激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)的研究進(jìn)展

王 銳 趙芳芳2 萬楚豪

(1.武漢光谷航天三江激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，湖北武漢 430200; 2.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050)

1 引 言

增材制造技術(shù)(3D打印技術(shù))，通過三維模型的分層處理，從粉末等原料開始，采用逐層累加的方式，直接從設(shè)計(jì)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件進(jìn)行成形，避免使用鑄模、鍛模等昂貴工具，并減少了多種常規(guī)的機(jī)械加工[1]。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的原型制造逐漸擴(kuò)展至功能性結(jié)構(gòu)件的制造，特別適用于定制化的小批量生產(chǎn)，如汽輪機(jī)葉片、醫(yī)用植入物、假肢、模具、熱交換器等[2]。

激光選區(qū)熔化技術(shù)(Selective Laser Melting, SLM)是目前應(yīng)用最廣泛的金屬增材制造技術(shù)[3]。SLM通過對金屬粉末床進(jìn)行選擇性局部熔化，層層熔覆堆積，直接一次成形獲得性能良好的全致密金屬零件，其產(chǎn)品性能超過鑄造加工的零件[4]。目前，常用于SLM技術(shù)的金屬材料有：AISI 316L不銹鋼、馬氏體時效鋼、Inconel 625和Inconel 718鎳基合金、Ti6Al4V鈦合金等[5-8]。相較于傳統(tǒng)的機(jī)械加工手段，SLM增材制造技術(shù)提供了極高的設(shè)計(jì)自由度與功能特性的優(yōu)化、集成，能實(shí)現(xiàn)高復(fù)雜性構(gòu)件的近凈成形，以合理的價格生產(chǎn)小批量的產(chǎn)品，在較大范圍內(nèi)應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。

隨著航空航天行業(yè)的不斷發(fā)展，對結(jié)構(gòu)件的復(fù)雜程度與性能要求愈發(fā)嚴(yán)苛，飛行器結(jié)構(gòu)件朝著輕質(zhì)化、一體化的目標(biāo)不斷發(fā)展，同時保證高可靠性與長服役壽命[9]。鈦合金與鎳基高溫合金以其優(yōu)異的性能在航空航天行業(yè)中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，在整體結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用的比例不斷增加。SLM技術(shù)特別適合這些難成形的合金零件制造，能夠克服傳統(tǒng)加工手段的缺點(diǎn)，有利于零件的設(shè)計(jì)優(yōu)化與快速成形[7]。在醫(yī)療行業(yè)中，增材制造技術(shù)早已根據(jù)醫(yī)用數(shù)字成像直接、快速制造醫(yī)用模型，應(yīng)用于醫(yī)生的輔助診斷與術(shù)前規(guī)劃[10]。得益于增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，SLM制備的鈦合金組織致密，尺寸精度高，具備良好的生物相容性和力學(xué)性能，為鈦合金醫(yī)用植入物提供了一種新的快速成形方式[11]。

本文將對金屬激光選區(qū)熔化增材制造的技術(shù)原理與特點(diǎn)進(jìn)行簡要說明，并重點(diǎn)介紹該技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用情況以及發(fā)展現(xiàn)狀。

2 SLM技術(shù)原理與工藝參數(shù)

金屬激光選區(qū)熔化增材制造設(shè)備有上落粉與下送粉兩種方式，本文以下送粉方式為例介紹SLM的技術(shù)原理，如下圖1所示[12]。金屬粉末床是利用刮刀橫掃工作區(qū)域的粉末得到的，激光根據(jù)計(jì)算機(jī)的編程設(shè)定，將能量傳遞到不同區(qū)域的金屬粉末床表面，促使粉末熔化得到設(shè)計(jì)形狀。隨后粉末床按照設(shè)定的高度下降，其上被刮刀平鋪一層新粉末，重復(fù)鋪粉和熔化的過程，多次堆積以制造三維的實(shí)體組件[13]。

