選區激光熔化成型金屬零件上表面粗糙度的研究

劉睿誠，楊永強，王 迪

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州510640）

選區激光熔化成型金屬零件上表面粗糙度的研究

劉睿誠，楊永強*，王 迪

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州510640）

為了改善成型件表面質量，從微觀上研究了決定選區激光熔化成型金屬零件的上表面粗糙度的主要因素，通過研究單熔道成型，從熔道搭接的角度理論分析了成型件的上表面粗糙度，基于自主研發的成型設備Dimetal-280加工實體零件進行了實際測量對比，獲得表面粗糙度的輪廓算術平均偏差Ra的理論值為3.21μm，微觀不平度十點高度Rz的理論值為12.79μm，其實測值Ra=7.36μm，Rz=40.01μm；進行噴砂和電解拋光處理后，表面粗糙度減小，即Ra=2.34μm，Rz=10.86。結果表明，成型件的上表面粗糙度主要受熔道寬度、掃描間距和鋪粉層厚3個因素的共同影響；粗糙度實測值與理論值有偏差，主要是由于熔道不穩定、表面出現球化、粉末粘附等缺陷造成；成型件經過電化學處理后表面質量有較大的改善。選區激光熔化成型金屬零件可達到良好的表面粗糙度，此項研究為進一步提高表面質量和應用于生產加工提供了參考依據。

激光技術；選區激光熔化；理論分析與驗證；表面粗糙度；單熔道；電解拋光

引 言

選區激光熔化（selective laser melting，SLM）是一種基于激光熔化金屬粉末的快速成型技術，能直接制造具有冶金結合、組織致密、機械性能良好、高精度的金屬零件［1-2］。SLM技術采用快速成形的基本原理，即先采用計算機設計出零件的3維計算機輔助設計模型，然后通過專用軟件對3維模型進行切片分層，得到各截面的輪廓數據，導入快速成形設備，設備根據輪廓數據，控制激光束選擇性地熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成3維金屬零件［2］。

雖然同傳統制造技術相比，選區激光熔化技術有很多的優勢，但是成型件表面質量較差是該成型技術最大的缺陷。利用車、銑、刨、磨等傳統機械加工方法加工的零件表面粗糙度參量，輪廓的算術平均偏差Ra＜2.5μm，而SLM成型件的Ra一般在5μm～50μm之間［3］。較差的表面質量不僅會使成型件的強度、耐磨性和抗腐蝕性變差，還會影響成型件的配合性質和工作精度，極大地制約了SLM技術的推廣應用［4］。因此，優化成型工藝、提高成型件的表面粗糙度是快速成型領域急需解決的問題。

針對SLM成型件的表面粗糙度，國內外的研究學者已經針對提高成型件表面質量作了一些研究。江漢大學CHEN［5］、華中科技大學PENG［6］等人通過正交實驗，研究了SLM成型過程中各工藝參量對成型件表面粗糙度的影響。華南理工大學SUN［7］等人對SLM成型件進行了表面形貌分析，采用大間距層間錯開的掃描方式，獲得了表面質量較好的實體方塊。華南理工大學WANG［8］研究了不同的線能量輸入下成型的不同表面形態的成型件，并將其分為條蟲狀、過熔狀、粒球狀等6種典型表面形貌。MUMTAZ和HOPKINSON［4］采用脈沖激光器熔化鎳基合金粉末，研究了激光功率、掃描速率和搭接率等參量對成型件上表面和側表面粗糙度的影響，并獲得了較優的工藝參量組合。SONG［9］等人研究了工藝參量對SLM成型鈦合金件的微觀組織和機械性能的影響，獲得了激光功率和掃描速率對于表面粗糙度的影響關系。DADBAKHSH［10］等人研究了激光功率和掃描速率對于SLM成型鋁合金件的致密度、表面粗糙度和表面硬度的影響。BRINKSMEIER［11］等人研究了層定位、加工工藝和SLM成型件之間的關系，還證明了后續機加工處理對于提升成型件表面質量的作用。YASA［12-13］等人研究了激光表面重熔對成型件表面粗糙度改善的作用和影響，并提出了將SLM和表面重熔像結合的制造方法，制造出了高表面質量的成型件。KRUTH［14］等人將選區激光侵蝕和激光重熔處理應用在選區激光熔化過程中，研究了這些處理方法對于提升成型件表面質量的作用，并提出了一些改善表面粗糙度的掃描策略。

