選區(qū)激光熔化成形質(zhì)量研究

蘭　芳，梁艷娟，黃斌斌

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，廣西 南寧530001）

增材制造（AM），又稱(chēng)3D打印，是以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件與數(shù)控系統(tǒng)將材料按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層疊加，制造出實(shí)體的技術(shù)[1]。選區(qū)激光熔化（selective laser melting，SLM）是一種運(yùn)用分層制造逐層堆積理念的快速成形技術(shù)，利用金屬粉末直接制備出近全致密且性能優(yōu)異的金屬零件[2]。SLM技術(shù)是目前最廣泛應(yīng)用的金屬3D打印技術(shù)，在航空航天、汽車(chē)、模具、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。本文重點(diǎn)討論SLM成形件表面質(zhì)量、尺寸精度的研究狀況，并展望了其發(fā)展趨勢(shì)。

1　選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)原理及特點(diǎn)

選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)是利用高能量的激光束，按照預(yù)訂的掃描路徑，掃描預(yù)先鋪覆好的金屬粉末將其完全熔化，在經(jīng)冷卻凝固成形的一種技術(shù)[3]。其技術(shù)原理如圖1所示。

圖1　選區(qū)激光熔化技術(shù)原理圖

具體成形過(guò)程：①根據(jù)層厚進(jìn)行分層切片處理，并選擇合適的掃描路徑等工藝參數(shù)，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入設(shè)備中；②鋪粉裝置在成形缸的基板鋪上一層薄且均勻的金屬粉末；③激光束按當(dāng)前層的數(shù)據(jù)信息選擇性地掃描熔化基板上的金屬粉末；④當(dāng)前層掃描完成后，成形缸下降，粉料缸上升，鋪粉裝置在成形缸上再鋪上一層粉末，接著激光掃描下一層。如此循環(huán)往復(fù)，直至完成整個(gè)零件的成形。

選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）成形精度較高，可直接制成終端金屬零件，后續(xù)不需或僅需要簡(jiǎn)單的熱處理或表面處理。

（2）可以直接成形幾乎任意形狀的零件，特別是內(nèi)部有復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜零件。

（3）SLM成形件力學(xué)性能優(yōu)于同等材料的鑄造件。

（4）系統(tǒng)柔性高，成形零件與CAD模型直接關(guān)聯(lián)，可隨時(shí)修改，隨時(shí)制造。

（5）材料利用率高，成形時(shí)，金屬粉末被選擇性地融化，未被熔化的粉末能反復(fù)利用，粉末利用率高。

SLM技術(shù)的缺點(diǎn)：成形效率較低；成形尺寸比較?。怀尚纬杀靖?；不同材料成形工藝參數(shù)不同，為獲得金屬材料最優(yōu)成形工藝參數(shù)，需要前期進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，以獲得最優(yōu)工藝窗口。

2　SLM技術(shù)成形質(zhì)量研究現(xiàn)狀

SLM技術(shù)是工藝復(fù)雜的成形技術(shù)，成形質(zhì)量受到諸多因素的影響，對(duì)成型效果具有重要影響的主要有六類(lèi)：材料屬性、激光與光路系統(tǒng)、掃描特征、成型氛圍、成型幾何特征和設(shè)備因素[4]。研究人員主要從這六個(gè)方面開(kāi)展研究。

2.1　SLM成形件表面質(zhì)量研究

由于SLM技術(shù)是層層疊加堆積成形金屬零件的，目前其成形的金屬零件表面質(zhì)量往往不如傳統(tǒng)精加工的表面質(zhì)量。表面球化、飛濺、粉末粘附等都會(huì)影響成形表面質(zhì)量，這些現(xiàn)象主要與成形過(guò)程中的粉末的能量攝入是否合適等有關(guān)，在成形過(guò)程中對(duì)掃描速度、激光功率、掃描策略、輔粉厚度等參數(shù)加以調(diào)控可以抑制甚至消除這些不良現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而改善成形件表面質(zhì)量。

能量密度等參數(shù)對(duì)SLM成形件表面質(zhì)量的影響研究。趙曙明[5]研究了體能量密度對(duì)第一層表面粗糙度Ra的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，單層試驗(yàn)表面粗糙度Ra隨著體能量密度的增大而呈減小趨勢(shì)，當(dāng)能量密度大于60.92 J/mm3時(shí)第一層表面粗糙度Ra保持在4 μm以下，其中線間距對(duì)單層試驗(yàn)表面粗糙度Ra影響最明顯，隨線間距的減小Ra值呈減小趨勢(shì)。閆岸如[6]等用SLM技術(shù)成形IN718鎳基超合金時(shí)，將零件分為心部與輪廓區(qū)，見(jiàn)圖2，兩個(gè)區(qū)域分別用不同的激光線輸入量進(jìn)行掃描，研究其對(duì)表面質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：心部激光線輸入量變化對(duì)表面質(zhì)量影響無(wú)明顯規(guī)律；輪廓激光線輸入量變化對(duì)表面質(zhì)量影響明顯，輪廓激光線輸入量存在最優(yōu)值，低于或超過(guò)該值，表面質(zhì)量都會(huì)降低。

