Ti5553(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr)合金是一种商用亚 稳态β 钛合金
，其比强度较高、质量轻、断裂韧性、淬 透性和耐蚀性较好[1~5] 。用高机能Ti5553钛合金可造 造发起机舱、机壳、机翼以及机翼衔接构件等关键 部件[6~10] 。

选区激光溶解(Selective Laser Melting
，SLM) 是一种先进的增材造作技术
，可用于造作复杂状态 的金属零件[11~13] 。SLM 使用的原资料是幼粒径金 属粉末
，在激光溶解过程中能均匀溶解和固化。激 光束聚焦到特定地位的金属粉末
，使其瞬间溶解形 成一个极幼的熔池。一层金属粉末溶解和固化后
， 建造台降落一个微幼的距离为下一层金属粉末提 供空间。这个过程不休沉复
，直到造备出整个零 件。SLM技术的优势有：可造作复杂几何状态的零 件、资料利用率高、造作效能高[14] 。调节激光功率 和扫描速度等 SLM 工艺参数
，可扭转零件的致密 度等机能[15,16] 。Zhou 等[17] 使用 CT 分析了用分歧工 艺参数造作的样品中缺点的尺寸、状态和空间分 布。他们成立了一个将缺点体积分数与工艺参数 有关联的数学模型
，证明使用无损 X 射线 CT 技术 可表征SLM零件中的缺点并优化造作工艺。Gong 等[18] 钻研了激光和电子束选区溶解造备的 Ti-6Al4V零件中的缺点对其力学机能的影响
，发现缺点使 资料的强度和延长率显著降低。Fousová 等[19] 选取 分歧参数的 SLM 工艺造备了 Ti-6Al-4V 样品
，发现 激光功率和扫描速度是影响其致密度和压缩机能的 关键参数。Choy等[20] 优化激光功率和扫描速度
，用 SLM 技术造备出致密度高达 99.9% 的 Ti-6Al-4V 零件。

本文用SLM技术造备Ti5553合金构件
，钻研激 光功率和扫描速度等工艺参数对其致密度等机能的 影响
，分析缺点的特点和形成法规
，以及力学机能与致密度的关系。

1、尝试步骤

SLM成型用Ti5553粉末的粒径为15~53μm。用AmProSP101型金属铺粉3D打印机造备尝试用Ti5553样品
，粉层厚度为0.03mm
，扫描间距为0.06mm,层间旋转角度为67°,条宽为10mm,激光光斑直径为0.06mm。以功率和扫描速度为变量设计了36组参数造备样品。激光功率为70~120W
，功率跨度为10W
，扫描速度为300~800mm/s
，跨度为100mm/s。样品的长、宽、高均为10mm。

使用线切割从基板上截取样品
，基板的材质为TC4。在36个样品中拔取9个试样
，其定名(A1-C3)列于表1。

用GeminiSEM-300场发射扫描电子显微镜(SEM)观察用于打印的粉末的描摹。沿打印样品成长方向的截面截取金相试样
，顺次用80#、200#、800#、1500#、2000#、3000#砂纸打磨样品的表表
，而后用二氧化硅抛光液抛光。用Archimedes法、金相法和CT(Computed Tomography,推算机断层扫描)法丈量致密度。用SHUJU SJ-300固体密度计和Ar-chimedes法测试样品的密度推算样品的致密度。用HAL-100 ZEISS型光学显微镜(OM)观察样品中缺点的散布。将9个打印样品别离加工成长4mm、宽4mm和高6mm的立方体
，用Xradia 515 Versa型X射线断层扫描仪统计样品的致密度
，得到直观可见的缺点描摹、数量、体积分数图像。用MTS Landmark型伺服液压节造测试系统依照GB/T73142017尺度测试样品的压缩机能
，压缩速度为0.5mm/min
，每个工艺参数测试2个样品
，取其了局的均匀值。用密度计丈量样品的密度
，将其除以Ti5553的理论密度4.65g/cm3得到样品的致密度
，孔隙率=1-致密度。