以上研究主要從宏觀角度針對改善成型件表面質量進行了工藝優化。本文中從激光熔化粉末形成熔道、熔道搭接形成面、面疊加形成體的微觀成型角度對表面粗糙度進行理論研究，并對理論研究結果進行實驗驗證。本研究能夠為改善SLM成型件表面粗糙度提供理論基礎。

1 實驗設備、材料與方法

1.1 實驗設備及實驗材料

實驗設備為自主研發的Dimetal-280 SLM快速成型設備，如圖1所示，其主要由光纖激光器、光路傳輸單元、密封成型室（包括鋪粉裝置）、控制系統、工藝軟件等幾個部分組成。系統最大優勢是使用英國SPI 200W波長1075nm摻鐿雙包層連續式光纖激光器；激光由掃描振鏡導向，然后通過f-Θ透鏡聚焦，掃描速率10mm/s～5000mm/s，加工層厚20μm～100μm，激光聚焦光斑直徑70μm。

Fig.1 SLM fabrication equipment Dimetal-280

粗糙度測量采用JB-8C型觸針式精密粗糙度儀，該粗糙度儀采用天然鉆石觸針，每評定段水平取樣達1600點，有效靈敏度高達0.001μm。可以測量包括Ra和微觀不平度十點高度Rz在內的20多項參量，直線度測量精度為0.4μm，操作簡單快捷。

實驗材料為氣霧化方法制得的500目球形316L不銹鋼粉末，其組成成分（質量分數w）為：C（0.0003），Cr（0.175），Ni（0.1206），Mo（0.0206），Si（0.0086），Mn（0.003），O（0.0009），Fe（其余）；粒度分布（質量分數w）為：小于15μm（0.50），小于30μm（0.90），平均粒徑是17.11μm；粉末的松裝密度是4.42g/cm3。

1.2 實驗方法及過程

（1）研究單熔道的成型原理。進行單熔道成型實驗，通過調整工藝參量獲得連續、光滑的單熔道，在掃描電鏡下觀察單熔道的形狀，分析激光能量輸入對單熔道寬度的影響。

（2）進行SLM成型件表面粗糙度理論研究，在平面坐標系中建立熔道搭接模型，得出表面粗糙度參量對應的表達式。選取特定工藝參量對應的熔道尺寸，計算出表面粗糙度的理論數值。作者計算了兩個最具代表性的表面粗糙度數值：輪廓的算術平均偏差R和微觀不平度十點高度。

a

（3）加工出相應工藝參量下的成型件，測量成型件表面粗糙度，驗證理論計算值；對結果進行討論，對比理論計算值和實測值，分析造成兩者差異的原因。最后，對SLM成型件進行電解拋光處理，測量其粗糙度，研究該處理對于提高表面質量的作用。

對成型件表面進行測量時，應該垂直于掃描線的方向測量其表面粗糙度，以使Ra或Rz值為最大。如果被測表面不能明顯地確定掃描線方向，則應該在幾個方向上進行測量，將測得的最大值作為該表面粗糙度的數值。其中取樣長度為0.8mm，評定長度為4mm，測量速率為0.32mm/s。

2 理論分析

2.1 單熔道成型原理及實驗

圖2為單道熔道成型截面示意圖，在SLM成型單道熔池過程中，通過基體將熔池分別上、下兩部分。在基體上方，由于粉末固體質點對液體質點的作用力小于液體質點之間的作用力，潤濕角傾向為鈍角，熔池的形狀傾向為圓形。

Fig.2 Cross-section diagram of singlemelting track

進行單熔道成型實驗，通過調整工藝參量，獲得連續、光滑的單道熔道，觀察熔道的形狀。研究發現，熔道的形態與單位時間內能量輸入ω（單位為J·cm-3）的大小最密切，ω可以通過下式獲得：

