激光選區(qū)熔化制造工藝的影響因素研究

摘 要： 本文概述了激光選區(qū)熔化增材制造（SLM）的過程，從溫度控制、原料粉性質(zhì)和特性、工藝參數(shù)、掃描方法、后處理等因素進行研究分析不致密化程度與激光缺陷的原因。

關鍵詞： 激光;增材制造;工藝參數(shù);影響

選區(qū)激光熔化（SLM）是在已有選擇性激光燒結技術的基礎上發(fā)展起來的，其中燒結或部分熔融是導致粉末快速凝固的唯一機制。SLM在材料表面形貌、致密化和微觀結構均勻性方面的顯著改善。SLM金屬具有更精細的微觀結構，從而產(chǎn)生具有更高屈服應力的更強材料。通過改變加工參數(shù)可以顯著改變SLM零件的微觀結構特征。

1 SLM技術的工作原理

SLM裝置的基本設置是建造活塞支撐建造平臺、加固部件和任何未固結金屬粉末。高功率激光跟蹤剖切構成任何已建零件幾何圖形的曲面。然后將生成的切片焊接到先前繪制的零件截面。一旦該層的建造完成，建造活塞垂直向下移動相當于一層厚度的量，之后，通過在其上掃過的再水臂在建造平臺上沉積一層新的未固結粉末。此過程將繼續(xù)，直到零件完成。大多數(shù)SLM處理是在惰性保護氣體（如氮氣或氬氣）下進行的，以減少建筑物的氧化、充電和孔隙率。零件完成后，卸下殘余粉末，并從機器上移除構建平臺。有時需要進行研磨，以便從構建平臺和零件上移除支撐，以備使用。在某些情況下，SLM后可進行額外的后處理，如熱處理、熱等靜壓（HIP）、拋光和噴丸處理，以改善致密化、表面特性和機械性能。

2 影響因素分析

2.1 溫度控制

在選擇SLM加工方式時必須考慮加工過程的冷卻—加熱循環(huán)，因為對恒定熱循環(huán)敏感的材料可能表現(xiàn)出不同于最初在恒定溫度波動下預期的特性。在SLM制造過程的熱循環(huán)過程中發(fā)生的熱膨脹和收縮效應往往導致產(chǎn)品中產(chǎn)生比通過傳統(tǒng)制造過程獲得的產(chǎn)品更多的殘余應力;這些應力可能導致開裂和分層的關鍵缺陷。此外，如果建造溫度控制不當，熔融粉末可能會形成球狀，從而有效地破壞建造。如果允許粉末原料熔化，則顆粒的形成和取向變得不一致，從而對成型質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。因此，溫度控制是SLM建造成功的必要條件。

2.2 原料粉性質(zhì)和特性

粉體特性和性能對SLM工藝和致密化動力學有重要影響，必須加以考慮。粉末粒度和粒度分布都會影響熔體的粘度和粉末的流速。較細的顆粒吸收更多的激光能量，從而提高了顆粒溫度和致密化動力學，因為粉末比較粗的顆粒呈現(xiàn)出更大的表面積。更細的顆粒也可以填充空隙，從而增加粉末密度，產(chǎn)生更高的凝固速率和更細的微觀結構。然而，納米粉體的流動通常較差;納米粉體經(jīng)常團聚，增加粉末床的光學反射率，從而降低能量吸收和致密化動力學。粉末特性和特性性能、冶金和化學性能合金成分、氧和碳濃度、反應焓、氧化電位顆粒形態(tài)特征粒徑和分布、顆粒形態(tài)、粗糙度、粉末流動性流變性能粘度和表面張力機械性能彈性模量、屈服點、拉伸強度、熱導率、比熱、熔化溫度、熱膨脹、光學特性、反射/吸收比、光學穿透等等都會影響SLM工藝。

2.3 工藝參數(shù)

SLM處理參數(shù)，這些參數(shù)具有重大影響，必須加以考慮。工藝參數(shù)包括能量密度、激光功率、掃描速度、陰影間距、掃描層厚度等。此外，對激光器使用不同的掃描模式可以產(chǎn)生不同的微觀結構和性能（例如密度、硬度、分辨率）。SLM所形成的微結構可分為兩類。其中一種類型包含由外延生長形成的排列成柱狀的大晶粒;當晶粒按照最大熱梯度的方向生長時發(fā)生這種情況。在SLM中，在連續(xù)的層沉積過程中，先前的層被重熔，這使得每一個新的層采用與下面相同的晶體學取向;這就是“外延生長”另一種類型包括合金金屬，其凝固前沿不穩(wěn)定，由前沿不協(xié)調(diào)引起。它們具有向熔池中心生長的更細的晶粒結構。通過改變激光能量密度或掃描速度可以改變?nèi)垠w的凝固類型。

2.4 掃描方法

SLM加工零件呈現(xiàn)定向凝固誘導的織構。掃描方法決定了凝固方向，對織構的影響很大。對于單向掃描的高合金立方金屬，垂直于掃描矢量形成更強的織構。然而，當應用雙向掃描時，其中層以鋸齒形模式掃描，在掃描葉片之間旋轉90°時，柱狀顆粒結構被破壞，隨后產(chǎn)生較弱的紋理。然而，對于低合金鋼來說，這種關系是不同的。

2.5 熱等靜壓處理

SLM加工零件的質(zhì)量有時低于傳統(tǒng)加工零件的質(zhì)量。后處理熱處理可以用來提高SLM零件的機械性能和消除多余的殘余應力。熱處理也改變了微觀結構，使材料具有更好的疲勞壽命和更高的抗蠕變性能。另一個有前途的后處理是熱等靜壓（HIP）。在這一過程中，樣品在壓力容器中經(jīng)受高壓和高溫，從而降低了孔隙率并增加了致密化。

3 結語

SLM工藝的主要優(yōu)點是能夠創(chuàng)建傳統(tǒng)制造工藝無法形成的復雜幾何圖形。從工業(yè)的角度來看，這些優(yōu)勢具有很重要的含義。單個部件通常在不同的工廠用特殊的工具制造，然后運到裝配現(xiàn)場。有了SLM，零件就不需要專門的工具，就可以在現(xiàn)場生產(chǎn)許多零件，消除了對供應鏈的需求。因此，SLM對于直接制造滿足航空航天、國防、汽車和生物醫(yī)學工業(yè)領域要求的功能性金屬工具和部件具有重要意義。

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作者簡介： 劉曉飛（1979—），女，吉林延邊人，碩士，工程師，研究方向：激光加工技術。