2、尝试了局

表1拔取样品的编号和工艺参数

Table 1 The numbering and process parameters for sample selection

2.1 Ti5553合金粉末的描摹和粒度散布

2.2样品的致密度和孔隙率

如图4a所示
，激光功率为110W
，扫描速度为300mm/s的样品
，其最大体密度可达99.99%。在一样功率下扫描速度降低使密度提高
，扫描速度为500~600mm/s的样品其致密度最高。能量密杜纂致密度的关系散点图
，如图4b所示

Ｄ芄豢闯
，随着能量密度的提高致密度随之提高。功率高于200J/mm3时
，致密度达到最大值后降低
，由于过高的能量密度导致匙孔的形成。

率,再凭据孔隙率推算出致密度。

2.3样品中微观缺点的散布

2.4样品中的CT缺点

图5给出了分歧工艺参数样品的微观缺点散布

Ｄ芄豢闯
，在能量密度较低的A区域出现了较多的未熔合缺点;B区域中的缺点较少。在功率不变的情况下
，扫描速度的提高使致密度降低
，在金相照片中可见显著的未熔合缺点。功率为70~90W时
，这种情况尤为显著。

样品中缺点的描摹可分为两类:一类是能量密度较低时形成的状态不规定、尺寸较大的未熔合缺点;另一类是能量密度过高时形成的球形度较大、尺寸较幼的匙孔,是粉末中的杂质气化形成的气孔。

图6给出了样品A1、A2、A3的CT图,图中分歧的色彩暗示缺点的大幼分歧。在功率低于70W的样品中缺点无规定且体积分数较大,分歧大幼的缺点均匀弥散散布。较大的未熔合缺点呈不规定的椭

圆状或片状
，沿打印方向上的弗雷特直径较幼
，在打印方向的法平面方向弗雷特直径较大。随着扫描速度的提高缺点的体积分数提高(数量增多),缺点的最大弗雷特直径随之增大(表2)。A3样品中缺点的最大弗雷特直径达到了4.237mm。在能量密度较低的样品中未熔合缺点极多
，将较幼的缺点连成较大且陆续的未熔合缺点群。随着扫描速度的降低这些缺点群逐步断开和变幼
，在A1样品中只见一个标红的较大缺点。

样品的致密度降低,在C2和C3样品中也观察到一个弗雷特直径较大的未熔合缺点。在C1样品中状态规定、球形度较高且体积分数较幼的匙孔
，是过高的能量密度使金属蒸发产生的气孔。

在功率不变的情况下
，提高扫描速度使样品中的缺点增多、体积分数提高和散布密集;在扫描速度不变的情况下
，激光功率的提高使样品中的缺点数量削减、体积分数降低。这批注
，一味地提高激光功率和降低扫描速度并不能使致密度持续提高。过高能量密度使金属粉末溶解后进一步气化
，熔融的金属凝固使样品中产生状态规定的气孔。

图7给出了B1、B2和B3的CT图。与激光功率为70W的样品相比
，随着激光功率的提高可观测到未熔合缺点的体积分数降低、数量削减。与功率为70W的样品一样的是
，随着激光扫描速度的提高功率为100W的样品中不规定的未熔合缺点数量增多和体积分数提高。在B1样品中可观察到较大的环状未熔合缺点。

用Archimedes法和金相法测得的致密杜纂用CT法测得的致密度比力
，其差距如表3所示

Ｄ芄豢闯,样品的致密度越低差距越大。样品的致密度越高
，差距越幼。

2.5样品的压缩机能

图8给出了C1、C2和C3的CT图。与功率为70W和100W的6个样品相比
，激光功率为120W的样品中未熔合缺点的体积分数大幅度降低
，数量也大幅度削减。扫描速度的提高也使功率为120W

表2CT样品中缺点的最大弗雷特直径

Table 2 Maximum Feret diameter of defects in CT samples

图9给出了样品的工程应力-应变曲线。致密度高于99%的样品其屈服强度为805.5~864 MPa,其中致密度为99.99%的C1样品其打印态屈服强度为862.5MPa。A1、A2、A3、B3样品在压缩过程中发

