钛合金拥有密度低、、比强度高、、耐蚀性和生物相容性好等利益，已经宽泛利用于航空航天、、生物医疗、、海洋 工程等领域。TA15钛合金是一种高铝当量的近α型钛合金，名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V(质量分数)， 拥有强度中等、、热不变性和焊接性优良，长功夫(3000h)工作温度可达500℃，瞬时可达800℃，重要用于制 造长功夫工作在500℃以下的飞机发起机零件和焊接承力零部件[1-5]。随着轻量化设计及对成本节制的需要 ，航空飞机和发起机构件的结构和状态设计越来越复杂，传统加工方式很难制备，激光选区溶解 (selectivelasermelting,SLM)技术，是一种粉末床溶解增材制作工艺，与传统制作步骤相比，能够实现复 杂状态和多孔结构的一体化成形[6-8]。

目前，已有钻研人员对SLM成形钛合金机能及成形过程中缺点做了有关钻研。POUDEL等[9]利用高分辨率X射 线推算机断层成像技术，分析了SLM成形合金内缺点的状态特点及其统计散布，提出了一种结合多个状态参 数的缺点分类步骤。

JIANG等[10]通过对SLM成形TA15钛合金退火前后的钻研和分析，对比了SLM成形和铸造铸造之间的区别，表 明无论是铸态还是退火态的还是SLM成形的TA15试样都阐发出显著的弱织构和不显著的理力学各向异性。WU 等[11]通过SLM技术制备了拥有超细晶：痛罅磕擅茁暇Ы峁沟腡A15钛合金，与传统工艺制备的TA15和其他 近α型钛合金相比，室温及高温拉伸机能得到了大幅提升。JIANG等[12]钻研了工艺参数和扫描战术对SLM成 形TA15钛合金零件理论的影响，发现过高的能量密度导致熔池显著下沉，而过低的能量密度容易导致下理论 区域中的粉末溶解不充分，随着能量密度降低，SLM成形件下理论质量出现先提高后降低的趋向。HUANG等 [13]选取SLM技术制备了TA15钛合金，分析了成形TA15钛合金分歧构建方向显微组织和机能，在热处置后针 状马氏体转变为α相，并且α相宽度显著增长，有利于提高样品伸长率，但导致强度降低。

本文通过利用SLM成形技术制备TA15钛合金，系统会商了激光功率和扫描速度对SLM成形TA15钛合金内部缺点 类型、、散布和成形质量的影响法规，钻研了分歧缺点类型对成形件力学机能的影响，分析了分歧缺点类型的 形成原因，对SLM成形TA15这一特定钛合金合金全面力学机能的评价拥有重要意思，可为SLM成形复杂结构和 状态TA15钛合金构件的工程化利用提供数据参考和理论支持。

1、、尝试

本文所用的TA15钛合金粉末化学成分见表1。

粉末描摹如图1(a)所示，拥有优良的球形度，粉末粒度散布如图1(b)所示，粉末粒度呈正态散布，其中D10 、、D50、、D90别离为21.98μm、、38.55μm和54.65μm。

使用型号为S210的SLM成形设备制备分歧工艺参数的TA15钛合金试样。使用型号为S210的SLM成形设备制备不 同工艺参数的TA15钛合金试样。拔取激光功率领域100~200W，扫描速度领域800~1600mm/s，其中激光功率间 隔为25W，扫描速度距离为200mm/s，共计25组参数组合，能量密度E(J/mm3)可用式(1)[14-15]来暗示：

式中：P是激光功率，W；v是激光扫描速度，mm/s；d是扫描间距，mm；h是铺粉层厚，mm。其中铺粉层厚和 扫描间距别离为0.03mm和0.09mm。

扫描战术如图2(a)所示，陆续层之间以67°的扫描方向旋转进行试样成形，成形试样如图2(b)所示，选取设 计的25组SLM成形工艺参数制备25支直径10mm、、高15mm的圆柱体试样。

