發布時間：2022-01-08所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要 針對激光選區熔化(SLM)工藝參數的匹配性對成形質量的影響，對激光功率在不同掃描速度、不同掃描方式下選六組工藝參數進行實驗設計，分別反映在不同工藝參數序列下激光功率變化時對熔池形貌及殘余應力的影響。通過多組工藝序列的測試統計值發現，隨著激光功率增大
摘要 針對激光選區熔化(SLM)工藝參數的匹配性對成形質量的影響，對激光功率在不同掃描速度、不同掃描方式下選六組工藝參數進行實驗設計，分別反映在不同工藝參數序列下激光功率變化時對熔池形貌及殘余應力的影響。通過多組工藝序列的測試統計值發現，隨著激光功率增大，激光熔池幾何尺寸變大，其殘余應力也越大。其主要原因是上述參數序列情況下，激光功率大，熱流密度增大，相同層厚與截面下，溫度梯度增大，熔池溫度增高、熔池尺寸增大，這導致成形件熔融時晶面夾角及晶界間距較大，從而產生較大熱應力，對應的成形件冷卻凝固后殘余應力過大。所以實際應用中，通過合理設計匹配的工藝參數可以得到較好的熔池幾何即較好的溫度梯度分布，從而減小熱應力，進而減小殘余應力值，得到較好的 SLM 工藝成形質量。
關鍵詞 激光選區熔化;工藝參數;熔池形貌;殘余應力
1 引 言
金屬激光選區熔化(Selective laser melting, SLM)通過激光逐層熔化粉末立體成形[1]，由于其獨特的成形理念與優勢，近幾年在單件小批量難加工零件中有越來越廣泛的應用需求[2,3]。但 SLM 工藝參數對產品性能具有直接的影響，尤其是工藝參數之間的匹配要求比較高，否則會引起性能差異，如微觀結構、致密度、力學性能、甚至形成制造缺陷如氣隙[4]、翹曲[5]、裂紋[6]、幾何誤差[7-8]等，導致成形件質量降低或成形失敗。所以目前 SLM 應用中工藝匹配選擇困難，很多生產應用中需要多次調配試驗參數，甚至難以匹配到合適的工藝序列而放棄該制造工藝成形零件。文獻[9]指出影響產品性能的工藝參數有 130 多個，但最主要的影響參數有激光功率、掃描速度、層厚、激光吸收率、搭接率 5 個。研究發現，這些工藝參數不匹配首先會形成不均衡的溫度場，然后產生較大溫度梯度而引起較大熱應力或內應力，對應成形冷卻凝固后即為殘余應力，這是一般成形缺陷的主要起因。目前對相關工藝參數選擇及其對應的基本力學性能研究已有較多報道，但工藝參數對應的凝固熔池狀態及其對應的熱應力規律仍然不明朗。
國內學者陳光霞等[10,2009]實驗分析了激光功率、掃描速度、搭接率對 SLM 成型件表面粗糙度的影響，得到搭接率對其影響最大，在 30%左右表面粗糙度值最小。王黎[11,2012] 通過實驗研究了 316L 粉末性能對成形性的影響，驗證了混合粉末、粒徑小的 SLM 成形性更好。王沛[12,2016]對 SLM 316L 不銹鋼組織進行了研究，隨著激光功率的逐漸增大，孔洞缺陷和裂紋都明顯減少，致密度逐漸提高。但隨著掃描速度和掃描間距的逐漸增大，孔洞及裂紋缺陷開始增多，致密度逐漸降低。閆程程[13,2018]通過實驗驗證 316L 不銹鋼 SLM 工藝的激光功率、搭接率、掃描方式的選擇，在激光功率增大，搭接率 30%，且掃描方式跳轉變向加工的試樣組織更細密。黃建國[14,2018] 研究了激光功率、掃描速度和掃描間距等工藝參數對 TC4 合金粉末的 SLM 成形件的質量、微觀組織及力學性能的影響，實驗得到較優的一組工藝參數。
