增/減材復(fù)合加工316L宏觀形貌和殘余應(yīng)力試驗(yàn)

楊玉瑩， 鞏亞?wèn)|， 屈碩碩， 蔡 明

(東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

增材制造技術(shù)結(jié)合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字化信息和工程、激光技術(shù)和材料加工以及成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)軟件與數(shù)控系統(tǒng)將粉末狀、絲狀或者膏狀的材料按照擠壓、熔融、光固化等方式自下而上逐漸堆積，生產(chǎn)零部件的制造技術(shù)[1-2].激光熔化沉積技術(shù)作為增材制造技術(shù)的一種，是在快速原型的基礎(chǔ)上結(jié)合同步送粉激光熔覆技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新制造技術(shù)[3].激光熔化沉積具有短周期、無(wú)需模具、致密性高等優(yōu)點(diǎn)，為制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件提供了新的技術(shù)途徑，從而使其成為相關(guān)領(lǐng)域研究和關(guān)注的熱點(diǎn)[4].然而，作為一種相對(duì)較新并且持續(xù)完善的技術(shù)，并不是所有的缺陷都被解決.在增材制造過(guò)程中具有較大的溫度梯度，同時(shí)殘余應(yīng)力和變形被引入到零件中；其次，由于層梯效應(yīng)，增材制造零件的表面質(zhì)量不能達(dá)到實(shí)際的需要.而傳統(tǒng)的加工工藝，如銑削加工，是一個(gè)比較完善的解決方案，目前在金屬制造業(yè)發(fā)揮重要的作用.銑削加工可以提高零件的表面質(zhì)量[5].因此，增/減材復(fù)合制造加工技術(shù)是結(jié)合同軸送粉激光熔化沉積技術(shù)和五軸CNC減材制造工藝而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，以解決增材過(guò)程中零件表面質(zhì)量和成形精度較低的問(wèn)題[1].

激光熔化沉積過(guò)程中，激光、基體與粉末材料之間的相互作用是一個(gè)復(fù)雜的熔化-凝固過(guò)程，各個(gè)加工工藝參數(shù)，如激光功率、送粉速率、掃描速度、離焦量等對(duì)成形質(zhì)量有顯著影響[6].加工工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，會(huì)造成熔覆層表面不平整，進(jìn)而導(dǎo)致成形件的幾何形貌產(chǎn)生偏差，甚至?xí)a(chǎn)生氣孔或裂紋等缺陷.因此，合理的工藝參數(shù)對(duì)于確保零件的高精度、高性能至關(guān)重要.Marzba等[7]研究了激光熔覆過(guò)程中，激光功率、掃描速度、送粉量等工藝參數(shù)對(duì)熔覆層高度、寬度和深度的影響.結(jié)果表明：激光功率對(duì)熔覆層的質(zhì)量特性影響最大；并得到了最佳的激光熔覆工藝參數(shù).

殘余應(yīng)力和變形對(duì)增/減材復(fù)合加工零件的表面質(zhì)量和加工精度有著較大的影響.Salonitis等[8]提出采用有限元的方法預(yù)測(cè)了增/減材復(fù)合加工后零件的殘余應(yīng)力和變形情況.結(jié)果表明：高速銑削加工可以釋放部分應(yīng)力，但不能消除所有的變形和應(yīng)力.316L不銹鋼具有優(yōu)秀的高溫蠕變強(qiáng)度和加工硬化性能等一系列優(yōu)良性質(zhì)而廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械等高新技術(shù)領(lǐng)域.因此，本文采用316L不銹鋼粉末作為加工過(guò)程的初始材料.首先，通過(guò)正交試驗(yàn)進(jìn)行激光熔化沉積的單層單道成形試驗(yàn)研究，分析激光功率P、送粉速率f和掃描速度vf對(duì)單道熔覆層的幾何形狀(寬度b、高度H、高寬比ξ)的影響，優(yōu)選出合理的激光熔化沉積工藝方案，從而獲得較好的宏觀質(zhì)量，為后續(xù)增/減材復(fù)合加工316L不銹鋼的工藝參數(shù)選擇提供了理論和數(shù)據(jù)支持；通過(guò)X射線應(yīng)力測(cè)定儀對(duì)增材激光熔化沉積和增/減材復(fù)合零件的殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究，最后得出研究結(jié)論.