选取线切割将成形的TA15钛合金试样按图2(b)所示XOY方向从基板上取下，依照如图2(c)所示对成型试样进 行金相试样切割，将切割下来的试样利用镶样机镶嵌后，顺次使用150#、、800#、、2000#、、3000#的碳化硅水磨 砂纸将样品切割平面进行机械研磨，之后对研磨后的样品选取二氧化硅抛光液进行抛光，而后水抛，最后对 试样进行超声波洗濯，去除残留的抛光液颗粒。之后在3%HF+7%HNO3+90%H2O(体积分数)的混合侵蚀液中侵蚀 约10s后使用净水和酒精将试样理论洗濯干净后进行微观组织观察。对分歧成形参数的样品进行缺点分析研 究。

利用型号为Hitachisu-70的场发射扫描电子显微镜(SEM)观察缺点和粉末描摹。选取型号为 ZeissAxiovert200MAT的光学显微镜(OM)进行金相组织观察，而后对横、、纵截面金相图片利用Image- ProPlus6.0进行处置和缺点的所占比例、、数量和尺寸统计。拉伸样品尺寸为M6-d3，利用型号为 MTSExceedModelE45.305的电子全能尝试机按GB/T228.1—2021进行室温拉伸试验，选取机械式引伸计，拉伸 速度0.5mm/min。

2、、尝试了局

2.1缺点散布及特点

图3所示为初步工艺参数SLM成形25组TA15钛合金试样未经侵蚀的横、、纵截面金相图片。图4(a)、、(d)、、(e)所 示为激光功率为100W、、扫描速度1600mm/s的理论及内部缺点描摹，图4(b)、、(c)所示为激光功率为200W、、扫 描速度800mm/s的内部缺点描摹。从图3中能够看出，在激光功率或扫描速度一按时，分歧扫描速度或激光功 率成形TA15钛合金内部缺点出现出2种分歧的描摹，一种为规定球形的孔洞缺点，该缺点重要散布在激光功 率较高、、扫描速度较低的区域(激光功率150W至200W、、扫描速度800mm/s至1000mm/s)，即图3(a)、、(b)左下角 区域，此类型缺点描摹如图4(b)、、(c)所示。别的一种为不规定状态的孔洞缺点，此种缺点重要散布在图3 (a)、、(b)右上角所示的激光功率较低、、扫描速度较高的区域(激光功率100W至125W、、扫描速度1200mm/s至 1600mm/s)，该类型缺点出现陆续或者半陆续条状特点，如图4(a)所示在该缺点内部存在未熔合的合金粉末 ，试样内部缺点描摹如图4(d)、、(e)所示。对缺点直径进行统计，球形缺点最大直径是87.51μm，不规定形 状缺点最大直径是148.94μm。因而，能够看出SLM成形TA15钛合金的横截面与纵截面缺点重要散布区域与成 形工艺参数亲昵有关。

2.2成形试样质量

凭据图3(a)横截面的金相照片，对其缺点所占比例进行统计，了局如表2所示。凭据试样横截面缺点所占比 例并以此来推算试样的相对密度，试样相对密度推算方式由式(2)

暗示：

ρ=(1-δ)×100%      (2)

式中：ρ为试样相对密度；δ为SLM成形TA15钛合金横截面的缺点所占比例。图5所示为激光功率和扫描速度 对SLM成形TA15钛合金相对密度的影响，试样相对密度在94.85%到99.998%之间变动。

从图5中能够看到，在选定尝试参数领域内，当扫描速度为800mm/s，激光功率从100W增长到200W时，试样相 对密度随激光功率增长而降低；当扫描速度从1000mm/s增至1200mm/s时，激光功率的变动对相对密度无显著 影响；当扫描速度从1400mm/s增长到1600mm/s时，试样激光功率对相对密度的影响与扫描速度从800mm/s至 1000mm/s时截然相反，试样相对密度随激光功率增长而增长。由于存在两种类型的缺点，而相对密度的变动 趋向与缺点的类型亲昵有关，因而激光功率和扫描速度对密度的影响法规出现出相反的法规。

