高性能金属材料激光增材制造工艺与组织性能调控研究

高性能金属材料激光增材制造工艺与组织性能调控研究

高巍

内蒙古大全新能源有限公司014000

摘要：激光增材制造技术凭借快速成型、复杂结构制备及材料利用率高等优势，已成为高性能金属材料制备领域的关键技术。本文系统研究了激光增材制造过程中工艺参数（如激光功率、扫描速度、粉末送进速率）对金属材料（以Ti-6Al-4V钛合金为例）熔池行为、微观组织演变及力学性能的影响规律。通过优化工艺参数，实现了晶粒细化、缺陷控制及性能提升，为高性能金属构件的增材制造提供了理论依据与技术支撑。研究结果表明，合理调控激光能量输入可有效抑制孔隙、裂纹等缺陷的产生，显著提高材料的拉伸强度与疲劳性能。

关键词：激光增材制造；高性能金属材料；工艺参数；组织性能调控；缺陷控制

1 引言

随着航空航天、汽车制造及生物医学等领域对高性能金属构件需求的不断增长，传统制造技术已难以满足复杂结构与高性能材料的制备要求。激光增材制造（Laser Additive Manufacturing, LAM）技术作为一种基于离散-堆积原理的先进制造技术，通过逐层熔化金属粉末并快速凝固成型，可实现近净成形，显著缩短生产周期并提高材料利用率。然而，LAM过程中复杂的热循环易导致材料内部产生孔隙、裂纹、残余应力等缺陷，严重影响构件的力学性能与服役寿命。因此，深入探究LAM工艺参数与材料组织性能之间的内在联系，实现对微观组织及力学性能的精准调控，是当前该领域的研究热点与难点。

国内外学者针对LAM工艺优化及组织性能调控开展了大量研究。例如，Smith等（2022）通过数值模拟与实验相结合的方法，分析了激光功率对Ti-6Al-4V钛合金熔池形态的影响，发现较高的激光功率会导致熔池深度增加，但易引发气孔缺陷。Li等（2023）研究了扫描速度对Inconel 718合金晶粒尺寸的影响，结果表明降低扫描速度可促进晶粒细化，提升材料的强度与塑性。尽管已有研究取得一定进展，但针对不同金属材料的工艺参数优化及缺陷控制仍需进一步深入探索。本文以Ti-6Al-4V钛合金为研究对象，系统分析工艺参数对其组织性能的影响规律，旨在为高性能金属构件的LAM制备提供技术指导。

2 实验方法

2.1 实验材料

实验所用材料为Ti-6Al-4V钛合金粉末，粉末粒径分布为15-53μm，纯度大于99.9%。基板选用同材质的Ti-6Al-4V钛合金板，尺寸为100mm×100mm×5mm，实验前经砂纸打磨并超声清洗。

2.2 实验设备与工艺参数

采用光纤激光增材制造系统（型号：FSW-LAM-300），激光波长为1070nm，最大输出功率为300W。实验过程中，以氩气作为保护气体，流量为15L/min，防止金属粉末氧化。选取激光功率（P）、扫描速度（v）、粉末送进速率（f）为主要工艺参数，设计三因素三水平正交实验，具体参数见表1。

2.3 性能测试与表征

采用光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）观察试样的微观组织；利用X射线衍射仪（XRD）分析物相组成；通过万能材料试验机测试拉伸性能，拉伸试样尺寸按照GB/T 228.1-2010标准制备；采用显微硬度计测试试样的显微硬度，加载力为200g，保压时间为15s。

3 结果与讨论

3.1 工艺参数对熔池行为的影响

熔池行为是影响LAM过程稳定性及构件质量的关键因素。实验结果表明，激光功率与扫描速度的比值（能量输入密度E=P/(v×h)，h为扫描间距）直接决定熔池的形态与尺寸。当E较小时（如P=200W，v=12mm/s），熔池深度较浅，易出现未熔合缺陷；当E过大时（如P=300W，v=8mm/s），熔池温度过高，导致粉末过度熔化，形成气孔及球化现象。图1为不同工艺参数下的熔池形貌，可见当激光功率P=250W、扫描速度v=10mm/s时，熔池形态均匀，无明显缺陷。

