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摘 要： 摘要 針對激光選區(qū)熔化(SLM)工藝參數(shù)的匹配性對成形質(zhì)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(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別反映在不同工藝參數(shù)序列下激光功率變化時(shí)對熔池形貌及殘余應(yīng)力的影響。通過多組工藝序列的測試統(tǒng)計(jì)值發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率增大
摘要 針對激光選區(qū)熔化(SLM)工藝參數(shù)的匹配性對成形質(zhì)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(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別反映在不同工藝參數(shù)序列下激光功率變化時(shí)對熔池形貌及殘余應(yīng)力的影響。通過多組工藝序列的測試統(tǒng)計(jì)值發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率增大，激光熔池幾何尺寸變大，其殘余應(yīng)力也越大。其主要原因是上述參數(shù)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(dǎo)致成形件熔融時(shí)晶面夾角及晶界間距較大，從而產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，對應(yīng)的成形件冷卻凝固后殘余應(yīng)力過大。所以實(shí)際應(yīng)用中，通過合理設(shè)計(jì)匹配的工藝參數(shù)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(yīng)力，進(jìn)而減小殘余應(yīng)力值，得到較好的 SLM 工藝成形質(zhì)量。
關(guān)鍵詞 激光選區(qū)熔化;工藝參數(shù);熔池形貌;殘余應(yīng)力
1 引 言
金屬激光選區(qū)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(dú)特的成形理念與優(yōu)勢，近幾年在單件小批量難加工零件中有越來越廣泛的應(yīng)用需求[2,3]。但 SLM 工藝參數(shù)對產(chǎn)品性能具有直接的影響，尤其是工藝參數(shù)之間的匹配要求比較高，否則會(huì)引起性能差異，如微觀結(jié)構(gòu)、致密度、力學(xué)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(dǎo)致成形件質(zhì)量降低或成形失敗。所以目前 SLM 應(yīng)用中工藝匹配選擇困難，很多生產(chǎn)應(yīng)用中需要多次調(diào)配試驗(yàn)參數(shù)，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(xiàn)[9]指出影響產(chǎn)品性能的工藝參數(shù)有 130 多個(gè)，但最主要的影響參數(shù)有激光功率、掃描速度、層厚、激光吸收率、搭接率 5 個(gè)。研究發(fā)現(xiàn)，這些工藝參數(shù)不匹配首先會(huì)形成不均衡的溫度場，然后產(chǎn)生較大溫度梯度而引起較大熱應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力，對應(yīng)成形冷卻凝固后即為殘余應(yīng)力，這是一般成形缺陷的主要起因。目前對相關(guān)工藝參數(shù)選擇及其對應(yīng)的基本力學(xué)性能研究已有較多報(bào)道，但工藝參數(shù)對應(yīng)的凝固熔池狀態(tài)及其對應(yīng)的熱應(yīng)力規(guī)律仍然不明朗。
國內(nèi)學(xué)者陳光霞等[10,2009]實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究了 316L 粉末性能對成形性的影響，驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(zhuǎn)變向加工的試樣組織更細(xì)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(shù)對 TC4 合金粉末的 SLM 成形件的質(zhì)量、微觀組織及力學(xué)性能的影響，實(shí)驗(yàn)得到較優(yōu)的一組工藝參數(shù)。
