优化激光粉末床熔融工艺以提高Ti-6Al-4V合金样品的机械性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Optimization of laser powder bed fusion process to enhance mechanical properties of as-built Ti-6Al-4V samples

通过优化激光粉末床融合（PBF-LB/M）工艺参数，首次实现了Ti-6Al-4V即制状态零件满足ASTM B348标准（纵向UTS 1214 MPa，ε 11.7%；横向UTS 1173 MPa，ε 11.1%）。关键参数为能量密度67 J/mm3和激光间距60 μm，通过系统分析密度、精度、表面粗糙度与力学性能关系确定最优条件，并验证了表面缺陷对性能的影响。

　　本研究聚焦于钛合金Ti-6Al-4V在激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, PBF-LB/M）技术中制造出的性能提升问题。长期以来，由于该工艺中固有的缺陷，如粗糙表面和内部孔隙，人们普遍认为制造出符合ASTM B348标准的高强度和高延展性的Ti-6Al-4V样品是难以实现的。然而，本文首次证明了通过合理优化PBF-LB/M工艺参数，即使是在未进行后处理的“即制”状态下，Ti-6Al-4V结构也能够达到满足ASTM B348标准的机械性能。这为提高即制Ti-6Al-4V组件的机械性能提供了一条可行的路径。

在金属增材制造（Additive Manufacturing, AM）领域，PBF-LB/M技术被广泛用于生产复杂结构的金属部件，尤其是在汽车、航空航天、国防和生物医学等应用中。这种技术能够制造出高精度、高分辨率的结构，包括具有晶格或多孔结构的部件、生物相容性植入物和薄壁结构。在许多应用中，由于后处理的限制，对即制部件进行处理变得愈加困难，这导致即制部件的机械性能出现显著差异。因此，由PBF-LB/M制造的部件在工业应用中面临可靠性问题。一些先前的研究已经探讨了3D打印部件在即制条件下的机械行为，特别是表面效应对其性能的影响。例如，Baghi等人制造了横向（垂直）拉伸试样，其相对密度为99.8%，并分析了表面加工对机械性能的影响。加工后的试样表现出更高的极限抗拉强度（UTS）和延展性（ε），显著优于未加工的试样。表面加工技术，如机械加工、抛光和蚀刻，可以有效改善机械性能，通过去除表面缺陷，如粗糙度、孔隙和缺口。然而，这些方法也存在一些挑战，如几何限制和残余应力引起的变形。

此外，热处理方法，如应力消除、退火和等温压（Hot Isostatic Pressing, HIP），也被报道可以改善即制样品的机械性能，通过改变微观结构、减少残余应力和消除内部缺陷。然而，仅依靠热处理无法有效解决表面缺陷问题，而且还可能带来强度与延展性之间的权衡。因此，即使经过热处理，未进行表面加工的试样仍然表现出较低的UTS和ε值，相较于进行了表面加工但未热处理的试样。这表明，后处理技术在改善即制样品性能方面存在局限性，而只有通过优化制造过程，才能实现高机械性能的即制样品。

本研究指出，即制样品的表面缺陷，如高粗糙度、大孔隙和尖锐缺口，是导致机械性能下降的关键因素。这些缺陷在后处理过程中仍然存在，即使经过表面加工或热处理，也难以完全消除。因此，实现高机械性能的即制样品需要在制造过程中注重表面质量的控制，确保材料具有高密度和低表面缺陷。研究发现，体积能量密度（Volumetric Energy Density, E）和 hatch 距离是优化过程的关键参数。在 E = 67 J/mm3 和 hatch 距离为 60 μm 的条件下，即制样品的相对密度达到了99.9%，精度达到了99.9%，侧面粗糙度为26.7 μm。此时，样品的UTS和ε分别为1214 MPa和11.7%（纵向方向），以及1173 MPa和11.1%（横向方向），均显著高于ASTM B348标准要求的895 MPa和10%。这表明，通过合理优化工艺参数，可以显著提升即制Ti-6Al-4V的机械性能。

在优化过程中，首先通过体积能量密度的调整来提高相对密度。研究发现，当体积能量密度较低时，相对密度受到激光功率和hatch距离的影响，即使在相同的能量密度下，不同参数组合也会导致不同的密度。当体积能量密度超过约167 J/mm3时，无论激光功率和hatch距离如何变化，都能获得接近完全致密的样品。如果hatch距离调整得当，体积能量密度高于60 J/mm3时，相对密度可以达到99%以上。然而，体积能量密度过低会导致熔合不足，从而影响致密性。相反，当体积能量密度过高时，虽然熔合不足的问题得以缓解，但过高的能量输入可能导致熔池不稳定，进而影响表面质量。因此，体积能量密度的优化需要在保证致密性的同时，避免过度熔化导致的表面缺陷。

接下来，研究通过分析样品的精度和表面粗糙度，进一步优化工艺参数。结果表明，当体积能量密度处于67-100 J/mm3范围内，且hatch距离在40-60 μm之间时，可以同时实现高精度和低粗糙度。具体来说，在E = 67 J/mm3和h = 60 μm的条件下，即制样品的相对密度达到了99.9%，精度为99.9%，侧面粗糙度为26.7 μm，这为后续的机械性能测试提供了理想的样品。在这一条件下，即制样品的UTS和ε分别达到了1214 MPa和11.7%（纵向方向），以及1173 MPa和11.1%（横向方向），均超过了ASTM B348标准的要求。这说明，通过优化体积能量密度和hatch距离，可以有效提高即制Ti-6Al-4V的机械性能。

研究还探讨了后处理对即制样品性能的影响。例如，通过HIP处理和表面加工，可以进一步改善样品的性能。HIP处理能够消除内部缺陷，减少残余应力，从而提高UTS和ε。然而，即使经过HIP处理，即制样品的UTS和ε仍然低于表面加工后的样品。这表明，后处理技术在提高即制样品性能方面具有一定的效果，但其效果有限，尤其是在处理表面缺陷方面。因此，仅依靠后处理难以实现理想的机械性能，而必须通过优化制造过程来确保即制样品的质量。

此外，研究还分析了即制样品的微观结构和表面特性。结果表明，体积能量密度和hatch距离对微观结构和表面质量有显著影响。高体积能量密度可以促进更完全的熔化，减少熔合不足，从而提高致密性和表面质量。然而，过高的体积能量密度可能导致熔池不稳定，形成表面缺陷，如孔隙和尖锐缺口。因此，优化体积能量密度和hatch距离是实现高质量即制样品的关键。

综上所述，本研究通过系统分析体积能量密度和hatch距离对Ti-6Al-4V即制样品性能的影响，证明了通过合理优化工艺参数，可以显著提高即制样品的机械性能，使其达到甚至超过ASTM B348标准的要求。这一发现为增材制造技术在工业应用中的可靠性提升提供了重要的理论支持和实践指导。