2.3工艺参数对SLM成形TA15钛合金拉伸机能的影响

凭据表2中缺点所占比例的统计数值，在25组参数组合上持续进行优化，新设计1#和2#成形工艺参数，3#、、 4#及5#工艺参数均由初步25组参数当选出，5组成形工艺参数具体数值如表3所示。依照1#~3#参数成形拉伸 试样进行力学机能测试，寻找最佳的打印参数。以4#、、5#参数成形拉伸试样，进行力学机能测试。与前面 1#~3#样品进行对比，钻研SLM成形TA15钛合金分歧缺点类型对力学机能的影响法规。

图6所示为表3中成形试样1#~5#横截面、、纵截面的显微组织。从图6中能够看出，横截面重要为等轴β晶粒， 纵截面为粗壮的β柱状晶粒，晶粒中央散布着针状马氏体。从横纵截面能够看出，试样1#~3#成形质量较好 ，险些无缺点；而试样4#内部缺点为不规定缺点，缺点内部同化未熔合粉末；试样5#内部缺点为球形缺点。

表3中试样1#~5#的室温拉伸机能如图7所示，由于工艺参数导致的内部缺点对合金的力学机能影响较为显著 ，其中试样4#内部含有不规定状态孔洞缺点，其拉伸强度、、伸长率显著降低，抗拉强度为(924±21.2)MPa， 断后伸长率仅为2.5%；而内含规定球形孔洞缺点的试样5#的拉伸强度未见显著变动，其伸长率却显著降低。 由此可见，SLM成形TA15钛合金内部缺点的类型对拉伸机能影响较为显著，不规定状态的孔洞缺点会大幅度 降低成形合金的力学机能，而规定球形缺点对强度影响较弱，但是对伸长率影响较为显著。由图5和图6可得 ，试样3#的内部缺点含量至少，且如图7所示其力学机能最佳，抗拉强度为(1291±4.2)MPa，伸长率为(8.5 ±0.5)%，此时对应的打印参数激光功率为200W、、激光扫描速度为1600mm/s。

3、、分析与会商

3.1内部缺点形成机理

由图3可知，SLM成形TA15钛合金内部缺点类型重要分两种：一种是呈此刻高激光功率、、低扫描速度区域的规 则球形缺点；另一种是呈此刻低激光功率、、高扫描速度区域的不规定状态缺点。

3.1.1规定球形孔洞缺点

凭据式(1)可知，若激光功率越高、、扫描速度越低，单元体积内合金粉末能够吸收的能量就越高。当激光能 量较高时，低熔点合金元素会产生气化景象，因而在熔池内产生大量拥有规定球形的金属蒸汽气泡。这些气 泡是在熔池底部较深的地位形成，在浮力的作用下，产生的规定球形气泡会向熔池顶部移动，由于熔池冷却 速度高达1×107K/s，高凝固速度导致熔池内气化产生的气泡来不及逃逸(见图8(a))，导致SLM成形TA15钛合 金试样内部形成规定球形的孔洞缺点[16-19]。结合图4(b)、、(c)中合金内部缺点，在这些缺点内部未发现存 在未熔合的钛合金粉末，这也与图8(a)的了局一致。

3.1.2不规定状态孔洞缺点

由式(1)，若激光功率越低、、扫描速度越低，单元体积能量密度较低，会导致激光扫描蹊径内的合金粉末不 能齐全溶解，如图8(b)所示，溶解后的液态金属在凝固过程产生球化景象[16,20-23]，会造成熔池不陆续， 形成如图4(a)中所示在两个不陆续的熔池之间存在未熔合的TA15钛合金粉末的景象，形成状态不规定的孔洞 缺点，内部会残留部门未溶解的合金粉末。持续铺粉进行下一层激光扫描溶解的过程中，不陆续熔池凹陷区 域会被填平，持续打印过程中未熔合的合金粉末被包覆在试样内部，这与图4(d)、、(e)中较低能量密度成形 合金内部的缺点状态相切合。