國外學(xué)者多數(shù)也是通過實(shí)驗(yàn)研究 SLM 工藝參數(shù)的選擇，同時(shí)對于工藝參數(shù)下的熱應(yīng)力仿真開始嘗試。 Wu et al.[15,2014] 實(shí)驗(yàn)研究了 316 L 不銹鋼棋盤式掃描孤島面積對殘余應(yīng)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(yīng)力越大。Liu et al.[16,2016] 通過實(shí)驗(yàn)研究了 SLM 成形組織和殘余應(yīng)力。結(jié)果表明，相同功率下掃描速度越慢，殘余應(yīng)力越大，掃描軌跡越長，殘余應(yīng)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(yīng)力，與激光粉末沉積冷卻速率有關(guān)，時(shí)間越長殘余應(yīng)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(yīng)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(yù)熱對應(yīng)力的影響，并得到基板預(yù)熱可大幅降低 SLM 殘余應(yīng)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(jìn)行了數(shù)值模擬。并通過 XRD 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了三種模式的殘余應(yīng)力，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，盡管存在較大的誤差，但仿真可以提供初步的預(yù)測。
由此可見，工藝參數(shù)的研究從單一參數(shù)分析，發(fā)展到向多參數(shù)混合分析，殘余應(yīng)力分析也從實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合到仿真方法。但目前實(shí)驗(yàn)研究工藝參數(shù)對成形件的應(yīng)力影響，沒有系統(tǒng)的給出各參數(shù)的影響規(guī)律，只是單一的考慮了某一種因素，或者多個(gè)參數(shù)混合在一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的是較為有限的幾組工藝參數(shù)的籠統(tǒng)分析，所以對各個(gè)工藝參數(shù)的相關(guān)性影響缺乏系統(tǒng)規(guī)律，只能從有限的實(shí)驗(yàn)方案下選擇較優(yōu)的一組工藝參數(shù)，不能清楚的分析其各個(gè)參數(shù)分別對性能影響的作用關(guān)系。而有限元仿真限于目前的仿真模型網(wǎng)格粗大，仿真模型的層道數(shù)有限，一方面很難進(jìn)行多工藝參數(shù)的匹配仿真，另一方面仿真試樣計(jì)算精度低也不能較為準(zhǔn)確的反應(yīng)工藝參數(shù)的實(shí)際熱力作用影響。
基于此，本文首先通過分組實(shí)驗(yàn)方案，對 SLM 成形的關(guān)鍵工藝參數(shù)激光功率在不同掃描速度、掃描方式下，進(jìn)行了對應(yīng)工藝參數(shù)的 SLM 試樣制備。并分別對三類功率參數(shù)的多個(gè)試樣按梯度進(jìn)行多層 XRD 殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測量，對其熔池形貌及激光功率的溫度場模型進(jìn)行了理論分析，從而為實(shí)際生產(chǎn)提供理論借鑒。
2 實(shí)驗(yàn)方法
2.1 成形方式及工藝參數(shù)
試樣制備采用 SLM 成形設(shè)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(shù)如表 1 所示，其三類激光功率參數(shù)分別搭配不同的工藝掃描速度、掃描方式，以使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有普適性，共組合有六組可變參數(shù)的工藝方案。其他參數(shù)設(shè)置為：層厚統(tǒng)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(xù)測量結(jié)果的可靠性，每一組參數(shù)的試樣分別有三個(gè)，如編號(hào)為 21，22，23 工藝參數(shù)相同。每組參數(shù)下的試樣有兩種結(jié)構(gòu)方式，其中兩個(gè)試樣為 6×4×2(mm)和一個(gè)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(xué)顯微鏡，對其成形截面進(jìn)行熔池形貌采集(圖 3 中 XOZ 平面)。應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)采用 XSTRESS3000 X 射線殘余應(yīng)力分析儀，Mn 靶。為了保證試樣成形后殘余應(yīng)力不受影響，并且對成形后熱應(yīng)力反應(yīng)的一致性，試樣在基板上成形后直接測試，避免了應(yīng)力的釋放與變化。如圖 4 所示測試平臺(tái)，測試偏轉(zhuǎn)角從 20º-160º。采用飽和鹽水自動(dòng)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(gè)試樣從上表面向下共計(jì)七個(gè)測點(diǎn)。其測試方法及坐標(biāo)方向標(biāo)記如圖 3 中所標(biāo)記，每個(gè)試樣在中心位置進(jìn)行測試，反復(fù)測試 3 次取平均值作為當(dāng)前層的殘余應(yīng)力值。因同一測點(diǎn)其 0º(X 向)與 90º(Y 向)有近似的規(guī)律[16]，所以本文多點(diǎn)剝層測試值主要對 0º 方向應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析討論