國外學者多數也是通過實驗研究 SLM 工藝參數的選擇，同時對于工藝參數下的熱應力仿真開始嘗試。 Wu et al.[15,2014] 實驗研究了 316 L 不銹鋼棋盤式掃描孤島面積對殘余應力的影響，并且比較了不同功率和掃描速度的影響，得到面積越大應力越大。Liu et al.[16,2016] 通過實驗研究了 SLM 成形組織和殘余應力。結果表明，相同功率下掃描速度越慢，殘余應力越大，掃描軌跡越長，殘余應力越大等。Yan et al. [17,2017] 研究了 H13 成形后具有較高的壓縮殘余應力，與激光粉末沉積冷卻速率有關，時間越長殘余應力越大。Zaeh et al. [18,2010]仿真了一道十層的試樣，四種掃描策略對溫度場和殘余應力的影響。Vastola et al.[19,2016]通過 FEM 仿真獲得了光束尺寸，粉末密度，基板預熱對應力的影響，并得到基板預熱可大幅降低 SLM 殘余應力，仿真模型為 2×1.5×0.65mm，一道掃描軌跡。Somashekara et al. [20,2017]采用有限元 APDL 語言對三種不同填充方式的一層三道雙絲焊接進行了數值模擬。并通過 XRD 實驗驗證了三種模式的殘余應力，并與仿真結果進行了比較，盡管存在較大的誤差，但仿真可以提供初步的預測。
由此可見，工藝參數的研究從單一參數分析，發展到向多參數混合分析，殘余應力分析也從實驗研究結合到仿真方法。但目前實驗研究工藝參數對成形件的應力影響，沒有系統的給出各參數的影響規律，只是單一的考慮了某一種因素，或者多個參數混合在一起進行實驗，得到的是較為有限的幾組工藝參數的籠統分析，所以對各個工藝參數的相關性影響缺乏系統規律，只能從有限的實驗方案下選擇較優的一組工藝參數，不能清楚的分析其各個參數分別對性能影響的作用關系。而有限元仿真限于目前的仿真模型網格粗大，仿真模型的層道數有限，一方面很難進行多工藝參數的匹配仿真，另一方面仿真試樣計算精度低也不能較為準確的反應工藝參數的實際熱力作用影響。
基于此，本文首先通過分組實驗方案，對 SLM 成形的關鍵工藝參數激光功率在不同掃描速度、掃描方式下，進行了對應工藝參數的 SLM 試樣制備。并分別對三類功率參數的多個試樣按梯度進行多層 XRD 殘余應力實驗測量，對其熔池形貌及激光功率的溫度場模型進行了理論分析，從而為實際生產提供理論借鑒。
2 實驗方法
2.1 成形方式及工藝參數
試樣制備采用 SLM 成形設備 SLM 280，316L 不銹鋼粉末，其粉末顆粒如圖 1 所示，顆粒度約為 20-50 μm，其 SLM 成形主要工藝參數如表 1 所示，其三類激光功率參數分別搭配不同的工藝掃描速度、掃描方式，以使實驗結果具有普適性，共組合有六組可變參數的工藝方案。其他參數設置為：層厚統一為 50μm，激光搭接率 20%，光斑直徑 0.1mm，激光吸收率 0.7，基板初始溫度為室溫。其成形后的試樣連同基板如圖 2 所示，為了保證后續測量結果的可靠性，每一組參數的試樣分別有三個，如編號為 21，22，23 工藝參數相同。每組參數下的試樣有兩種結構方式，其中兩個試樣為 6×4×2(mm)和一個試樣為 Ф5×2(mm)。
2.2 測試方法
試樣的微觀形貌測試采用 HIROX KH-1300 3D 光學顯微鏡，對其成形截面進行熔池形貌采集(圖 3 中 XOZ 平面)。應力測試實驗采用 XSTRESS3000 X 射線殘余應力分析儀，Mn 靶。為了保證試樣成形后殘余應力不受影響，并且對成形后熱應力反應的一致性，試樣在基板上成形后直接測試，避免了應力的釋放與變化。如圖 4 所示測試平臺，測試偏轉角從 20º-160º。采用飽和鹽水自動腐蝕方法，試樣分別從表面向下剝層測試(圖 3 中 XOY 平面)，每間隔層厚 0.1mm 剝離一層，共六層，即每個試樣從上表面向下共計七個測點。其測試方法及坐標方向標記如圖 3 中所標記，每個試樣在中心位置進行測試，反復測試 3 次取平均值作為當前層的殘余應力值。因同一測點其 0º(X 向)與 90º(Y 向)有近似的規律[16]，所以本文多點剝層測試值主要對 0º 方向應力進行統計。
3 實驗結果及其分析討論
成形后的試樣，每組有三個試樣，線切割取下其中一個進行了熔池形貌觀察(編號為 11,21，……A1)，其他兩個方塊試樣在基板上直接進行殘余應力測試，其測試結果及其影響程度分別分析如下。