圖2　激光掃描路線

掃描策略對(duì)成形件表面粗糙度有明顯的影響。閆岸如等研究表明：“心部+后輪廓”掃描得到的表面質(zhì)量明顯優(yōu)于“先輪廓+后心部”和“先輪廓+心部+后輪廓”掃描的方式。采用“心部+后輪廓”的掃描方式，輪廓激光線輸入量為100 J/m時(shí)表面質(zhì)量最優(yōu)，粗糙度為3.1 μm[6]。吳根麗等研究表明島形掃描策略下成形懸垂面的表面粗糙度值都比Z形掃描策略的大[7]。Wang D等[8]研究發(fā)現(xiàn)在SLM成形時(shí)，掃描策略和成形方向?qū)Τ尚伪砻娲植诙扔泻艽蟮挠绊?，X軸方向和Y軸方向各不相同。楊永強(qiáng)等[9]研究了SLM成形金屬零件過(guò)程中的粉末粘附現(xiàn)象，分析粉末粘附現(xiàn)象對(duì)成形精度的影響機(jī)理，認(rèn)為合適的掃描策略、薄的鋪粉厚度以及嚴(yán)格控制成形室內(nèi)的含氧量，都可以有效弱化飛濺，減輕飛濺對(duì)成形面的表面粗糙度影響，并采用多重勾邊+內(nèi)縮填充掃描策略，結(jié)合適合的掃描速度進(jìn)行成形，獲得了Rz=26.9 μm的側(cè)壁表面粗糙度。麥?zhǔn)缯涞萚10]以NiCr合金為對(duì)象，采用優(yōu)化的工藝參數(shù)和S型正交層錯(cuò)掃描策略成形縱、橫兩種柱面體模型，研究SLM成形曲面特征的成形表面質(zhì)量。研究表明：曲面特征表面形貌的變化對(duì)表面粗糙度Ra值有較大影響，減少甚至避免懸垂曲面的條蟲(chóng)狀、粒球狀等形貌，有利于降低曲面特征的表面粗糙度。

Strano G等[11]和余偉泳等[12]的研究結(jié)果都表明，隨著傾斜角度的增加，SLM成形件表面粗糙度呈先增大后減小規(guī)律。Strano G等在研究?jī)A斜懸垂面表面質(zhì)量基礎(chǔ)上，建立了SLM成形傾斜懸垂面的表面粗糙度計(jì)算模型。吳根麗等[7]研究指出：傾斜角度是影響懸垂面表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素，傾斜角度越小表面質(zhì)量越差。認(rèn)為傾斜角度較小時(shí)，懸垂面出現(xiàn)嚴(yán)重粉末黏結(jié)是懸垂面的表面粗糙度增大的原因。王迪等[13]認(rèn)為傾斜面的表面粗糙度（Ra）理論上由傾斜角和切片厚度兩個(gè)因素決定，傾斜角越大，鋪粉厚度越小，傾斜面的表面粗糙度越??；成形傾斜零件時(shí)下側(cè)面的表面粗糙度比上側(cè)面差很多；激光表面重熔工藝，能改善表面粗糙度。他們把萬(wàn)向節(jié)免組裝機(jī)構(gòu)放置成45°，采用以上優(yōu)化方法和相應(yīng)優(yōu)化參數(shù)順利成形出了該免組裝機(jī)構(gòu)，其外表面 Ra=8.25 μm，間隙表面 Ra=12.47 μm.