圖1 SLM增材制造設(shè)備原理

SLM的成形過程受到一系列參數(shù)的影響，如下圖2所示[14]。其中，影響SLM工藝的主要成形參數(shù)有掃描速度、支撐間距、激光功率和粉層厚度。目前，已經(jīng)有大量通過修改工藝參數(shù)來提高打印件密度的研究。

圖2 SLM技術(shù)工藝參數(shù)

3 SLM增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀

激光增材制造技術(shù)作為傳統(tǒng)機(jī)械加工的有力補(bǔ)充，未來產(chǎn)業(yè)的新增長點(diǎn)，在國際加工行業(yè)上格外矚目。目前，憑借著增材制造市場起步較早且較成熟的優(yōu)勢，歐美國家的金屬增材制造產(chǎn)業(yè)擁有著先發(fā)優(yōu)勢，在設(shè)備的研發(fā)與商業(yè)化上也處于相對領(lǐng)先的地位。為搶占行業(yè)制高點(diǎn)，我國也加大了相關(guān)的科研資金投入，并推出了一系列促進(jìn)增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策。國內(nèi)一大批高校教師團(tuán)隊(duì)致力于金屬增材制造的工藝研究與應(yīng)用范圍拓展。現(xiàn)階段受金屬增材制造技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的限制，SLM增材制造材料使用較多的是鋁合金、鈦合金和鎳基高溫合金，故SLM技術(shù)的工藝研究主要集中這三類材料，對其成形工藝參數(shù)與后處理工藝展開了細(xì)致的探索。

3.1 鋁合金SLM增材制造研究進(jìn)展

SLM技術(shù)在鋁合金3D打印成形方面的主要困難之一是其粉末表面的氧化薄膜帶來的，固態(tài)、液態(tài)金屬表面的氧化會導(dǎo)致每層激光軌跡間氧化膜的遺留，兩個氧化膜相遇的位置產(chǎn)生孔洞，鋁合金打印件致密度偏低。熔池中溫度梯度導(dǎo)致的馬蘭戈尼對流作用于熔池中的金屬流動，從而影響熔池中的溫度分布與張力變化，同時熔池上表面氧化膜的蒸發(fā)造成邊緣張力的提高，二者共同作用下熔池內(nèi)部的攪拌會破壞底部的氧化膜，而對兩側(cè)的氧化膜無明顯影響，如下圖3所示[15]。故高密度的鋁合金SLM零件對高功率激光的需求較大。

圖3 鋁合金熔池中氧化膜的破壞過程

圖4 激光功率、掃描速度對合金表面形貌的影響

Buchbinder 等[16]使用1kW的光纖激光器對AlSi10Mg 合金的工藝參數(shù)進(jìn)行研究，分析激光功率、掃描速度和掃描間距對合金致密度的影響。不同激光功率與掃描速度對合金表面形貌的影響，合金成形密度與激光功率成正比，與掃描速度成反比，如下圖4所示。除掃描速度外，掃描尖同樣是決定成形效率的重要因素，伴隨著掃描間距和成形效率的增加，打印構(gòu)件的致密度降低，如下圖5所示。在保證零件致密度在99.5%以上的基礎(chǔ)上，較高的激光功率允許其成形效率從5mm3/s增加至21mm3/s，同時保證零件良好的力學(xué)性能，硬度約為145 HV0.1，拉伸強(qiáng)度在400MPa左右。

L.F. Wang等[17]展示了類T6熱處理對SLM制造AlSi10Mg合金機(jī)械性能的提升效果，塑性、該熱處理包括535℃下2小時的固溶處理，與158℃下10小時的時效處理。研究表明，熱處理對合金的致密度無明顯的影響，而熱處理后試樣的強(qiáng)度降低20%，拉伸強(qiáng)度下降了19.97%，彎曲強(qiáng)度輕微下降6.1%，此時，樣品延伸率提高155%，斷裂撓度顯著升高122.9%。SLM試樣組織中共晶Si相不規(guī)則地分布在初生α相晶界上，在類T6熱處理過程中，共晶Si相分解溶入α相中，α相飽和后Si元素含量不再變化，而過高的溫度會導(dǎo)致晶粒粗化生長，如下圖6所示。這為利用固溶與時效處理調(diào)整AlSi10Mg合金的機(jī)械性能提供了更詳細(xì)的視角與見解。

