西北有色院金属多孔材料国家重点实验室&澳大利亚RMIT：电子束深粉床3D打印Ti-6Al-4V合金缺陷的三维表征及其对力学性能的影响

【引言】

随着研究的不断深入， 设备的不断完善，金属3D打印工艺日趋成熟，但气孔及局部未熔合等内部缺陷仍难以避免。目前，缺陷的形成机制、对成形构件性能的影响规律以及缺陷控制技术，依然是金属3D打印亟待解决的关键科学或技术问题。

电子束选区熔化（SEBM）是一种典型的粉床熔融3D打印工艺，迄今已在生物医疗等领域获规模应用。随着航空航天等领域需求的增加，国内外相关企业相继推出了大尺寸工业级SEBM装备，成形零件的高度已超过300mm。然而由于受原材料成本和打印时间的影响，鲜有文献系统定量地研究SEBM 深粉床(高度>200mm) 打印的Ti-6Al-4V合金内部缺陷的特征、分布规律及其对力学性能的影响。大部分研究用的SEBM制备的Ti-6Al-4V试样高度小于120mm。

【成果简介】

近日，西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室的汤慧萍教授团队和澳大利亚RMIT大学的Ma Qian（马前）教授团队受Materials Science and Engineering A期刊邀请投稿，发表了题为“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技术制备了高度为300mm、直径为12mm的接近Arcam A2设备打印高度极限的Ti-6Al-4V棒状试样，并利用µ-CT技术系统表征了沿打印高度18337个数字切片中缺陷的数量、三维形貌、倾斜角度、分布等特征随成形高度的变化规律。作者进一步深入讨论了内部缺陷特征随打印高度变化的原因，并分析了缺陷对不同打印高度试样拉伸性能的影响。该工作对电子束深粉床3D打印Ti-6Al-4V构件的工艺优化及工业应用提供了大量珍贵的数据与有益的分析。

【图文导读】

图1：SEBM成形300 mm 高Ti-6Al-4V板状试样的摆放及取样位置。

图2：µ-CT扫描重构的棒样上、中、下三部分及其内部缺陷分布。

图3：棒样上、中、下三部分内部缺陷的径向分布。

图4：棒样上、中、下三部分内部缺陷的球形度及缺陷最长尺寸的分布

图5：棒样上、中、下三部分样品内部缺陷的取向和球形度的分布。

图6：棒样上、中、下三部分样品内部缺陷的竖直深度和球形度的分布。

【小结】

1. 电子束粉床3D打印300 mm高的Ti-6Al-4V棒状试样，其沿打印高度上、中、下三部分的实测密度均为05%（m-CT密度 > 99.92 vol.%）。然而，下部打印的样品（成形高度100mm）中缺陷数量是中、上部总和的数倍，未熔合缺陷所占比列高达40%（中部4%，上部：0%），且取向小于45度角的未熔合缺陷（破坏性大）基本上只出现在下部样品。两种密度测量方法均与打印缺陷的实际情况完全脱节。

2. 所发现的内部缺陷对拉伸强度影响较小（变化范围在±3%），其影响主要在拉伸塑性。下部样品由于含有大量未熔合及取向与拉伸轴近于垂直的缺陷，其断面收缩率和延伸率相对上部打印的样品分别降低了约50%和20%。

3. 上部打印的样品中（高度100mm）未发现未熔合缺陷，其拉伸屈服强度为6MPa，抗拉强度为991.8MPa，延伸率为16.4%， 断面收缩率达到51.4% （为打印态Ti-6Al-4V所报道的最高值）。若进一步优化电子束深粉床打印工艺，各部位均有可能达到上部打印样品出色的拉伸性能水平。

4. 样品中心处直径约5mm和外围约3mm厚的区域近于无缺陷，这可能是由于成形过程中这些区域的局部温度较高从而有利于液态金属对这些部位的缺陷进行有效填充造成的。这说明SEBM成形Ti-6Al-4V合金的工艺仍有明显可优化的空间。

【文献链接】

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)

本文由澳大利亚皇家墨尔本理工大学马前教授团队供稿。

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