3.2扫描速度对内部缺点的影响

扫描速度与成形合金内部质量亲昵有关，图9所示别离为激光功率在100W、、125W、、150W、、175W和200W时，扫 描速度与SLM成形TA15钛合金内部缺点数量和所占比例的关系。当激光功率为100W、、125W时(见图9(a)、、(b)) ，随着扫描速度的增长，TA15钛合金试样内部缺点数量和所占比例出现先削减后增长的趋向。激光功率为 100W时，TA15钛合金试样内部缺点数量和所占比例在扫描速度1000mm/s达到最低，由于激光功率较低，成形合金内部的缺点重要是未熔合的不规定缺点，随着扫描速度的增长，缺点的数量和所占比例逐步增长(见图9(a))；激光功率为125W时，TA15钛合金试样内部缺点数量和所占比例在扫描速度1200mm/s降到最低，在该功率下，合金内部的缺点蕴含规定球形、、不规定未熔合的缺点，随着扫描速度的增长，缺点从球形向未熔合缺点过渡，因而缺点的数量和所占比例出现先降低后升高的趋向[16,18-20,24](见图9(b))。

激光功率达到150~200W领域时，较高激光功率下作用在钛合金粉末的能量密度较大，容易引起熔池内金属发 生气化，因而形成的缺点重要为规定球形气孔缺点，随着激光扫描素的增长，能量密度逐步降低，金属气化 景象会减弱，因而形成的规定气孔缺点的尺寸和所占比例降低，成形合金内部的缺点变动法规根基一样(见 图9(c)~(e))。

3.3激光功率对SLM成形TA15钛合金内部缺点的影响

激光功率过高会导致熔池内部合金元素的气化沸腾景象，以至试样内部形成规定球形孔洞缺点[10,17]，是 影响SLM成形TA15钛合金内部质量的关键参数。图10所示为分歧扫描速度下激光功率对SLM成形TA15钛合金试 样内部缺点数量与所占比例的影响法规。当扫描速度为800mm/s时(见图10(a))，凭据图3了局，该扫描速度 下成形合金内部的缺点均为规定球形缺点，随着激光功率的增长，熔池内部金属的气化景象愈加显著，因而 内部缺点数量和所占比例呈上升趋向。扫描速度增至1000mm/s时(见图10(b))，扫描速度的增长导致单个熔 池激光作用功夫削减，当激光功率为100W~200W时，试样内部中的缺点数量与缺点所占比例变动趋向平缓。 当扫描速度为1200~1600mm/s时(见图10(c)~(e))，成形合金内部的缺点重要为不规定未熔合缺点，随着激光 功率的增长，合金粉末的熔合率逐步增长，因而，合金内部缺点截面所占比例和数量出现降低趋向[16,18- 20,25]。

3.4断口分析

对试样1#~5#的拉伸机能进行了检测，试样1#、、2#、、3#和5#的抗拉强度均在1250~1300MPa之间，试样4#的抗 拉强度为(924±21)MPa。为了更好地分析这5组参数试样的拉伸机能，对试样断口进行了扫描，断口描摹如 图11所示，图11(a)~(c)所示合金断口理论布满大量等轴韧窝，韧性断裂特点较为显著。从图11(d)能够看出 内部存在大量未熔合粉末，未见显著韧窝，由于未熔合孔洞的存在导致合金产生了脆性断裂，合金的强度和 塑性显著降低。而图11(e)断口可见球形缺点的描摹，存在肯定的韧窝结构，球形缺点的存在也导致合金的 塑性显著降低，而合金强度根基不受影响。从试验了局能够看出，规定球形缺点对强度影响较弱，但是会降 低合金的塑性；而不规定未熔合的缺点会显著降低合金的强度和塑性？吹角蛐稳钡憧锥丛诶於狭押笮纬 近似同心圆的波纹。通过对图3缺点直径的统计了局可知球形缺点最大直径为87.51μm，通过拉伸测试了局 和断口描摹的分析，批注SLM成形TA15钛合金试样内部规定的球形孔洞缺点对试样抗拉强度影响不大，但是 会降低试样的塑性，这与文件[26]中预埋球形缺点直径小于0.7mm时阐发一致。而试样4#由于内部充溢着不 规定状态的孔洞缺点而拉伸机能大幅度降低，揣摩可能是由于在试样内部不规定缺点边缘锐角应力集中导致 拉伸强度的降低，并且不规定状态缺点直径最大为148.94μm，而相较于小尺寸的缺点，更大尺寸的缺点更 容易导致试样失效[27]。因而，上述两种成分以至不规定状态缺点的试样强度与断后伸长率都显著降低。

4、、结论

1)激光功率和扫描速度对SLM成形TA15钛合金内部缺点影响较为显著，成形合金内部的缺点重要有两种状态 ，一种为规定球形的孔洞缺点，该缺点重要散布在激光功率较高、、扫描速度较低的区域；别的一种为不规定 状态的孔洞缺点，重要散布在激光功率较低、、扫描速度较高的区域。

2)SLM成形TA15钛合金的最佳工艺参数：激光功率为200W、、激光扫描速度为1600mm/s时，成形合金拉伸强度 为(1291±4.2)MPa，断裂伸长率为(8.5±0.5)%。

3)激光功率和扫描速度即输入的能量密度对SLM成形TA15钛合金试样内部缺点形成机制有直接关系，缺点的 数量与所占比例变动趋向根基一致，通过对工艺参数的优化能够限度成形试样内部缺点数量和所占比例，使 成形试样相对密度最高达到99.998%以上。

4)规定球形缺点、、不规定未熔合缺点会影响SLM成行合金的力学机能，其中规定球形缺点的存在会导致合金 塑性显著降低、、对强度影响较弱；而不规定未熔合缺点的存在会显著降低合金强度和伸长率。

REFERENCES

[1]LU T, DAN Z H, LI T J, et al. Flow softening and microstructural evolution of near β titanium alloy Ti-35421 during hot compression deformation in the α + β region[J].Journal of Materials Research and Technology, 2022, 19:2257-2274.

[2]TSHEPHE T S, AKINWAMIDE S O, OLEVSKY E, et al.Additive manufacturing of titanium-based alloys—A review of methods, properties, challenges, and prospects[J].Heliyon, 2022, 8(3): e09041.

[3]ZHAO H J, WANG B Y, LIU G, et al. Effect of vacuum annealing on microstructure and mechanical properties of TA15 titanium alloy sheets[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2015, 25(6): 1881-1888.

[4]李述军, 侯文韬, 郝玉琳, 等. 3D打印医用钛合金多孔资料力学机能钻研进展[J]. 金属学报, 2023, 59(4): 478-488.

LI S J, HOU W T, HAO Y L, et al. Research progress on the mechanical properties of the biomedical titanium alloy porous structures fabricated by 3D printing technique[J].Acta Metallurgica Sinica, 2023, 59(4): 478-488.

[5]LI L L, PAN X, LIU B, et al. Strength and toughness of hot-rolled TA15 aviation titanium alloy after heat treatment[J].Aerospace, 2023, 10(5): 436.

[6]任德春, 张慧博, 赵晓东, 等 . 打印参数对电子束增材制作 Ti-Ni 合 金 性 能 的 影 响 [J]. 金 属 学 报 , 2020, 56(8):1103-1112.

REN D C, ZHANG H B, ZHAO X D, et al. Influence of manufacturing parameters on the properties of electron beam melted Ti-Ni alloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2020, 56(8):1103 -1112.

[7]金和喜, 魏克湘, 李建明, 等. 航空用钛合金钻研进展[J]. 中国有色金属学报, 2015, 25(2): 280-292.

JING H X, WEI K X, LI J M, et al. Research development of titanium alloy in aerospace industry[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25(2): 280-292.

[8]REN D C, LI S J, WANG H, et al.Fatigue behavior of Ti-6Al-4V cellular structures fabricated by additive manufacturing technique[J]. Journal of Materials Science & Technology,2019, 35(2): 285-294.

[9]POUDEL A, YASIN M S, YE J, et al. Feature-based volumetric defect classification in metal additive manufacturing[J]. Nature Communication, 2022, 13(1): 6369.

[10] JIANG J J, REN Z H, MA Z B, et al. Mechanical properties and microstructural evolution of TA15 Ti alloy processed by selective laser melting before and after annealing [J].Materials Science and Engineering A, 2020, 772: 138742.

[11] WU X, CAI C, YANG L, et al. Enhanced mechanical properties of Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V with ultrafine crystallites and nano-scale twins fabricated by selective laser melting[J].Materials Science and Engineering A, 2018, 738: 10-14.

[12] JIANG J J, CHEN J M, REN Z H, et al. The influence of process parameters and scanning strategy on lower surface quality of TA15 parts fabricated by selective laser melting [J].Metals, 2020, 10(9): 1228.

[13] HUANG S, SUN B B, GUO S Q. Microstructure and property evaluation of TA15 titanium alloy fabricated by selective laser melting after heat treatment[J]. Optics &Laser Technology, 2021, 144: 107422.

[14] XU Z F, ZHANG J, ZHENG H Z, et al. Morphology and mechanical properties of PS/Al2O3 nanocomposites based on selective laser sintering[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2005, 21(6): 866-870.

[15] SIMCHI A. Direct laser sintering of metal powders: Mechanism, kinetics and microstructural features[J]. Materials Science and Engineering A, 2006, 428(1/2):148-158.

[16] 赵春玲, 李 维, 王 强, 等 . 激光选区溶解成形钛合金内部缺点及其演化法规钻研[J]. 罕见金 属资料与工程, 2021,50(8): 2841-2849.

ZHAO C L, LI W, WANG Q, et al. Investigation on relationship between defects and paramaters for titanium alloy fabricated by selective laser melting[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2021, 50(8): 2841-2849.

[17] KASPEROVICH G, HAUBRICH J, GUSSONE J, et al.Correlation between porosity and processing parameters in TiAl6V4 produced by selective laser melting[J]. Materials & Design, 2016, 105: 160-170.

[18] QIU C, PANWISAWAS C, WARD M, et al. On the role of melt flow into the surface structure and porosity development during selective laser melting[J]. Acta Materialia, 2015, 96: 72-79.

[19] LE K Q, WONG C H, CHUA K H G, et al. Discontinuity of overhanging melt track in selective laser melting process[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2020, 162:120284.

[20] WU W H, YANG Y Q, HUANG Y L. Direct manufacturing of Cu-based alloy parts by selective laser melting[J]. Chinese Optics Letters, 2007, 5(1): 37-40.

[21] TOLOCHKO N K, MOZZHAROV S E, YADROITSEV I A,et al. Balling processes during selective laser treatment of powders[J]. Rapid Prototyping Journal, 2004, 10(2): 78-87.

[22] LINDSTR?M V, LUPO G, YANG J, et al. A simple scaling model for balling defect formation during laser powder bed fusion[J]. Additive Manufacturing, 2023, 63: 103431.

[23] KRUTH J P, FROYEN L, VAN VAERENBERGH J, et al.Selective laser melting of iron-based powder[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 14(1/2/3): 616-622.

[24] ATTAR H, CALIN M, ZHANG L C, et al. Manufacture by selective laser melting and mechanical behavior of commercially pure titanium[J]. Materials Science and Engineering A, 2014, 593: 170-177.

[25] DEBROY T, WEI H L, ZUBACK J S, et al. Additive manufacturing of metallic components— Process, structure and properties[J]. Progress in Materials Science, 2018, 92:112-224.

[26] 王继航, 蔡雨升, 姜沐池, 等 . 人为植入缺点对增材制作TC4 钛合金机能影响法规[J]. 有色金 属科学与工程, 2023,14(5): 1-10.

WANG J H, CAI Y S, JIANG M C, et al. The influence of artificial implant defects on the Properties of TC4 titanium alloy fabricated by additive manufacturing[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2023, 14(5): 1-10.

[27] SANAEI N, FATEMI A. Defects in additive manufactured metals and their effect on fatigue performance: A state-of-the-art review[J]. Progress in Materials Science, 2021, 117:100724.1-100724.41.