1 激光熔化沉積成形質(zhì)量正交試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)的材料采用顆粒大小在10～130 μm之間的球形316L不銹鋼粉末，其粉末形狀如圖1a所示，主要化學(xué)成分C，Si，Mn，Cr，Ni，Mo，F(xiàn)e.基材采用規(guī)格為160 mm×160 mm×20 mm的40#鋼.

試驗(yàn)在SVW80C-3D增/減材復(fù)合五軸聯(lián)動(dòng)加工中心進(jìn)行，該系統(tǒng)包括減材部分(銑削、鉆孔等)和增材激光熔化沉積(laser melting deposition， LMD)部分，如圖1b所示.其中激光熔化沉積系統(tǒng)主要由YLS-2000光纖激光器、五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工作臺(tái)、送粉器、同軸送粉噴嘴及水冷機(jī)組成；試驗(yàn)的檢測(cè)設(shè)備采用VHX-1000E超景深顯微鏡和Ultra Plus場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡.加工試驗(yàn)前，將基材固定在增/減材復(fù)合加工中心的工作臺(tái)上，同時(shí)利用減材銑削加工對(duì)基材表面進(jìn)行銑削處理，除掉基板表面氧化物雜質(zhì)，以確保表面被銑削平整并用丙酮清洗干凈.

圖1 場(chǎng)發(fā)散掃描電鏡下316L不銹鋼粉末形狀和增/減材復(fù)合制造設(shè)備

1.2 試驗(yàn)方案

在激光增材熔化沉積過(guò)程中，為了考察工藝參數(shù)對(duì)熔覆層成形質(zhì)量(幾何形貌)影響的顯著性，本文選取對(duì)成形質(zhì)量有重要影響的P,f和vf進(jìn)行三因素五水平L25(53)單層單道正交試驗(yàn).選取P為600， 700， 800， 900， 1 000 W；f為0.4， 0.7， 1.0， 1.3， 1.6 g/min；vf為280， 360， 440， 520， 600 mm/min.為了進(jìn)一步分析工藝參數(shù)對(duì)熔覆層成形質(zhì)量的影響規(guī)律，使用電火花線切割機(jī)將試驗(yàn)獲得的單層單道熔覆層試件沿沉積軌跡橫截面切開(kāi)，將樣品打磨和拋光，采用VHX-1000E超景深顯微鏡對(duì)處理后的表面進(jìn)行觀察，并根據(jù)圖2中沉積層橫截面幾何形貌尺寸，測(cè)量熔覆層的H和b，并記錄試驗(yàn)結(jié)果.本文采用形狀系數(shù)(高寬比)ξ作為試驗(yàn)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)沉積層的成形質(zhì)量，其主要原因是熔覆層的ξ是評(píng)價(jià)冶金結(jié)合性能和沉積層平整性的重要指標(biāo).試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表1所示.

圖2 沉積層橫截面幾何形貌示意圖

表1 激光熔化沉積正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

從圖3中可以看出，f的極差、方差最大，P最?。涣硗?，vf對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度介于上述兩個(gè)因素之間.因此，316L不銹鋼材料在增材激光熔化沉積過(guò)程中，激光熔化沉積工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量影響的主次順序?yàn)椋核头鬯俾?掃描速度>激光功率.在本文試驗(yàn)中，合理的選擇送粉速率能夠顯著地控制316L材料在激光熔化沉積過(guò)程的成形質(zhì)量.