生了断裂失效
，其他样品均未失效。由此能够揣摩
，致密度低于98.71%的样品在压缩时失效。凭据图9推算出各参数样品的屈服强度和对应的能量密度
，如表4所示。

图10给出了分歧激光打印参数Ti5553的屈服强度及其与能量密度的关系

Ｄ芄豢闯
，在功率一样的前提下,随着扫描速度的提高屈服强度随之降低。其原因是,样品中的缺点对力学机能产生了较大的影响。样品中的缺点越多、缺点的尺寸越大,则样品的屈服强度越低[21]。激光功率同为100W,B2样品的屈服强度最高(852MPa),比致密度较高的样品B1高。同样地
，功率同为120W的样品C2和C1也出现了一样的情况。随着能量密度的提高Ti5553样品的屈服强度随之提高
，这种趋向在能量密度较低时尤为显著。能量密度高于约166.67J/mm3的样品,屈服强度趋于安稳。

表3分歧步骤测试的致密度及其误差

Table 3 Different methods for measuring relative density values and errors

Note: AM-the Archimedes Method

表4分歧参数Ti5553合金样品的能量密杜纂屈服强度

Table 4 Energy density and yield strength of Ti-5553 alloy with different parameters

3、会商

3.1工艺参数对缺点形成的影响

样品的致密杜纂激光能量密度的关系
，可暗示为

式中E为能量密度(J/mm3);P为激光功率(W);V为单元功夫内扫过的粉体体积(mm3);v为扫描速度(mm/s);h为粉层厚度(mm);d为扫描间距(mm)。用金相法测试致密度的了局批注
，激光功率为110W、扫描速度为300mm/s的样品致密度最高。能量密度为203.7J/mm3造备的样品
，其致密度为99.99%。能量密度的提高使样品的致密度提高
，但是过高的能量密度使金属产生气化,产生的匙孔使致密度降低。尝试了局批注
，在能量密度一样的前提下
，其它工艺参数分歧也使致密度分歧。其原因是
，在能量密度足够高的前提下
，提高激光功率和扫描速度也可能使轨迹从陆续状态转变为不规定和球化状态
，从而影响构件的致密度[22]。因而
，只凭据能量密度确定的最优参数
，是不正确的。从图7a和图8c能够看出
，扫描速度和激光功率都较高的样品
，其中缺点的体积较大。激光功率和扫描速度较低的样品
，其中的缺点体积较幼。这批注
，即便能量密度靠近
，降低激光功率和扫描速度也能减幼缺点的体积。必要指出的是
，本文关注激光功率和扫描速度对样品的组织和力学机能的影响
，因而使用了一种层厚。层厚分歧也显著影响构件的缺点和组织[23]。这批注
，调节层厚也是优化SLM造备的Ti5553构件的致密度和力学机能的有效伎俩。

3.2用分歧步骤丈量的致密度的误差和工艺参数影响压缩机能的机造

用金相法和Archimedes法测出的致密杜仔肯定的误差。用Archimedes法丈量致密度
，样品的体积越幼误差越大。样品中缺点的体积分数和数量也影响其压缩机能。样品的缺点越少、体积越幼
，其压缩机能越高
，尤其是致密度不高于99%时。致密度高于99%的样品(图5),B1的致密度为99.93%,屈服强度为843.5MPa,B2的致密度为99.62%
，屈服强度为852 MPa。B2的致密度低于B1
，但是其屈服强度却高于B1。致密度高于99%的样品,缺点对力学机能的影响较幼。在功率一样的前提下
，扫描速度越高熔池的冷却越快
，只能天生较幼的晶粒
，其屈服强度就比力高[24]。同时
，能量密度较低的样品拥有混合的柱状和细晶粒结构
，由于熔池的沉叠不及以突破柱状晶粒结构。能量密度更高的样品出现出等轴晶粒描摹
，由于其熔池足够大且沉叠
，整个区域熔融天生了等轴晶粒[25]。与柱状晶样品相比
，这些等轴晶样品拥有各向同性并拥有更好的塑性变形能力
，因而其压缩机能更优。

4、结论

(1)随着激光能量密度的提高
，用选区激光溶解技术(SLM)造备的Ti5553合金样品缺点削减
，致密度提高。能量密度一样但是工艺参数分歧的样品其致密度分歧。

(2)在工艺窗口表
，降低激光功率、提高扫描速度使未熔合缺点的增多
，提高激光功率、降低扫描速度使状态规定、体积较幼的匙孔增多。

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（注
，原文标题：激光功率和扫描速度对SLM造备Ti5553合金机能的影响）