激光選區(qū)熔化成形TC4細(xì)小孔棱質(zhì)量研究

劉艷艷 杜長(zhǎng)星 朱 磊

（1.南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 智能制造學(xué)院，南京 210046；2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

1 研究背景

作為一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能材料，多孔結(jié)構(gòu)在過(guò)濾分離、能量吸收、熱交換、電磁屏蔽以及人工植入物[1-5]等領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)行業(yè)。隨著它的應(yīng)用的深入，功能導(dǎo)向型設(shè)計(jì)的多孔結(jié)構(gòu)開(kāi)始具有精準(zhǔn)、復(fù)雜的棱柱結(jié)構(gòu)，如多孔植入體[6]。但是，傳統(tǒng)的加工方法很難制造這種精細(xì)結(jié)構(gòu)。增材制造（Additive Manufacturing，AM）因其令人印象深刻的精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)直接構(gòu)造能力而受到越來(lái)越多的關(guān)注。它利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分層構(gòu)建方法進(jìn)行制造，被視為實(shí)現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)快速制備的關(guān)鍵技術(shù)[7-8]。其中，基于粉末床熔融工藝的激光選區(qū)熔化技術(shù)（Selective Laser Melting，SLM）可以直接制造復(fù)雜精細(xì)的金屬結(jié)構(gòu)零件，如用于骨組織工程的鈦基多孔支架。

多孔結(jié)構(gòu)一般由具有不同擺放角度和不同尺寸的孔棱組成。利用激光選區(qū)熔化技術(shù)制備具有過(guò)小形狀特征的多孔結(jié)構(gòu)時(shí)，容易形成缺陷而導(dǎo)致制造失敗。研究人員開(kāi)始關(guān)注工藝參數(shù)對(duì)SLM構(gòu)建的多孔結(jié)構(gòu)形成質(zhì)量的影響。華中科技大學(xué)嚴(yán)春澤等[9]利用SLM制備具有相同孔隙率和不同單元體尺寸的TC4多孔結(jié)構(gòu)，探討了單元體尺寸對(duì)樣件缺陷、致密度以及壓縮性能的影響。結(jié)果表明，SLM制備多孔結(jié)構(gòu)具有明顯的尺寸效應(yīng)。南京航空航天大學(xué)梁繪昕等[10]從熱輸入的角度闡述了影響多孔結(jié)構(gòu)成形質(zhì)量的“小尺寸效應(yīng)”，指出降低激光能量輸入密度可以有效提高細(xì)小結(jié)構(gòu)特征的多孔結(jié)構(gòu)的致密度。功能性多孔結(jié)構(gòu)往往是具有不同幾何特征的棱柱的組合，加工過(guò)程中根據(jù)尺寸特征的變化來(lái)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)是不現(xiàn)實(shí)的。

基于此，本文擬在一組優(yōu)化的SLM工藝參數(shù)條件下，開(kāi)展多孔結(jié)構(gòu)中不同特征尺寸和擺放角度的孔棱的打印可行性實(shí)驗(yàn)研究，嘗試闡明在一定工藝條件下可成形的孔棱柱的最小特征尺寸和極限擺放角度，從而為多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定的工藝可達(dá)性參考。

2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

2.1 SLM試驗(yàn)材料及成形參數(shù)

試驗(yàn)材料使用中航邁特生產(chǎn)的Ti-6Al-4V商業(yè)粉末，粉末球形度良好，粒徑尺寸范圍為15～53 μm。該材料具有良好的力學(xué)性能、耐腐蝕性和生物相容性，可用于制造骨科植入體等正向設(shè)計(jì)的功能多孔結(jié)構(gòu)。成形設(shè)備為南京鋮聯(lián)激光科技有限公司研發(fā)的下鋪粉式激光選區(qū)熔化設(shè)備（型號(hào)NCL-M2120），激光器最大輸出功率為500 W，光斑直徑為40 μm，見(jiàn)圖1。優(yōu)化的工藝參數(shù)如表1所示，激光掃描路徑采用蛇形掃描策略，掃描起始角度57°，增量角67°，成形試驗(yàn)均在氬氣保護(hù)環(huán)境下進(jìn)行，氧含量控制在0.03%以下。

圖1 下鋪粉式激光選區(qū)熔化設(shè)備（型號(hào)NCL-M2120）

表1 優(yōu)化后Ti-6Al-4V打印參數(shù)