表2 熔覆層形狀系數(shù)正交試驗(yàn)結(jié)果

圖3 激光熔化沉積工藝過(guò)程正交試驗(yàn)的極差圖和方差圖

1.4 激光工藝參數(shù)對(duì)單道單層激光熔化沉積成形質(zhì)量的影響

為了深入研究各工藝參數(shù)對(duì)激光熔化沉積成形質(zhì)量的影響，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，分別繪制出送粉速率f、掃描速度vf和激光功率P三個(gè)因素對(duì)沉積層幾何形貌包括沉積層高度H、寬度b和形狀系數(shù)ξ的影響規(guī)律曲線，如圖4a～4c所示，并分析其變化的原因.

圖4 工藝參數(shù)對(duì)熔覆層幾何形貌的影響

圖4a是單道單層熔覆層幾何形貌隨f變化的情況.從圖4a中可以看出，隨著f增加，熔覆層的b和H逐漸增加且熔覆層b大于熔覆層H；其ξ也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì).分析其原因：當(dāng)P和vf一定時(shí)，f從0.4 g/min增加到0.7 g/min，單位時(shí)間內(nèi)送入熔池的粉末量會(huì)增加，激光、粉末和基體能夠較好地相互作用；同時(shí)由于表面張力的作用，熔池將保持其形狀而不發(fā)生塌陷，從而增加熔覆層的b和H；繼續(xù)增加f，單位時(shí)間內(nèi)送至熔池的粉末量增加，激光作用時(shí)間較短，吸收能量減少，粉末利用率降低，熔池b增加幅度相對(duì)高度要小，從而使得其ξ整體呈現(xiàn)隨f的增大而增大的趨勢(shì).

圖4b是單道單層熔覆層幾何形貌隨vf變化的情況.從圖4b中可以看出，隨著vf的增大，熔覆層的b，H和ξ逐漸降低.分析其原因：隨著vf的不斷增大，激光光束與粉末、基材的相互作用時(shí)間逐漸縮短，單位時(shí)間內(nèi)輸入到基體的激光能量和實(shí)際送粉量減少，在基體上形成溫度較低的熔池和粉末利用率降低的現(xiàn)象，從而會(huì)導(dǎo)致熔覆層的b和H的降低；并且熔池寬度的下降斜率大于高度的下降斜率，因此，熔覆層的ξ降低.

圖4c是單道單層熔覆層幾何形貌隨P變化的情況.從圖4c中可以看出，隨著P的增加，熔覆層b逐漸增大，H變化不明顯.這是由于P的增加會(huì)提高熔體在基體表面的鋪展面積，同時(shí)粉末有效利用率也增加，從而使得熔覆層的b增加；然而，P對(duì)熔覆層的H影響不太明顯，因此熔覆層的ξ呈現(xiàn)降低的趨勢(shì).但P應(yīng)與其他工藝參數(shù)相匹配，當(dāng)激光功率過(guò)低時(shí)，激光能量輸入較小，發(fā)生粉末熔化不完全，導(dǎo)致粉末黏附在熔覆層表面上，導(dǎo)致表面粗糙；當(dāng)P過(guò)大時(shí)，激光能量輸入過(guò)大，產(chǎn)生粉末燒損和飛濺，導(dǎo)致粉末利用率降低；同時(shí)，熔池中的能量不斷累積，溫度不斷提高，熔池的流動(dòng)性增加，使得液態(tài)金屬的表面張力不能與其重力平衡而沿熔覆層兩側(cè)向下流動(dòng)，熔覆層的b增加，熔池H降低，從而導(dǎo)致ξ逐漸降低.

1.5 試驗(yàn)工藝參數(shù)的優(yōu)選

根據(jù)激光功率P、送粉速率f和掃描速度vf對(duì)成形質(zhì)量影響的正交試驗(yàn)，優(yōu)選出的316L不銹鋼材料進(jìn)行激光熔化沉積試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)的最優(yōu)工藝參數(shù)組合:P為1 kW，f為0.7 g/min，vf為600 mm/min，為增/減材復(fù)合加工的工藝參數(shù)提供理論和數(shù)據(jù)支持.試驗(yàn)表明:熔覆層的軌跡均勻連續(xù)，表面光滑，成形質(zhì)量最好.其中，評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定依據(jù)：熔覆層的高寬比≤1/3時(shí)，熔覆層與基體具有良好的冶金結(jié)合[9].

