增材制造又稱3D打印［1-3］， 是基于零部件三維模型實(shí)現(xiàn)快速成形的先進(jìn)制造技術(shù)， 在航空航天、船舶工程以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［4-5］。 激光同軸送絲增材制造技術(shù)是將絲材從中空激光內(nèi)部送入， 逐層進(jìn)行沉積的增材制造技術(shù)，兼具熔絲增材制造成本低、 效率高和激光增材制造精度高、 質(zhì)量好的優(yōu)勢， 且過程靈活度高、 零件各向異性低， 更具廣闊的應(yīng)用前景［6］。

目前， 國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)已開展了大量關(guān)于鈦及鈦合金激光同軸送絲增材制造技術(shù)的研究。 重慶大學(xué)的 Ｄｕ［7］、 德國弗朗恩霍夫焊接研究所的 Ｋｅｌｂａｓｓａ［8］

和法國波爾多大學(xué)的 Ｃａｚａｕｂｏｎ［９］等人分別對 0.4、 0.8和 1.2mmTC4 鈦合金激光同軸送絲增材制造工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究， 結(jié)果表明激光同軸送絲增材技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的近凈成形； 德國勞西茨應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的 Ｓｉｌｚｅ 等人［10］對 1.0mmTC4 鈦合金激光同軸送絲增材制造試件的組織性能進(jìn)行了研究， 發(fā)現(xiàn)

TC4鈦合金激光同軸送絲增材制造試件的柱狀 β 晶粒內(nèi)部呈現(xiàn)“網(wǎng)籃組織”， 通過延長層間停留時間以及降低層間溫度可以減小晶粒尺寸， 改善拉伸性能；重慶綠色智能技術(shù)研究所的 Ｄｉｎｇ 等人［11］ 對 0.4 ｍｍTC4 鈦合金激光同軸送絲增材制造工藝進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在增材制造過程中可通過紅外（ＩＲ） 熱成像儀對試件內(nèi)部的缺陷進(jìn)行預(yù)測分析； 西班牙工業(yè)研究中心的 Ｃｈｕｒｒｕｃａｍ 等人［12］對TC4鈦合金激光同軸送粉和激光同軸送絲增材制造的打印效率、 成本和試件質(zhì)量進(jìn)行對比分析， 結(jié)果表明 2 種增材試件的微觀組織類似， 而激光同軸送絲增材制造的效率和成本相比激光同軸送粉增材制造有著巨大的優(yōu)勢。

綜上可以發(fā)現(xiàn)， 國內(nèi)外各機(jī)構(gòu)對鈦合金激光同軸送絲增材制造的研究多集中在工藝、 組織和熱過程分析方面， 對其試件力學(xué)性能的研究較少。 此外目前的研究多集中在單道多層薄壁件上， 對多層多道增材試件的組織性能缺乏系統(tǒng)研究。 與TC4鈦合金相比，TA2純鈦具有較高的成本優(yōu)勢， 為此， 以1.2mmTA2 純鈦為原料， 對不同路徑下激光同軸送絲增材制造試件的組織和性能進(jìn)行系統(tǒng)研究， 以期為推動鈦合金激光同軸送絲增材制造技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供一定的技術(shù)積累。

1、 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為 ?1.2mm的TA2焊絲， 化學(xué)成分如表 1 所示。 激光同軸送絲增材制造試驗(yàn)以工業(yè)機(jī)器人和 Ｌ 型變位機(jī)作為增材制造系統(tǒng)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)， 以6kW 激光器作為熱源， 并配備有 150 μｍ 光纖、 激光同軸送絲打印頭和推拉式送絲機(jī)。 試驗(yàn)底板為50mm×200mm×200mm的TA2純鈦板， 試驗(yàn)前用鈦絲輪清除試板表面氧化膜， 用丙酮清除試板表面油污。 增材制造在氬氣氛圍中進(jìn)行， 試驗(yàn)參數(shù)如表2 所示。