2.2 孔棱模型設(shè)計(jì)方法

多孔結(jié)構(gòu)是許多微小孔棱在空間上的交錯(cuò)分布與搭接。微小圓柱的直徑與傾斜角度及其SLM成形質(zhì)量息息相關(guān)，其中直徑代表孔棱的粗細(xì)，傾斜角度指微小圓柱與水平面的夾角?？桌庵睆絛從6個(gè)水平開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，傾斜角度α從4個(gè)水平開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，如表2所示。

表2 直徑和角度簡(jiǎn)化的參數(shù)取值（n=5）

根據(jù)表2的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)取值進(jìn)行打印模型的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思路是先基于某一直徑的孔棱，然后呈現(xiàn)以上3個(gè)角度，即每一小組的孔棱直徑相同，傾斜角度不同，共計(jì)6組。設(shè)計(jì)的孔棱打印模型如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)的不同直徑的孔棱模型

為研究不同大小孔棱直徑的打印極限問(wèn)題，主要研究0.2～1.0 mm共5個(gè)水平的成形傾斜角度極限，針對(duì)0.2～1.0 mm的5種水平孔棱直徑分別設(shè)置了2°、4°、8°、14°、22°共5種傾斜角度。具體的設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示，預(yù)打印模型如圖3所示。

表3 直徑和極限角度簡(jiǎn)化的參數(shù)取值（n=5）

圖3 設(shè)計(jì)的不同傾斜角度的孔棱模型

2.3 表征和測(cè)試方法

觀察樣件成形情況并測(cè)量其致密度。打印樣件的致密度大小對(duì)其力學(xué)性能起著決定性作用，因此對(duì)于通過(guò)增材制造技術(shù)打印的樣件均需對(duì)其致密度進(jìn)行測(cè)量和評(píng)價(jià)，致密度越高，代表著成形工藝參數(shù)越好。致密度采用阿基米德排水法對(duì)打印塊體的致密度進(jìn)行測(cè)量，已知Ti-6Al-4V的理論密度為4.51 g·cm-3。

3 結(jié)果與分析

3.1 形貌觀察

SLM打印不同水平直徑與傾斜角度（30°、60°、90°）孔棱的樣件圖，如圖4所示。從傾斜角度方面來(lái)看，水平桿的打印難度最大，只有d=1.2 mm的細(xì)桿較好地打印了出來(lái)，其余的中間搭接不上或者孔棱缺陷嚴(yán)重，顯現(xiàn)出針對(duì)接近水平結(jié)構(gòu)添加支撐的必要性。對(duì)于傾斜角度在30°及以上的孔棱都能較好地打印出來(lái)。30°與60°的兩組成形效果良好，90°打印效果最好。設(shè)計(jì)的垂直細(xì)桿出現(xiàn)傾斜主要是由于棱較細(xì)而受到刮刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)影響。從孔棱直徑大小上來(lái)看，孔棱直徑在0.2 mm及其以上的非水平結(jié)構(gòu)都能完成成形，而直徑較大的孔棱更利于水平桿的成形。

圖4 SLM打印多種類型孔棱樣件圖

具有不同直徑與不同傾斜角度的孔棱打印效果，如圖5所示。整體上講，孔棱直徑大的組別打印質(zhì)量要優(yōu)于孔棱直徑小的組?？桌庵睆綖?.6 mm、0.8 mm、1.0 mm的3組整體打印質(zhì)量較好，而孔棱直徑為0.2 mm的2°和4°傾斜角度打印失?。ㄒ?jiàn)圖6（a）），孔棱直徑為0.4 mm在2°傾斜角度同樣沒(méi)有完成打印。最終可知，d=0.2 mm的細(xì)桿打印極限在8°，d=0.4 mm的打印極限在4°，孔棱直徑為0.6～1.0 mm可以在2°～20°的傾斜角范圍打印成功，只是隨著角度的減小，棱柱底部的粘粉現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重（見(jiàn)圖6（b）），因此其打印極限在2°左右。利用上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可繪制不同直徑的細(xì)桿可打印的成形極限傾斜角度曲線，如圖7所示，利用該曲線可以劃分出可打印區(qū)域與不可打印區(qū)域。針對(duì)細(xì)小梁的成形極限圖對(duì)設(shè)計(jì)多孔結(jié)構(gòu)有著較為重要的指導(dǎo)意義，先從設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡可能地避免長(zhǎng)桿的接近水平的結(jié)構(gòu)，這樣有利于減少打印的缺陷并提高多孔支架的整體質(zhì)量。另外，對(duì)于直徑過(guò)細(xì)的桿，應(yīng)參考極限圖的可打印區(qū)域條件，同樣有利于規(guī)避一些缺陷。