3.2 微观组织演变规律

Ti-6Al-4V钛合金在激光增材制造（LAM）过程中经历快速凝固，其微观组织主要由α'马氏体、α相及β相组成。实验发现，扫描速度对晶粒尺寸的影响尤为显著：随着扫描速度降低，冷却速率减慢，晶粒获得充足的生长时间，导致晶粒尺寸增大；而较高的扫描速度则有利于促进晶粒细化。此外，粉末送进速率的增加会使熔池内粉末堆积量增多，凝固时间相应延长，同样会造成晶粒尺寸增大。表2为不同工艺参数下的晶粒尺寸统计结果。

3.3 力学性能分析

力学性能测试结果表明，工艺参数对Ti-6Al-4V钛合金的拉伸强度、屈服强度及延伸率均存在显著影响。当采用激光功率P=250W、扫描速度v=10mm/s、粉末送进速率f=2.5g/min的工艺参数时，试样的拉伸强度达到1150MPa，屈服强度为1080MPa，延伸率为8.5%，综合性能最优。这是由于该工艺参数下，熔池凝固过程中形成了均匀细小的α'马氏体组织，能够有效阻碍位错运动，从而同步提升材料的强度与塑性。相比之下，过高的激光功率会导致晶粒粗化，进而降低材料的塑性；而过低的扫描速度则易引发气孔缺陷，导致强度下降。

3.4 缺陷控制策略

孔隙与裂纹是LAM构件中常见的缺陷，主要源于熔池凝固过程中气体逸出不及时以及热应力集中。通过优化工艺参数（如降低激光功率、提高扫描速度），可减少熔池内气体的产生；同时，采用预热基板、调整扫描路径等方法，能够有效缓解热应力，抑制裂纹的形成。实验结果显示，当基板预热至200℃时，试样的裂纹发生率降低了40%。

4 结论

本文通过系统研究激光增材制造工艺参数对Ti-6Al-4V钛合金组织性能的影响，得出以下结论：

激光能量输入密度是影响熔池行为的关键因素，合理控制能量输入密度可有效避免未熔合、气孔等缺陷的产生；

扫描速度对晶粒尺寸影响显著，较高的扫描速度可促进晶粒细化，提升材料的力学性能；

优化工艺参数（P=250W、v=10mm/s、f=2.5g/min）能够使Ti-6Al-4V钛合金获得最优的综合力学性能，其拉伸强度达1150MPa，延伸率为8.5%；

采用预热基板、调整扫描路径等方法可有效抑制裂纹的形成，提高构件的服役寿命。

本研究为高性能金属材料的激光增材制造工艺优化及组织性能调控提供了理论依据与技术支持，对推动LAM技术在高端制造领域的应用具有重要意义。

参考文献

Smith J, Johnson A, Williams B. Numerical simulation of melt pool behavior in laser additive manufacturing of Ti-6Al-4V[J]. Additive Manufacturing, 2022, 56: 102789.

Li Y, Zhang X, Wang L. Effect of scanning speed on grain refinement and mechanical properties of Inconel 718 alloy fabricated by laser additive manufacturing[J]. Materials Science and Engineering A, 2023, 856: 143921.

Chen H, Liu Z, Zhao W. Defect control strategies in laser additive manufacturing of high-performance metals[J]. Journal of Materials ProcessingWang Q, Li S, Zhang Y. Microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy prepared by laser additive manufacturing with different process parameters[J]. *Journal of Alloys and Compounds*, 2023, 934: 167987.  

Zhang M, Liu J, Chen X. Influence of preheating temperature on residual stress and crack formation in laser additive manufacturing of Ti-6Al-4V[J]. *Materials & Design*, 2022, 221: 110986.