圖 1 為增材制造路徑示意圖。 采用圖 1 所示 3種路徑打印規(guī)格為 120mm×120mm×20mm的 TA2純鈦試件。 其中， 圖 1ａ 為單向平行路徑， 每一層的堆積方向一致， 各層的堆積方向也一致； 圖 1ｂ 為蛇形往復(fù)路徑， 每一層采用循環(huán)往復(fù)的方式堆積， 各層的堆積方向一致； 圖 1ｃ 為蛇形正交路徑， 每一層采用循環(huán)往復(fù)的方式堆積， 奇偶層的堆積方向垂直，層層正交。 沿試件橫截面切取金相試樣， 經(jīng)砂紙磨光及金剛石研磨膏拋光后， 使用 ＨＦ、 ＨＮＯ3、 Ｈ2Ｏ體積比為 2 ∶ 1 ∶ 17 的 Ｋｒｏｌｌ 試劑腐蝕 45 ｓ 后立即用清水沖洗干凈， 使用 ＯＬＹＭＰＵＳ ＧＸ71 金相顯微鏡觀察組織。 依照 ＧＢ ／ Ｔ 228.1—2021 和 ＧＢ ／ Ｔ 22９—2020分別沿試件橫向和縱向取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣（平行段直徑為 5 ｍｍ）和 Ｖ 型沖擊試樣（10mm×55mm×55 ｍｍ）各 3 件， 采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能和沖擊性能測試。

2、 結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

圖 2 為激光同軸送絲增材制造TA2純鈦試件的宏觀形貌。 從圖 2 可以看出， 試件表面光滑均勻，呈銀白色金屬光澤， 說明激光功率和送絲速度等工藝參數(shù)匹配良好， 打印過程保護(hù)效果良好。

圖 3 為 3 種增材路徑下TA2純鈦試件的焊道熔合形貌。 由圖 3 可以看出， 對于單向平行路徑試件，由于各層間僅高度方向升高相同的距離， 奇偶層間的堆積方向以及同一高度奇偶道間的堆積方向均相同， 因此各層之間存在較多薄弱的鋸齒狀熔池邊界（圖 3ａ）。 采用此種路徑進(jìn)行增材制造時， 每堆積一道需要熄光停絲一次， 返回起始位置進(jìn)行偏移后再重新堆積， 效率較低。 對于蛇形往復(fù)路徑試件， 由于每一層奇偶道間的堆積方向相反， 奇偶層間的堆積方向也相反， 堆積方式較復(fù)雜， 因此各堆積層間薄弱的鋸齒狀熔池邊界較少（圖 3ｂ）。 采用此種路徑進(jìn)行增材制造時， 可在層間溫度符合要求的情況下一次堆積多層試樣， 效率較高。 對于蛇形正交路徑試件， 由于每一層奇偶道間的堆積方向相反， 奇偶層間的堆積方向相互垂直， 因此熔池邊界過渡較其他路徑更為平緩， 無鋸齒狀薄弱邊界（圖 3ｃ）。 采用此種路徑進(jìn)行增材制造時， 也可在層間溫度符合要求的情況下一次堆積多層試樣， 效率與蛇形往復(fù)路徑相當(dāng)。

2.2 顯微組織

圖 4 為 3 種增材路徑下TA2純鈦試件的金相組織。 由圖 4 可以看出， 3 種增材路徑下所獲得的試件其組織均為鋸齒狀 α 相。 激光同軸送絲增材制造是焊絲在激光作用下熔化又急速快冷的過程， 在熔化過程中發(fā)生α→β相轉(zhuǎn)變， 在冷卻凝固過程中 β 相又轉(zhuǎn)變?yōu)?α 相和 α′相， 但由于加熱和冷卻速度都極快， 試件組織轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則的鋸齒狀 α 相， 且晶粒與母材相比較為粗大。 3 種路徑下增材過程的熱輸入和散熱條件類似， 因此 3 組TA2純鈦試件的組織形貌類似。