圖5 不同掃面間距下合金試樣的密度與表面形貌

3.2 鈦合金SLM增材制造研究進(jìn)展

鈦合金SLM成形零件工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)與零件的模型密切相關(guān)，薄壁件、多孔件、復(fù)雜點(diǎn)陣等結(jié)構(gòu)對工藝參數(shù)的選擇各有所偏重。同樣，綜合考慮零件服役性能的要求，通過后處理工藝的調(diào)整來改變成形零件的組織性能[18]。關(guān)于鈦合金SLM增材制造的研究是一個龐大而系統(tǒng)性的工程。

王俊飛等[19]探索了不同的打印工藝參數(shù)與零件壁厚對TC4鈦合金薄壁件的形變與殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明，鈦合金薄壁件的變形主要集中在薄壁件頂層的兩側(cè)，而殘余應(yīng)力則集中在試件底部與薄壁件中間。試件底部的殘余應(yīng)力主要是與基板接觸位置較大的溫度梯度導(dǎo)致的，在熱累積效應(yīng)下，從底部到頂層其殘余應(yīng)力呈下降趨勢。

宦君[20]等揭示了激光功率與掃描速度對TC4成形效果的影響機(jī)理，二者主要通過改變?nèi)鄣赖膶挾群透叨葋碛绊戔伜辖鸹宓谋砻嫘蚊?，激光功率的提高會促使熔道寬度增加、高度降低，掃描速度則與熔池寬度和高度成反比。激光功率偏低與掃描速度過高，引起表面能量密度偏低，熔道不連續(xù)，而能量密度過高，熔池會在激光動量沖擊下產(chǎn)生飛濺，如下圖7所示。

鍛造Ti6Al4V合金在熱機(jī)械加工后能獲得雙相微觀組織(較大的等軸狀α相顆粒分布于拉長的層片狀α+β相基體上)[21]。SLM近凈成形的零件組織為馬氏體，無法進(jìn)行熱機(jī)械加工，獲得接近鍛造鈦合金的組織和性能。Gerrit等[22]研究了退火溫度、保溫時間、冷卻速率對SLM生產(chǎn)鈦合金在固溶處理中微觀晶粒形貌轉(zhuǎn)變的機(jī)理，成功通過優(yōu)化熱處理工藝(910℃保溫10h，水冷+750℃保溫4h,爐冷)使SLM生產(chǎn)鈦合金獲得鍛態(tài)的雙相微觀組織，如下圖8所示。在熱處理過程中，910℃水淬實(shí)現(xiàn)了馬氏體向雙相顯微組織(α相分布在α′相基體上)的轉(zhuǎn)變，利用750℃爐冷使α′相基體向?qū)悠瑺瞀?β相轉(zhuǎn)化，其拉伸延展性與直接熱處理試樣相比獲得較大提升[22]。

3.3 鎳基合金SLM增材制造研究進(jìn)展

鎳基合金的含鎳量在一半以上，其1000℃左右時仍能保持相對良好的力學(xué)性能，適用于在長時間高溫環(huán)境與極限復(fù)雜應(yīng)力條件下的零件，是目前我國產(chǎn)量最大、使用最廣的高溫合金[23]。其加工難度較高，對于復(fù)雜的航空航天零件而言，SLM技術(shù)是鎳基高溫合金加工的首選手段之一。

據(jù)Nguyen 等[24]的研究，較小顆粒的粉末能夠改善粉層的分布以及成形的機(jī)械性能與表面光潔度，而粉末的顆粒尺寸分布可以影響成形堆積密度與最終零件的密度。Christopher等[25]對打印的上層、內(nèi)層、下層與輪廓層采用不同的掃描工藝參數(shù)，同時在對不同粒徑粉末的表征基礎(chǔ)上，揭示了其對SLM成形的影響，粉末粒徑與微觀形貌如下圖9所示。粒徑低于10μm的粉末內(nèi)聚力過大以至于其基本處于不可用狀態(tài)，其較大比例的存在對SLM成形具有負(fù)面影響。其中，自由流動性略有差異的粉末1與粉末3均能順利成形，二者成形的微觀組織形貌接近。故在粉末流動性能得到保證的基礎(chǔ)上，更多的工藝研發(fā)工作應(yīng)該投入到缺陷與孔隙的避免上。