圖5 不同水平直徑的孔棱在不同傾斜角度的成形結(jié)果

圖6 細(xì)小孔棱的斷裂與下層黏粉現(xiàn)象

圖7 可打印區(qū)域與不可打印區(qū)域的劃分圖（桿長(zhǎng)10 mm）

3.2 致密度分析

傾斜角度α=0°的水平孔棱基本打印失敗，致密度測(cè)量時(shí)不考慮傾斜角度為0°時(shí)的水平細(xì)桿結(jié)構(gòu)。利用阿基米德排水法測(cè)量各種直徑和傾斜角度水平細(xì)桿的致密度，測(cè)量結(jié)果如圖8所示，最后對(duì)圖8中致密度的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。從致密度測(cè)量結(jié)果可以看到，對(duì)于同一直徑大小的成形孔棱，傾斜角度為90°，即豎直放置的孔棱打印質(zhì)量最高。另外，隨著孔棱直徑的增加，打印的孔棱整體致密度隨之增加。由此可以推測(cè)，對(duì)于同一直徑的細(xì)小孔棱，傾斜角度降低打印難度增加，那么對(duì)于某一確定直徑的細(xì)桿應(yīng)該存在其能打印成形的最小傾斜角度，也可以認(rèn)為最小傾斜角度即為該細(xì)桿的成形極限角度。不同水平孔棱的致密度變化趨勢(shì)圖可知，直徑在毫米級(jí)別的孔棱致密度主要受自身孔徑和成形傾斜角度的影響?？傮w上講，孔棱直徑對(duì)致密度的影響較大。直徑越大，打印的效果越好。另外，傾斜角度也影響著打印質(zhì)量水平。傾斜角度大些的樣件，打印效果更好。

圖8 不同直徑與不同傾斜角度的孔棱致密度

3.3 成形缺陷分析

細(xì)小孔棱的打印缺陷主要分為宏觀和微觀兩個(gè)層面。宏觀缺陷指孔棱的整體外部缺陷，如裂縫、掛渣以及黏粉。微觀缺陷指的是孔棱的內(nèi)部孔隙缺陷。整體上，d=0.2 mm與d=0.4 mm組的最小傾斜角度的孔棱出現(xiàn)了裂縫，孔棱沒(méi)有充分搭接。另外，幾組小傾斜角度雖然完成了打印成形，但下方均存在較重的黏粉現(xiàn)象。這主要由于傾斜角度小，下方缺少支撐，熔池滲漏[11]。另外，對(duì)于細(xì)桿，由于桿本身的強(qiáng)度很小，因此容易在刮刀鋪粉過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)位。鑒于增材制造的技術(shù)原理，缺陷會(huì)一步步被放大，導(dǎo)致最后的孔棱錯(cuò)位明顯。從微觀角度來(lái)看，打印的細(xì)桿均或多或少存在缺陷，而直徑越小的桿孔隙缺陷往往更大，主要是由于細(xì)桿在熔道搭接處熔合不良。熔合不良的主要原因是粉末的補(bǔ)充不足。粉末在激光的作用下升溫并迅速熔化，熔池表面在此時(shí)會(huì)伴隨形成高壓蒸汽。高壓蒸汽會(huì)把周?chē)姆勰┐甸_(kāi)并遠(yuǎn)離熔池，進(jìn)而導(dǎo)致粉末供給不足的問(wèn)題。另外，對(duì)直徑較小的桿，小熔池被周?chē)勰┌鼑?，傳熱效果降低，加劇了不穩(wěn)定因素。熔池表面熱量集聚并發(fā)生凸起，粉末流動(dòng)困難，進(jìn)一步加重粉末供給不足的問(wèn)題，是尺寸越小缺陷越多的原因。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)不同水平直徑與傾斜角度的孔棱并利用最佳工藝參數(shù)進(jìn)行SLM打印，通過(guò)觀察形貌和測(cè)試細(xì)小孔棱的致密度指出孔棱幾何特征對(duì)其成形質(zhì)量的影響規(guī)律。

（1）致密度隨著孔棱直徑與傾斜角度的增大而增大，較大的孔棱直徑和傾斜角更容易打印成功，即特征桿直徑尺寸越大，傾斜角度越大，其致密度越高，成形質(zhì)量越好。

（2）隨著特征桿直徑尺寸的增加，成形極限傾斜角度隨之減小。小尺寸特征棱柱更容易導(dǎo)致缺陷形成，造成打印失敗。

（3）繪制細(xì)小孔棱直徑與傾斜角度的打印極限區(qū)分線，進(jìn)而區(qū)分出可成形區(qū)域與不可成形區(qū)域，可為多孔結(jié)構(gòu)幾何特征設(shè)計(jì)提供了一定的工藝可行性參考。