2.2　SLM成形件尺寸精度的研究

尺寸精度是SLM成形質(zhì)量另一個(gè)重要指標(biāo)，研究人員從掃描速度、掃描策略等進(jìn)行了研究。

張曉剛等[14]通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，確定出影響 SLM銅粉成形件尺寸精度因素的主次順序?yàn)椋簰呙栝g距＞掃描速率＞激光功率＞掃描路徑。指出成形件尺寸絕對(duì)誤差隨激光功率的增大而增大，隨掃描速率、掃描間距的增大而減小；不同掃描路徑對(duì)尺寸絕對(duì)誤差的影響差別較??；并得出了體能量密度與尺寸絕對(duì)誤差的線性關(guān)系函數(shù)，認(rèn)為小的體能量密度能獲得的尺寸絕對(duì)誤差較小。吳根麗[7]發(fā)現(xiàn)傾斜角度越小，懸垂面的邊緣線寬度誤差和成形角度誤差都越大，當(dāng)傾斜角度大于40°時(shí)，島形掃描策略比Z形掃描策略能更明顯改善成形角度誤差，懸垂角度越大，島形掃描策略對(duì)成形角度和懸垂邊緣精度改善越大。楊雄文等[15]用SLM技術(shù)成形316L不銹鋼粉末制備薄板、尖角、圓柱體、圓孔、方孔等典型幾何，發(fā)現(xiàn)激光光斑約束、臺(tái)階效應(yīng)、粉末粘附、激光深穿透等因素是影響零件尺寸精度的主要原因；成形方向不同，成形精度也不同，沿X軸擺放成形出的薄板精度和尖角精度都比沿Y軸擺放成形出的精度高。他們指出為獲等理想的精度，零件設(shè)計(jì)時(shí)，要避免厚度小于0.15 mm的薄板，直徑小于0.1 mm的圓柱體，直徑小于0.4 mm的平行于成形方向的圓孔，直徑小于0.5 mm的懸垂圓孔，邊長(zhǎng)小于0.5 mm的懸垂方孔以及跨度大于3 mm的水平懸垂結(jié)構(gòu)。徐仰立等[16]采用SLM技術(shù)成形Ti6Al4V合金薄壁和小孔，研究最小成形壁厚和孔徑及其成形誤差。發(fā)現(xiàn)實(shí)際制作的薄壁尺寸都比設(shè)計(jì)大而小孔都比設(shè)計(jì)的小，尺寸誤差與未融化粉末粘結(jié)有關(guān)。吳偉輝等[17]分析了粉末粘附、飛濺現(xiàn)象、翹曲變形現(xiàn)象對(duì)成形精度的影響機(jī)理。提出從掃描路徑規(guī)劃、薄的鋪粉層厚、含氧量控制及支撐設(shè)計(jì)等方面弱化這些現(xiàn)象對(duì)成形精度的影響，并用SLM技術(shù)成形出尺寸精度達(dá)±0.0 5 mm/10 mm的齒輪零件。

3　SLM技術(shù)成形質(zhì)量研究趨勢(shì)

從上面的歸納分析可知，目前對(duì)SLM成形質(zhì)量的研究主要專(zhuān)注在激光參數(shù)、掃描參數(shù)及幾何位置這幾個(gè)方面，隨著先進(jìn)技術(shù)手段的不斷發(fā)展，SLM成形件質(zhì)量的研究將會(huì)向廣深發(fā)展。

（1）SLM成形過(guò)程中，金屬熔池內(nèi)部存在著強(qiáng)烈的物理、化學(xué)變化，在加工過(guò)程中熔池狀態(tài)直接影響著成形質(zhì)量。Chu Lun Alex Leung等[18]采用同步加速器X射線成像來(lái)調(diào)查和量化缺陷和熔池動(dòng)力學(xué)，揭示了激光熔融技術(shù)背后的物理學(xué)規(guī)律。因此尋求更先進(jìn)的技術(shù)、方法，對(duì)熔池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，深入研究SLM成形冶金本質(zhì)及機(jī)理，揭示孔隙及疏松、殘余應(yīng)力及變形等缺陷的形成機(jī)制，為控制SLM成形質(zhì)量和性能提供科學(xué)理論基礎(chǔ)。這將依然是研究的熱點(diǎn)之一。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究熔池實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并獲取熔池實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)而根據(jù)熔池實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)控工藝參數(shù)來(lái)控制熔池達(dá)到實(shí)時(shí)最佳質(zhì)量狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能化控制SLM成形質(zhì)量，達(dá)到成形件控形和控性的制造，將是研究的重要內(nèi)容。

（2）用試驗(yàn)試錯(cuò)法改變工藝參數(shù)等來(lái)控制SLM成形質(zhì)量效率低、成本高。采用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，模擬SLM成形工藝參數(shù)間的相互作用，揭示熔化、凝固行為等微觀物理機(jī)制，為工藝優(yōu)化，質(zhì)量控制提供科學(xué)依據(jù)，成為重要且有效的研究手段，多尺度多場(chǎng)耦合等的模擬仿真將是今后重要研究方向。

（3）重視金屬粉體對(duì)改善SLM成形質(zhì)量的作用，深入定量研究粉體成分、粒度、球形度、松裝密度、流動(dòng)性、含氧量等對(duì)成形質(zhì)量的影響是SLM成形技術(shù)研究中值得關(guān)注的問(wèn)題。

（4）在設(shè)計(jì)中考慮SLM成形技術(shù)特點(diǎn)，研究新的設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)零件的功能和成形質(zhì)量最優(yōu)等的研究也將會(huì)等到業(yè)界更廣泛的關(guān)注。

4　結(jié)束語(yǔ)

隨著研究的深入和技術(shù)的發(fā)展，SLM技術(shù)成形件的質(zhì)量會(huì)更優(yōu)，SLM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)會(huì)更加的凸顯，SLM技術(shù)將會(huì)得到更廣泛的工業(yè)應(yīng)用。