2 激光熔化沉積宏觀形貌分析

為進(jìn)一步分析不同送粉速率下的成形質(zhì)量，使用電火花線切割機(jī)將試驗(yàn)獲得的單道單層熔覆層試件沿沉積軌跡橫截面切開(kāi)，將樣品打磨和拋光，采用VHX-1000E超景深顯微鏡對(duì)處理后的表面進(jìn)行觀察，如圖5所示.

在不同送粉速率下，激光熔化沉積單道單層熔覆層的截面形貌如圖5所示.在激光熔化沉積過(guò)程中，選擇合適的送粉速率f=0.7 g/min時(shí)，由于基板吸收了較多的能量，導(dǎo)致基體的溫度大于自身的熔點(diǎn)而形成熔池，并有大量的金屬粉末落入熔池中，在快速冷卻和凝固后獲得良好的冶金結(jié)合.當(dāng)送粉速率f=0.4 g/min較小時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)送至熔池的粉末量較少，造成進(jìn)入熔池的量無(wú)法完全填充整個(gè)熔池，該過(guò)程激光束與材料的相互作用較弱，使得激光透過(guò)粉末到達(dá)基體的能量減少，導(dǎo)致熔覆層高度和寬度變??；當(dāng)送粉速率f=1.6 g/min過(guò)大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)的粉末量較大，由于激光與掃描速度是定值，激光作用時(shí)間相對(duì)較短，粉末利用率降低，粉流匯聚點(diǎn)逐漸增加，并且熔體與基體的潤(rùn)濕性惡化.因此，激光熔化沉積過(guò)程中，在確保金屬粉末完全熔化的前提下，應(yīng)選擇合適的送粉速率.

圖5 不同送粉速率下的單道熔覆層橫截面形貌

3 增/減材復(fù)合加工表面殘余應(yīng)力

3.1 研究方法

為了進(jìn)一步分析工藝參數(shù)對(duì)增/減材復(fù)合零件性能的影響規(guī)律，采用上述正交試驗(yàn)優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行增/減材復(fù)合制造，試樣所采用的工藝參數(shù)如表3所示.由于試樣表面存在加工痕跡、磕碰劃傷及未熔化的粉末粒子，需對(duì)試樣表面進(jìn)行砂紙打磨和電解拋光處理以達(dá)到足夠的表面精度.電解液采用NaCl飽和溶液(加適量甘油)，電解時(shí)間為30～120 s.采用X射線應(yīng)力測(cè)定儀進(jìn)行增/減材復(fù)合加工試樣表面的殘余應(yīng)力的測(cè)量，設(shè)備如圖6所示.其測(cè)量參數(shù)如表4所示.

表3 試樣的工藝參數(shù)