3.1 激光功率對凝固熔池的影響
通過對六組參數的試樣的截面方向的熔池形貌圖 5 可見，宏觀上各參數試樣的熔池都為隨著逐層成形過程而累積的魚鱗狀分布，但其熔池幾何大小差異比較明顯。根據不同激光功率值的分組，1 號與 5 號對比， 2 號與 4 號對比， 3 號與 6 號對比，以圖 5(a)試樣 1 和圖 5(e)試樣 5 為例，在相同的掃描速度和掃描方式下，其試樣 1(160W)熔池直徑尺寸約為 100um，試樣 5(200W)的熔池直徑尺寸約為 180um，且從整幅圖片來看，試樣 5 的熔池幾何明顯大于試樣 1 的熔池大小。同時，由實驗采集的圖 5(b)和(d)、(c)和(f)的對比，也可以明顯得到，功率大的試樣熔池幾何在兩組掃描速度、兩組掃描方式下都大于小功率試樣，即三類試樣綜合對比，熔池直徑 R240W>R200W>R160W。此外，隨著熔池直徑的增大，按照原設置的掃描間距的激光搭接率已經隨熔池直徑大小發生了改變，功率變大，熔池的直徑變大后，其激光搭接率相應變大。
3.2 激光功率對殘余應力的影響
對于相關激光功率下的殘余應力比較，也取這三對參數：分別對應表 1 中 1 號與 5 號對比，2 號與 4 號對比，3 號與 6 號對比，其按剝層高度對應的測試結果分別對比統計如圖 6(a)(b)(c)所示。曲線圖中 X 坐標為從表面層 2.0 高度位置向里間隔 0.1mm，共計七個測點統計于圖中。Y 坐標反映當前測量層殘余應力的測量平均值曲線(每個層取 3 個測點測量，見圖 3 中標記。取平均值作為當前層的殘余應力值)。
從圖 6 的比較結果可見，三對對比參數，同時考慮了三次測量值的平均值及其上下偏差統計，圖 6(a)試樣 1 和試樣 5 具有相同的速度 V=600mm/s，棋盤式掃描路徑，功率分別為 160W 和 200W，其試樣 5(200W)殘余應力 7 層測試點的值均大于試樣 1(160W)各點的值。進一步由圖 6(b)可見，在相同的速度 V=600mm/s 和相同的條紋式掃描方式下，其試樣 4(200W)殘余應力各層的測值均大于試樣 2(160W)的值。還有圖 6 (c)，在相同的速度 v=800mm/s 和相同的條紋掃描方式下，其試樣 6(240W)殘余應力各層的測值均大于試樣 3(200W)的值。由此可以得到一個一般性規律，在其他工藝參數相同的條件下，較大的激光功率產生的 SLM 成形殘余應力越大。從其三組功率對比的殘余應力各試樣的多層平均值箱線圖 7 可見，三類試樣綜合比較下，功率越大，對應的殘余應力相應較大。
3.3 激光功率影響的熱力學分析
將六組參數對應的熔池幾何尺寸與平均殘余應力對比統計如表 2，可見，不同激光功率在不同的參數方式下都有相近的變化規律，這充分證明了實驗結果的一致性。
4 結論
通過三類 SLM 工藝激光功率的制備及測試實驗，對六組工藝參數對應的熔池形貌與殘余應力的影響規律進行了分析。為了保存應力的完準性，試樣在基板上直接進行自動腐蝕剝層的殘余應力 XRD 測試，結合顯微圖像的熔池尺寸分析，對 SLM 主要工藝參數的影響進行對比分析，主要結論有：
1 激光功率越大，熱流密度增大，單位體積的溫度梯度增加，溫度較高，形成熔池形貌尺寸較大，并影響了熔池的實際搭接率。
2 殘余應力是由于熔池溫度和熔池大小等熔池性狀的過大溫度梯度導致，激光功率大則對應的試樣殘余應力大。殘余應力通過合理工藝參數匹配可以有效減小，實際 SLM 成形中根據粉末材料屬性，以達到熔池性狀參數為參照進行合理工藝參數設計。
3 在滿足材料屬性的熔池條件下，SLM 工藝參數設計盡可能選擇較低的激光功率，提高掃描速度，縮短掃描軌跡，只要參數相互匹配達到材料的熔池溫度梯度合理，就不至引起應力過大成形缺陷，也不至引起熔融不透、組織球化等現象。——論文作者：邊培瑩 1*，尹恩懷 2
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