成形后的試樣，每組有三個(gè)試樣，線切割取下其中一個(gè)進(jìn)行了熔池形貌觀察(編號(hào)為 11,21，……A1)，其他兩個(gè)方塊試樣在基板上直接進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，其測試結(jié)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(shù)的試樣的截面方向的熔池形貌圖 5 可見，宏觀上各參數(shù)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(jù)不同激光功率值的分組，1 號(hào)與 5 號(hào)對比， 2 號(hào)與 4 號(hào)對比， 3 號(hào)與 6 號(hào)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(shí)，由實(shí)驗(yàn)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(shè)置的掃描間距的激光搭接率已經(jīng)隨熔池直徑大小發(fā)生了改變，功率變大，熔池的直徑變大后，其激光搭接率相應(yīng)變大。
3.2 激光功率對殘余應(yīng)力的影響
對于相關(guān)激光功率下的殘余應(yīng)力比較，也取這三對參數(shù)：分別對應(yīng)表 1 中 1 號(hào)與 5 號(hào)對比，2 號(hào)與 4 號(hào)對比，3 號(hào)與 6 號(hào)對比，其按剝層高度對應(yīng)的測試結(jié)果分別對比統(tǒng)計(jì)如圖 6(a)(b)(c)所示。曲線圖中 X 坐標(biāo)為從表面層 2.0 高度位置向里間隔 0.1mm，共計(jì)七個(gè)測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)于圖中。Y 坐標(biāo)反映當(dāng)前測量層殘余應(yīng)力的測量平均值曲線(每個(gè)層取 3 個(gè)測點(diǎn)測量，見圖 3 中標(biāo)記。取平均值作為當(dāng)前層的殘余應(yīng)力值)。
從圖 6 的比較結(jié)果可見，三對對比參數(shù)，同時(shí)考慮了三次測量值的平均值及其上下偏差統(tǒng)計(jì)，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(yīng)力 7 層測試點(diǎn)的值均大于試樣 1(160W)各點(diǎn)的值。進(jìn)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(yīng)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(yīng)力各層的測值均大于試樣 3(200W)的值。由此可以得到一個(gè)一般性規(guī)律，在其他工藝參數(shù)相同的條件下，較大的激光功率產(chǎn)生的 SLM 成形殘余應(yīng)力越大。從其三組功率對比的殘余應(yīng)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(yīng)的殘余應(yīng)力相應(yīng)較大。
3.3 激光功率影響的熱力學(xué)分析
將六組參數(shù)對應(yīng)的熔池幾何尺寸與平均殘余應(yīng)力對比統(tǒng)計(jì)如表 2，可見，不同激光功率在不同的參數(shù)方式下都有相近的變化規(guī)律，這充分證明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性。
4 結(jié)論
通過三類 SLM 工藝激光功率的制備及測試實(shí)驗(yàn)，對六組工藝參數(shù)對應(yīng)的熔池形貌與殘余應(yīng)力的影響規(guī)律進(jìn)行了分析。為了保存應(yīng)力的完準(zhǔn)性，試樣在基板上直接進(jìn)行自動(dòng)腐蝕剝層的殘余應(yīng)力 XRD 測試，結(jié)合顯微圖像的熔池尺寸分析，對 SLM 主要工藝參數(shù)的影響進(jìn)行對比分析，主要結(jié)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(shí)際搭接率。
2 殘余應(yīng)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(dǎo)致，激光功率大則對應(yīng)的試樣殘余應(yīng)力大。殘余應(yīng)力通過合理工藝參數(shù)匹配可以有效減小，實(shí)際 SLM 成形中根據(jù)粉末材料屬性，以達(dá)到熔池性狀參數(shù)為參照進(jìn)行合理工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。
3 在滿足材料屬性的熔池條件下，SLM 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)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(shù)相互匹配達(dá)到材料的熔池溫度梯度合理，就不至引起應(yīng)力過大成形缺陷，也不至引起熔融不透、組織球化等現(xiàn)象。——論文作者：邊培瑩 1*，尹恩懷 2