與傳統(tǒng)機(jī)加工手段(鑄造、鍛壓等)相比，未熱處理的SLM制備鎳基合金已被證明具備更好的硬度、拉伸強(qiáng)度和斷裂極限，但是延展性較差[26]。故SLM制備的鎳基合金需要進(jìn)行固溶強(qiáng)化與時效處理，以改善其力學(xué)性能。Wang等[27]對Inconel 625鎳基合金從SLM成形狀態(tài)到熱處理狀態(tài)的微觀組織特征轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究，不同狀態(tài)鎳基合金微觀形貌，如下圖10所示。870℃熱處理與SLM直接成形狀態(tài)組織接近，熔池為魚鱗狀形貌，熔池內(nèi)部為樹枝狀組織，試樣(870℃保溫1h)組織出現(xiàn)有限度聚集轉(zhuǎn)變；保溫溫度升至980℃后，熔池的邊界逐漸不可見，部分組織發(fā)生再結(jié)晶；溫度提高至1150℃后，鎳基合金發(fā)生完全再結(jié)晶。在此過程中，晶粒的再結(jié)晶引起其尺寸的增加，位錯密度發(fā)生降低，減少了晶界取向錯位，SLM成形導(dǎo)致的殘余應(yīng)力減少，顯微硬度降低。

圖10 Inconel 625鎳基合金SLM成形狀態(tài)與熱處理狀態(tài)的微觀組織

黃文普等[28]也對K4202鎳基高溫合金的SLM成形態(tài)與熱處理態(tài)的組織性能進(jìn)行了關(guān)注與研究。該合金SLM成形態(tài)組織由樹枝晶與等軸晶組成，樹枝晶與熔池邊界近乎垂直；在固溶和時效處理后，樹枝晶結(jié)構(gòu)消失，有碳化物析出；時效處理后，合金未達(dá)到再結(jié)晶溫度，晶界和位錯仍保持原狀態(tài)，其組織與SLM成形態(tài)無明顯區(qū)別。對三種狀態(tài)鎳基合金進(jìn)行XRD分析，如下圖11所示。對于HT1、HT2熱處理態(tài)試樣，44°左右的衍射峰與其它峰的強(qiáng)度差在熱處理后增加，而γ'相(Ni3(Al，Ti)強(qiáng)化相)和γ相(CrNi基體相)的衍射峰重合，可能是γ'相在熱處理后析出導(dǎo)致的。故HT2熱處理態(tài)鎳基合金顯微硬度、屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度高于HT1態(tài)合金，二者均高于SLM成形態(tài)；熱處理后，試樣的延伸率降低，HT2試樣延伸率高于HT1。

圖11 合金SLM、HT1(固溶+時效)、HT2(時效)狀態(tài)XRD譜圖

4 展 望

SLM技術(shù)在百花齊放的金屬增材制造技術(shù)領(lǐng)域獨(dú)樹一幟，其成形精度與致密度高，可加工材料范圍廣泛，基本不受加工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的影響，能夠經(jīng)濟(jì)性地進(jìn)行小批量快速生產(chǎn)。現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的SLM增材制造材料為鋁合金、鈦合金以及鎳基高溫合金，可以通過制造工藝參數(shù)的調(diào)整與差異性的后處理手段獲得高于鑄態(tài)合金的組織性能。隨著科研院所、高校團(tuán)隊(duì)與增材制造企業(yè)的共同努力，從增材制造設(shè)備、增材制造工藝到成形后處理方法不斷迭代改進(jìn)與優(yōu)化，SLM成形技術(shù)將成為高端制造領(lǐng)域不可或缺的一部分。