的形成機制、對成形構件性能的影響規律以及缺陷控制技術，依然是金屬3D打印亟待解決的關鍵科學或技術問題。

電子束選區熔化（SEBM）是一種典型的粉床熔融3D打印工藝，迄今已在生物醫療等領域獲規模應用。隨著航空航天等領域需求的增加，國內外相關企業相繼推出了大尺寸工業級SEBM裝備，成形零件的高度已超過300mm。然而由于受原材料成本和打印時間的影響，鮮有文獻系統定量地研究SEBM?深粉床(高度>200mm)?打印的Ti-6Al-4V合金內部缺陷的特征、分布規律及其對力學性能的影響。大部分研究用的SEBM制備的Ti-6Al-4V試樣高度小于120mm。

【成果簡介】

近日，西北有色金屬研究院金屬多孔材料國家重點實驗室的湯慧萍教授團隊和澳大利亞RMIT大學的Ma Qian（馬前）教授團隊受Materials Science and Engineering A期刊邀請投稿，發表了題為“3D characterization of defects in deep-powder-bed manufactured Ti–6Al–4V and their influence on tensile properties”的文章。作者采用SEBM技術制備了高度為300mm、直徑為12mm的接近Arcam A2設備打印高度極限的Ti-6Al-4V棒狀試樣，并利用μ-CT技術系統表征了沿打印高度18337個數字切片中缺陷的數量、三維形貌、傾斜角度、分布等特征隨成形高度的變化規律。作者進一步深入討論了內部缺陷特征隨打印高度變化的原因，并分析了缺陷對不同打印高度試樣拉伸性能的影響。該工作對電子束深粉床3D打印Ti-6Al-4V構件的工藝優化及工業應用提供了大量珍貴的數據與有益的分析。

【圖文導讀】

圖1：SEBM成形300?mm 高Ti-6Al-4V板狀試樣的擺放及取樣位置。

圖2：μ-CT掃描重構的棒樣上、中、下三部分及其內部缺陷分布。

圖3：棒樣上、中、下三部分內部缺陷的徑向分布。

圖4：棒樣上、中、下三部分內部缺陷的球形度及缺陷最長尺寸的分布

圖5：棒樣上、中、下三部分樣品內部缺陷的取向和球形度的分布。

圖6：棒樣上、中、下三部分樣品內部缺陷的豎直深度和球形度的分布。

【小結】

1. 電子束粉床3D打印300 mm高的Ti-6Al-4V棒狀試樣，其沿打印高度上、中、下三部分的實測密度均為05%（m-CT密度 > 99.92 vol.%）。然而，下部打印的樣品（成形高度100mm）中缺陷數量是中、上部總和的數倍，未熔合缺陷所占比列高達40%（中部4%，上部：0%），且取向小于45度角的未熔合缺陷（破壞性大）基本上只出現在下部樣品。兩種密度測量方法均與打印缺陷的實際情況完全脫節。

2. 所發現的內部缺陷對拉伸強度影響較小（變化范圍在±3%），其影響主要在拉伸塑性。下部樣品由于含有大量未熔合及取向與拉伸軸近于垂直的缺陷，其斷面收縮率和延伸率相對上部打印的樣品分別降低了約50%和20%。

3. 上部打印的樣品中（高度100mm）未發現未熔合缺陷，其拉伸屈服強度為6MPa，抗拉強度為991.8MPa，延伸率為16.4%， 斷面收縮率達到51.4% （為打印態Ti-6Al-4V所報道的最高值）。若進一步優化電子束深粉床打印工藝，各部位均有可能達到上部打印樣品出色的拉伸性能水平。

4. 樣品中心處直徑約5mm和外圍約3mm厚的區域近于無缺陷，這可能是由于成形過程中這些區域的局部溫度較高從而有利于液態金屬對這些部位的缺陷進行有效填充造成的。這說明SEBM成形Ti-6Al-4V合金的工藝仍有明顯可優化的空間。

【文獻鏈接】

3D characterization of defects in deep-powder-bed manufactured Ti–6Al–4V and their influence on tensile properties

(Materials Science and Engineering A, doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138031)

本文由澳大利亞皇家墨爾本理工大學馬前教授團隊供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP。