钛合金与其他金属相较量具有密度低、比强度高、耐蚀性和生物相容性好等优点[1-2]，，，，，，然而钛合金的熔点高、元素活性大、变形抗力大等特征又导致钛合金零件具有加工难题、本钱高昂等弱点[3-7]。。。。。。。。增材制造手艺又称 3D 打印，，，，，，该手艺是以高能激光或电子束等作为能量源，，，，，，以金属粉末或丝材作为原质料，，，，，，通过对金属逐点扫描熔化、逐行扫描搭接和逐层扫描群集，，，，，，可以实现重大结构和形状零部件的直接成形，，，，，，解决钛合金加工难题的问题[8-12]。。。。。。。。其中，，，，，，激光选区熔化（Selective Laser Melting, SLM）手艺被以为是金属增材制造领域最具生长潜力和应用远景的加工手艺之一[13]。。。。。。。。

SLM 制造历程中激光快速移动会导致输入能量爆发波动，，，，，，同时所使用金属粉末内部可能保存有制备预合金粉末历程残留的气体，，，，，，因此会导致制备的零部件内部不可阻止泛起差别类型、形状和尺寸的加工缺陷[14]，，，，，，这些缺陷在一定水平上对成形件综合性能是有害的。。。。。。。。

近年来，，，，，，增材制造成形工艺参数对成形合金内部缺陷类型、尺寸和数目影响及其进一步对成形件力学性能等的影响已有研究报道。。。。。。。。相关研究效果批注，，，，，，增材制造成形件内部的缺陷主要为气孔和未熔合孔洞缺陷（Lack of Fusion，，，，，，LOF）[15]，，，，，，其中，，，，，，LOF 缺陷尺寸比气孔大，，，，，，且形态不规则，，，，，，其尖锐界线保存的应力集中是导致质料机械性能恶化的主要因素[16-20]。。。。。。。。WILSON 等[21]用增材制造手艺制造含内孔的奥氏体 316L 不锈钢样品，，，，，，并举行拉伸实验，，，，，，缺陷直径在 150~4 800 μm 之间，，，，，，效果显示叼径为 2 400 μm，，，，，，即样品横截面面积的 16% 时，，，，，，内含孔洞最先影响抗拉强度；；；；；叼径为 1 800 μm 或横样品截面面积的 9% 时，，，，，，延伸和失效受到显著影响。。。。。。。。FADIDA 等[22]在 SLM 成形的 TC4 动态拉伸样 品的中心嵌入了单个球形孔，，，，，，通过与致密样品相较量后发明，，，，，，当孔洞直径凌驾 600 μm 时，，，，，，缺陷的保存显著降低了合金的塑性，，，，，，断裂完全爆发在孔洞缺陷处。。。。。。。。

本文通过 SLM 手艺制备内含差别尺寸和位置的 TC4 钛合金样品，，，，，，研究了人工植入缺陷尺寸和位置对成形件力学性能的影响纪律，，，，，，为探讨缺陷对增材制造成形件性能的影响提供数据支持和理论指导。。。。。。。。

1、 实验部分

本文所用 TC4 钛合金粉末的化学因素如表 1 所列，，，，，，对应的粉末形貌如图 1 所示，，，，，，可见粉末具有优异的球形度，，，，，，卫星球较少。。。。。。。。TC4 钛合金粉末的粒度漫衍如图2所示，，，，，，粒度漫衍规模主要为15~53 μm，，，，，，D10、D50 和 D90 划分为 17.77、31.19、49.92 μm。。。。。。。。接纳型号为 Concept Laser M2 的 SLM 成形装备制备内含人工植入缺陷的 TC4 钛合金样品，，，，，，为了降低成形历程的热应力，，，，，，接纳岛状曝光成形战略，，，，，，成形工艺参数为激光功率 375 W，，，，，，扫描速率 1 500 mm/s，，，，，，层厚 0.05 mm和扫描间距0.095 mm。。。。。。。。

为了研究孔洞缺陷尺寸和位置对拉伸性能的影响，，，，，，预埋 10 种球形孔洞缺陷的直径划分为 0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3、1.5、1.7、2.0 mm，，，，，，球形缺陷的位置划分在样品的中心和边沿（1/2 半径处）部位，，，，，，其中边沿部位缺陷的最大直径为 1.5 mm。。。。。。。。成形样品在真空热处置惩罚炉内举行统一的去应力退火，，，，，，详细的热处置惩罚温度为800 ℃、保温2 h后炉冷。。。。。。。。

划分用 150、800、1000、2000 号砂纸对 SLM 成形TC4 钛合金样品举行机械研磨，，，，，，使用 SiO2 悬浮抛光液举行抛光，，，，，， 接纳 Kroll 试剂（V（HF）∶V（HNO3）∶V（H2O）=2∶1∶17）进 行 腐 蚀 。。。。。。。。 利 用 型 号 为 ZEISSAXIOVERT 200 MAT 的金相显微镜（OM）视察样品金相显微组织。。。。。。。。接纳型号为 TESCAN MIRA 的扫描电子显微镜（SEM）举行粉末形貌、显微组织和拉伸断口形貌的视察。。。。。。。。

使用型号为 Y.CT modular的 Micro-CT测试装备视察和统计 SLM 成形合金内部缺陷尺寸与位置，，，，，，检测参数为电压 140 kV，，，，，，电流 0.16 mA，，，，，，积分时间700 ms，，，，，，焦 距 1 000 mm，，，，，，几 何 放 大 率 5.55。。。。。。。。 利 用Volume Graphics 3.0 软件对 Micro-CT 测试试样的三维形貌举行重构。。。。。。。。

使用型号为Instron 5982的电子万能试验机，，，，，，凭证《GB/T 228.1—2010 金属质料拉伸试验第1部分：室温试验要领》的标准举行室温拉伸试验，，，，，，在试验机上举行拉伸性能测试，，，，，，拉伸试样的尺寸为标准M6-?3。。。。。。。。

2、 效果与讨论

2.1 显微组织

SLM 成形历程中高能激光束会快速扫描 TC4钛合金粉末，，，，，，如图 3所示。。。。。。。。所使用的粉末粒径主要漫衍在 15~53 μm，，，，，，平均粒径较细的粉末 SLM 成形时易爆发微裂纹，，，，，，而平均粒径较粗的粉末 SLM 成形时易爆发较大的逍遥[23]，，，，，，15~53 μm 的粉末成形的 TC4 样品具有优异的组织以及性能。。。。。。。。TC4 钛合金粉末被迅速加热到熔点之上，，，，，，由于熔池尺寸较小，，，，，，熔化液体周围被低温粉末和已经凝固的成形合金困绕，，，，，，当激光束扫描后，，，，，，熔化的合金粉末会再次凝固，，，，，，冷却速率可达104~107 K/s，，，，，，成形 TC4 钛合金内显微组织为针状 α′相以及一定爆发大宗不匀称的热应力，，，，，，在合金试样后续加工历程中会造成开裂等征象，，，，，，因此，，，，，，为了消除样品成形历程中爆发的剩余应力，，，，，，需要对试样举行800 ℃保温2 h后炉冷退火热处置惩罚[24]。。。。。。。。图3（a）和图3（b）为热处置惩罚后试样低倍金相显微组织。。。。。。。。图 3（a）为横截面，，，，，，可以看到 SLM扫描历程中的逐行扫描搭接的岛状曝光成形战略形貌[25]。。。。。。。。图 3（b）为纵截面，，，，，，可以看到沿成形打印偏向的柱状晶，，，，，，这些柱状晶形貌主要是合金成形历程中热量沿纵向打印偏向转达造成的[14, 17-18]。。。。。。。。

图 3（c）和图 3（d）为 SLM 制备的 TC4 钛合金热处置惩罚后横纵向的 SEM 显微组织，，，，，，可以看出合金中主要由板条 α 相组成，，，，，，板条 α 相之间保存少量的 β 相，，，，，，这说明快速凝固爆发的 α′相在热处置惩罚历程剖析成为 α 片层、β相[26-27]。。。。。。。。

2.2 内部缺陷

有多种方法可以对增材制造成形试样质量举行检测，，，，，，其中阿基米德排水法可以举行群集密度丈量，，，，，，进而量化SLM成形试样的孔隙率[28-29]，，，，，，但无法检测到内部缺陷的形状、尺寸与位置，，，，，，而 X射线 Micro-CT（3D）法可以检测成形合金内部缺陷形貌和统计孔隙率而不必损坏试样。。。。。。。。Micro-CT 测试中，，，，，，增材制造样品经由360°的旋转，，，，，，X射线穿透样品，，，，，，并用扑面的探测器吸收通过样品后的能量，，，，，，衰减的X射线被检测器捕获，，，，，，并使用数学算法将二维数据快速转换为整个样本或部分区域的三维重修[30]，，，，，，以提供对增材制造样品内部含有缺陷情形的评估。。。。。。。。使用 X射线 Micro-CT手艺检测内含人工植入缺陷增材制造TC4钛合金的最大利益是，，，，，，可以准确地表征力学测试试样拉伸前后孔隙的三维形态、尺寸以及孔隙的空间漫衍。。。。。。。。

使用 Micro-CT 检测手艺对 SLM 制备 TC4 钛合金中预埋缺陷的尺寸和形貌举行了检测剖析，，，，，，图 4是缺陷的现实丈量尺寸与设计尺寸之间的比照图。。。。。。。。从图 4 中可以发明成形合金中缺陷现实尺寸低于设计尺寸，，，，，，同时无论是缺陷位于成形合金样品的中心位置照旧边沿，，，，，，该征象不会爆发改变。。。。。。。。这是由于 SLM成形历程合金粉末在缺陷位置因不会被高能激光束 扫描到而爆发缩短，，，，，，同时孔洞内粉末会被包裹和残留在预制缺陷内，，，，，，在后续的打印历程中不可倾轧，，，，，，热处置惩罚后在孔洞缺陷外貌烧结，，，，，，使得测试尺寸小于原始设计的尺寸[25]。。。。。。。。

图 5（a）和图 5（b）为内含缺陷在中心位置尺寸为0.5 mm 的试样拉伸实验测试前后的 CT检测图像，，，，，，从图中可以发明，，，，，，拉伸试样未从预埋缺陷处断裂，，，，，，预埋缺陷在拉伸前后均可被清晰地视察到。。。。。。。。从图 5 所示的拉伸前后 0.5 mm 缺陷部位的放大图中发明，，，，，，除了内置的人工缺陷，，，，，，还保存少量的自然缺陷，，，，，，这些微米级缺陷的保存是增材制造历程中不可阻止的。。。。。。。。

从图 5 中 Micro-CT 的测试效果中还可以获得 SLM制备 TC4 钛合金的密度抵达 99% 以上，，，，，，样品内非人工植入的自然缺陷形成的孔隙率不到 1%，，，，，，对拉伸性能没有影响[16]，，，，，，同时这类自然缺陷可以通过合适的后处置惩罚（如热等静压）举行消除，，，，，，以进一步提升增材制造样品的综协力学性能。。。。。。。。同时，，，，，，拉伸后的试样在断口周围的小尺寸缺陷显著增多，，，，，，这是由于拉伸历程中由于合金爆发损伤导致的缺陷。。。。。。。。拉伸测试后，，，，，，预埋的缺陷在拉应力的作用下也爆发了显着长大。。。。。。。。图 5（c）和图 5（d）为内含缺陷为 0.7 mm 的试样拉伸实验测试前后的 CT 检测图像，，，，，，当缺陷抵达 0.7 mm 时，，，，，，试样从孔洞处截面断裂，，，，，，由于缺陷位于断口处追随整个断裂面破碎，，，，，，因此不再能视察到显着的缺陷保存。。。。。。。。

当内含缺陷尺寸大于 0.7 mm 后，，，，，，由于样品都在人工植入缺陷截面处断裂，，，，，，因此室温拉伸断裂前后 CT 测试效果与0.7 mm时相类似。。。。。。。。

2.3 力学性能

图 6 为 SLM 制备内含差别尺寸、差别位置人工缺陷的TC4钛合金室温拉伸性能转变纪律图。。。。。。。。从图6中可以发明，，，，，，预埋缺陷的尺寸和位置均会对样品的力学性能爆发影响。。。。。。。。在缺陷尺寸方面，，，，，，无论是缺陷位于心部照旧边部均如图 6（a）所示，，，，，，当预埋缺陷的直径小于 0.7 mm时，，，，，，拉伸强度基本坚持稳固；；；；；当预埋缺陷的尺寸大于 0.7 mm 时，，，，，，拉伸强度随着缺陷尺寸的增大而显著降低。。。。。。。。在缺陷位置方面，，，，，，在相同缺陷尺寸时对强度的影响也如图 6（a）所示，，，，，，当缺陷尺寸小于 0.7 mm 时，，，，，，中心缺陷试样与边沿缺陷试样的抗拉强度相差不大，，，，，，边沿缺陷的试样抗拉强度略高；；；；；当缺陷尺寸大于0.7 mm，，，，，，强度均下降，，，，，，其中缺陷位于边部试样的强度降低量较大，，，，，，这与图5中当缺陷尺寸为0.7 mm后试样在缺陷截面处断裂的效果相切合。。。。。。。。关于缺陷位于中心的样品，，，，，，当缺陷直径为 0.7 mm时，，，，，，合金的抗拉强度 1 030 MPa；；；；；当缺陷增大到 1.5 mm 时，，，，，，其抗拉强度为 871 MPa，，，，，， 强度降低 159 MPa。。。。。。。。关于缺陷位于边部的样品，，，，，， 缺陷直径为 0.7 mm 时抗拉强度为1 026 MPa；；；；；当缺陷直径增添到1.5 mm时，，，，，，抗拉强度降至 773 MPa，，，，，，强度降低 253 MPa。。。。。。。。这说明关于增材制造内含缺陷的TC4钛合金而言，，，，，，靠近试样外外貌的缺陷对合金力学性能的影响大于位于试样心部的缺陷。。。。。。。。

图 6（b）为缺陷对成形合金延伸率的影响纪律。。。。。。。。

人工植入缺陷对增材制造 TC4 钛合金塑性影响较为显著，，，，，，室温拉伸时延伸率转变的幅度大于拉伸强度。。。。。。。。

随缺陷尺寸增添，，，，，，延伸率的转变可以分为 3 个区域。。。。。。。。缺陷直径在 0.1~0.5 mm 规模内，，，，，，合金的延伸率泛起一定的降低趋势；；；；；缺陷位于心部时，，，，，，延伸率在 14%~16% 规模内波动，，，，，，此时缺陷位于边部时，，，，，，延伸率在12%~16% 规模内波动，，，，，，此时缺陷位置对塑性的影响并不大。。。。。。。。当缺陷尺寸在 0.7~0.9 mm 规模内时，，，，，，无论缺陷是在心部照旧边部，，，，，，随缺陷增大，，，，，，合金的延伸率急剧降低到 2%~4%，，，，，，只管当缺陷尺寸为 0.7 mm时，，，，，，拉伸强度转变不大，，，，，，可是合金断裂面位置爆发了转变，，，，，，塑性大幅度降低。。。。。。。。当缺陷尺寸凌驾0.9 mm后，，，，，，合金的 延伸率仅在 2%~4% 规模内波动。。。。。。。。效果批注，，，，，，内含缺陷的增材制造 TC4 钛合金室温拉伸塑性对缺陷尺寸的敏感性大于室温拉伸强度。。。。。。。。

2.4 拉伸断口

图 7 为内含差别尺寸缺陷试样的室温拉伸断口宏观形貌。。。。。。。。其中，，，，，，图 7（a）为不含缺陷试样的断口，，，，，，图 7（b）—图 7（d）为预埋缺陷尺寸小于 0.7 mm的拉伸试样断口形貌，，，，，，当成形合金中的缺陷直径小于0.7 mm时，，，，，，在合金断口区域均未发明人工植入缺陷，，，，，，试样均未在缺陷区域爆发断裂，，，，，，与图5中CT扫描效果和图6中合金拉伸强度转变纪律一致，，，，，，批注缺陷尺寸小于0.7 mm时，，，，，，对增材制造TC4钛合金拉伸强度影响较小。。。。。。。。

同时，，，，，，试样拉伸断口宏观形貌为大宗不规则突起山峰，，，，，，有富厚的韧窝，，，，，，中心为纤维区，，，，，，周围为剪切唇，，，，，，这与通例方法制备TC4钛合金的拉伸断口特征一致[22, 25, 31]。。。。。。。。

当预埋缺陷的尺寸为 0.7 mm 时，，，，，，成形合金拉伸断口的形貌如图 7（e）所示，，，，，，合金拉伸断裂的截面位置泛起在人工植入缺陷处，，，，，，合金断裂模式面最先爆发转变，，，，，，在缺陷处爆发断裂。。。。。。。。

当预埋缺陷的尺寸大于 0.7 mm 时，，，，，，成形合金拉伸断口的形貌如图7（f）—图7（h）所示，，，，，，与图5中效果相同。。。。。。。。增材制造内含缺陷 TC4 钛合金拉伸样品均从内置缺陷区域爆发断裂，，，，，，在断口区视察内置缺陷放大图如图 7（i）所示，，，，，，预埋缺陷内外貌群集着一层球形粉末，，，，，，这也是内置缺陷现实尺寸较设计尺寸降低的缘故原由[25]（图 4）。。。。。。。。断面其余部位较为平展，，，，，，外貌为较小的韧窝，，，，，，从缺陷区域断裂的合金未爆发显着的颈缩征象，，，，，，因此较大缺陷导致了合金延伸率显著降低。。。。。。。。

图8为在差别位置断裂的试样的宏观断口图与微观组织图比照，，，，，，其中图8（a）、图 8（b）为缺陷尺寸0.3 mm时未在缺陷处断裂的试件，，，，，，图 8（c）、图 8（d）为缺陷尺寸 0.9 mm 时，，，，，，在缺陷处断裂的试件。。。。。。。。通过两者相比对可以显着发明，，，，，，未在缺陷处断裂的试件韧窝尺寸更大、更显着，，，，，，在缺陷处断裂的试件高倍组织越发平滑，，，，，，断裂在缺陷处最先并快速伸张至整个断口的外貌，，，，，，合金趋近于脆性断裂。。。。。。。。

3、 结论

1）接纳激光选区熔化成形手艺制备了内含差别尺寸和位置缺陷的 TC4 钛合金试样，，，，，，经 CT 检测与断口剖析，，，，，，缺陷内含残留粉末热处置惩罚后在孔洞缺陷外貌烧结，，，，，，是导致现实缺陷较设计缺陷略小的缘故原由。。。。。。。。

2）当预埋球形缺陷直径小于 0.7 mm 时，，，，，，合金抗拉强度基本坚持稳固；；；；；当缺陷直径凌驾 0.7 mm后，，，，，，合金强度泛起降低趋势，，，，，，缺陷位于边沿部位时，，，，，，性能降低量较大。。。。。。。。

3）缺陷对成形合金延伸率的影响较为显著，，，，，，缺陷尺寸在 0.1~0.5 mm 规模内，，，，，，延伸率略有降低；；；；；缺陷尺寸在 0.7~0.9 mm 规模内，，，，，，延伸率急剧降低；；；；；缺陷尺寸凌驾0.9 mm后，，，，，，延伸率在2%~4%规模内波动。。。。。。。。

4）当缺陷尺寸凌驾 0.7 mm 后，，，，，，合金断口发明了内置缺陷，，，，，，合金均在缺陷处爆发断裂。。。。。。。。此时，，，，，，相关于缺陷位置，，，，，，缺陷尺寸是影响合金强度和塑性的主导因素。。。。。。。。

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