2.3 力學(xué)性能

圖 5 為 3 種增材路徑下TA2純鈦試件的拉伸性能。 從圖 5 可以看出，TA2純鈦試件抗拉強(qiáng)度、 屈服強(qiáng)度和斷后伸長率的最低值分別為 425.5 ＭＰａ、335.5MPa和 26.0％ ， 均達(dá)到了 ＧＢ ／ Ｔ 3621—2022對TA2純鈦板材拉伸性能的要求。 單向平行路徑試件的縱向抗拉強(qiáng)度和縱向屈服強(qiáng)度均最高， 分別為483.5MPa和 383.5 ＭＰａ， 蛇形正交路徑試件的橫向斷后伸長率最大， 達(dá)到了 36.0％ 。 此外， 單向平行路徑和蛇形正交路徑試件的拉伸性能各項(xiàng)指標(biāo)的差值均較大， 各向異性較強(qiáng)， 蛇形正交路徑試件的拉伸性能各項(xiàng)指標(biāo)的差值均最小， 各向同性較強(qiáng)。 這主要是由于單向平行路徑試件和蛇形往復(fù)路徑試件在縱向拉伸過程中， 載荷方向與沉積焊道方向一致， 沉積焊道起到了軋制板材中纖維組織的作用， 故拉伸性能較好； 而橫向拉伸時與上述 2 個方向垂直， 各堆積焊道間的熔合線成為了拉伸過程中的薄弱位置，因此各向異性較強(qiáng)。 蛇形正交路徑試件由于層與層之間沉積方向相互垂直， 故橫向與縱向組織基本一致， 拉伸性能差別不大， 各向同性較強(qiáng)。

圖 6 為根據(jù)圖 3 抽象出的 3 種增材路徑下TA2純鈦試件的焊道熔合形貌模型。 從圖 6ａ 可以看到， 單向平行路徑試件由于同一層和不同層相鄰焊道的堆積方向一致， 有較多 3 條焊道交于一點(diǎn)的鋸齒狀薄弱區(qū)域； 而圖 6ｂ 蛇形往復(fù)路徑試件由于每一層相鄰焊道和相鄰層不同焊道的堆積方向均不相同， 多為2 條焊道交于一點(diǎn)， 鋸齒狀薄弱區(qū)域較少； 圖 6ｃ 蛇形正交路徑試件由于相鄰層焊道堆積方向垂直， 焊道熔合邊界最為平緩， 無鋸齒狀薄弱區(qū)域。 增材制造試件的塑性變形能力主要由晶粒滑移和焊道邊界滑移共同決定［13］。 3 種不同增材路徑下試件內(nèi)部的顯微組織相似， 均為鋸齒狀 α 相， 因而塑性變形能力主要由焊道邊界滑移決定。 焊道邊界平緩， 有利于降低應(yīng)力集中， 提高試件的塑性變形能力。 因此，蛇形正交路徑試件的斷后延伸率較高， 且由于橫向和縱向的焊道熔合形貌相同， 各向同性也較強(qiáng)。

圖 7 為不同增材路徑下TA2純鈦試件的沖擊性能。 從圖 7 可以看出， 與拉伸性能類似， 單向平行路徑和蛇形往復(fù)路徑試件在橫、 縱向的沖擊功差值較大， 而蛇形正交路徑試件在橫、 縱向的沖擊功差值較小。 這也是由于不同路徑下試件的焊道熔合形貌存在明顯差異而引起的。

3 、結(jié) 論

（1） 在合適的工藝參數(shù)下， 可以實(shí)現(xiàn) 1.2 ｍｍTA2 純鈦絲材的激光同軸送絲增材制造。 所制備的TA2 純鈦試件表面光滑平整， 呈銀白色， 在橫、 縱兩個方向上的力學(xué)性能均能達(dá)到GB/T 3621—2022對TA2純鈦板材的要求。

（2） 由于 3 種路徑下增材過程的熱輸入和散熱條件類似， 焊縫微觀組織均為鋸齒狀 α 相。 不同的增材路徑下， 由于堆積層與層間、 同一層相鄰的堆積焊道之間堆積方向存在差異， 使得不同路徑增材試件的焊道熔合形貌迥異。

（3）TA2純鈦試件的力學(xué)性能主要與增材路徑形成的焊道熔合形貌有關(guān)， 其中單向平行路徑和蛇形往復(fù)路徑試件的力學(xué)性能各向異性較強(qiáng)， 蛇形正交路徑試件的各向同性較強(qiáng)。

（4） 單向平行路徑試件的縱向抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均最高， 分別為 483.5、 383.5 ＭＰａ。 這主要是由于縱向拉伸過程中， 載荷方向與沉積焊道方向一致， 沉積焊道起到了軋制板材纖維組織的作用。 蛇形正交路徑試件在橫、 縱向的斷后伸長率均較高，分別為 36.0％ 和 34.5％ ， 這主要是因?yàn)樯咝握宦窂皆嚰傅肋吔缙骄彛?應(yīng)力集中較低， 塑性變形能力較強(qiáng)。

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