圖6 X射線衍射殘余應(yīng)力測(cè)試儀

表4 殘余應(yīng)力測(cè)量參數(shù)表

3.2 測(cè)量結(jié)果與分析

圖7a為試樣外表面殘余應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)分布圖.對(duì)增/減材試樣外表面的純?cè)霾摹⒃?減材區(qū)域分別均勻取21個(gè)測(cè)量點(diǎn)，然后對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行3次測(cè)量取平均值，其結(jié)果分布如圖7b所示.從圖7b可以看出，在整個(gè)沉積高度上以拉應(yīng)力為主.激光熔化沉積成形過(guò)程中，由于激光束與材料相互作用時(shí)間較短，熔覆層與基體或先前熔覆層受到不均勻的熱梯度，且熔池周圍的溫度較高會(huì)形成塑性的熱壓縮，進(jìn)而產(chǎn)生殘余應(yīng)力.第1， 2， 3層為增材部分.增材部分為拉應(yīng)力，在增材制造過(guò)程中，靠近基板的部分散熱性好；同時(shí)，試樣從基板上切除時(shí)，底部又釋放了一部分應(yīng)力，所以第一層應(yīng)力值較小.隨著沉積層高度的增加，冷卻速率逐漸降低，應(yīng)力的積累效應(yīng)增大，導(dǎo)致第2層殘余應(yīng)力較大.第3層應(yīng)力值減小，是由于第3層靠近銑削區(qū)，銑削過(guò)程釋放了一部分應(yīng)力.第4， 5， 6層是增/減材復(fù)合加工部分.增/減材部分主要為拉應(yīng)力，且應(yīng)力值小于純?cè)霾牡膽?yīng)力.解釋這種現(xiàn)象的原因，可歸因于金屬零件的減材銑削過(guò)程伴隨著加工材料的去除，減材銑削加工釋放了一部分應(yīng)力值.第4層位于試樣的中間區(qū)域，表現(xiàn)出極大的壓應(yīng)力；頂層區(qū)域應(yīng)力較小，是由于頂部與大氣接觸，溫度冷區(qū)較快，應(yīng)力得以釋放，殘余應(yīng)力減小.在水平方向上，激光熔化沉積或增/減材的變化趨勢(shì)都是相似的，殘余應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，不同的幾何位置具有不同的應(yīng)力特征可以從冷卻速率和凝固速率的角度來(lái)解釋，由于中間區(qū)域冷卻速率和凝固速率均低于底部和頂部區(qū)域，局部熱輸入造成溫度分布不均勻，引起局部熱塑性變形，因此中間區(qū)域具有較大的殘余應(yīng)力.

圖7 試樣外表面殘余應(yīng)力

3.3 增/減材復(fù)合加工與傳統(tǒng)機(jī)械加工殘余應(yīng)力對(duì)比

為進(jìn)一步分析增/減材加工后的殘余應(yīng)力與傳統(tǒng)機(jī)械加工殘余應(yīng)力的差異，選取試樣材料為316L不銹鋼，利用線切割方法，獲得與增材制造同規(guī)格的試樣.所有銑削參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3.圖8為工件表面殘余應(yīng)力在增/減材復(fù)合加工條件下和傳統(tǒng)銑削加工條件下隨銑削速度的數(shù)值變化情況.可以看出，在傳統(tǒng)銑削加工條件下，工件表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，總體范圍在-600～-400 MPa之間；而在增/減材復(fù)合加工條件下，工件表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，總體范圍在40～240 MPa之間.隨著銑削速度增加，傳統(tǒng)銑削加工下產(chǎn)生的應(yīng)力變化不大，而增/減材復(fù)合加工條件下應(yīng)力值呈現(xiàn)減少的趨勢(shì).產(chǎn)生這種差異的原因是在傳統(tǒng)加工中，加工表面在銑削力的作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性形態(tài)，表面金屬的比容增大，體積膨脹，但受到與它相連的里層金屬的阻力，從而在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力.而在增/減材復(fù)合加工時(shí)，由于在增材制造過(guò)程中存在大量的拉應(yīng)力，隨后進(jìn)行銑削加工時(shí)，應(yīng)力釋放不完全，因而呈現(xiàn)為拉應(yīng)力.

圖8 銑削速度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

4 結(jié) 論

1) 送粉速率f對(duì)熔覆層形狀系數(shù)ξ的影響最大，隨著f的增大，熔覆層的ξ逐漸增大；隨著掃描速度vf和激光功率P的增大，ξ不斷減小.

2) 在本文的正交試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，f為0.7 g/min，vf為600 mm/min，P為1 kW的工藝參數(shù)組合可獲得最佳的成形質(zhì)量.

3) 試樣以拉應(yīng)力為主，頂部和底部為拉應(yīng)力，中間層表現(xiàn)出較大的壓應(yīng)力.靠近基材一側(cè)的拉應(yīng)力較小；隨著沉積層高度的增加，應(yīng)力值逐漸增加.

4) 增/減材復(fù)合試樣外表面的殘余應(yīng)力小于激光熔化沉積外表面殘余應(yīng)力，是由于銑削釋放了部分殘余應(yīng)力且試樣表面殘余應(yīng)力宏觀上分布不均；減材銑削加工提高了零件的表面精度和成形質(zhì)量.