式中，P為激光功率，D為光斑直徑，v為掃描速率。

在單熔道實驗中，獲得圖3所示的兩類連續光滑的單熔道。

（1）當ω＞2.6×105J·cm-3時，特別是掃描速率很低而激光功率很高的情況下，獲得第1種熔道形態，如圖3a所示。第1種熔道形態規則而連續，熔道寬度為180μm，但是在熔道附近存在大范圍的無粉末區。

Fig.3 Two patterns of the continuous singlemelting tracks and the corresponding cross-sections

（2）當1.3×105J·cm-3＜ω＜2.6×105J· cm-3時，可獲得第2種熔道形態，如圖3b所示。第2種熔道形態仍然規則而連續，熔道寬度為120μm，熔道周圍粉末仍在原來的位置。

綜合考慮，第2種熔道形態更有利于成型表面質量好的SLM成型件。觀察第2種熔道橫截面的形態可以發現，基體上方熔道的形狀為圓形曲線，與單熔道成型原理分析結果相一致。

單道熔道的寬度在實際的成型過程中是重要的指標參照值，對零件的表面粗糙度有較大影響，同時也是進行SLM成型件表面粗糙度理論研究的依據。通過實驗研究了不同功率密度下，掃描速率對熔道寬度的影響。

圖4中總結了激光功率密度、掃描速率對熔道寬度的影響。從圖中可以看出，熔池寬度隨著激光功率密度的下降、掃描速率的增加而減小。

Fig.4 Relationship between scanning speed，melt poolwidth and laser power（layer thickness：35μm）

2.2 表面粗糙度理論計算

為了計算上表面的表面粗糙度理論值，需要做以下的假設：（1）基體上方熔道橫截形狀為圓形曲線；（2）每一條單熔道的形狀都相同；（3）熔道搭接時忽略重熔區的熱膨脹。

2.2.1 粗糙度輪廓曲線建模 圖5是單熔道在基體上方的橫截面熔道形態，其中熔道形狀是半徑為r的圓形曲線，熔道寬度為a，基體上方的熔道高度為d。從圖中可以算出r=a2/（8d）+d/2。

Fig.5 Singlemelting track’s patterns

將該單熔道的形狀曲線放入平面直角坐標系中進行建模，得到單熔道形狀方程如下所示：

圖6是不同的熔道之間的搭接圖，b為掃描間距，重熔區的深度為

Fig.6 Lapping diagram ofmelting tracks

圖7是成型件上表面的粗糙度曲線圖，將圖5和圖6在平面坐標系中向下平移h個單位，向左平移（a-b）/2個單位，即可得到當前的粗糙度曲線。

Fig.7 Profile of upper surface

表面粗糙度曲線是周期為b的周期函數，即f′（x+b）=f′（x），單個周期內的函數方程如下式所示：

2.2.2 表面粗糙度理論值計算 由于建模出來表面粗糙度曲線是周期性的曲線，故進行理論計算時，不需要考慮取樣長度和評定長度，只需要選取一個周期內的曲線進行計算即可。

（1）表面粗糙度輪廓的算術平均偏差Ra。Ra指在一個取樣長度內，輪廓上各點到最小二乘中線縱坐標絕對值的算術平均值［3］。

最后推出Ra的表達式：

（2）表面粗糙度輪廓的最大高度Rz。Rz指在一個取樣長度內，最大輪廓峰高和最大輪廓谷深之和［3］。推出Rz的表達式：

從（4）式和（5）式可以看出，Ra和Rz都是由變量a，b和d表示的式子，即成型件的上表面粗糙度理論上受到熔道寬度、掃描間距和鋪粉層厚3個因素的共同影響。而熔道寬度主要由激光功率和掃描速率控制，因此，為了改善成型件的表面粗糙度，應該綜合考慮激光功率、掃描速率、掃描間距和鋪粉層厚4個因素。

聯系對連續單熔道形態參量的測量值，這里取熔道寬度a=120μm，掃描間距b=80μm，鋪粉層厚（與熔道高度相等）d=35μm。將計算公式和參量值輸入到MATLAB中進行計算，得到表面粗糙度的理論計算值為：Ra=3.21μm，Rz=12.79μm。

3 實驗驗證和結果討論

3.1 實驗驗證

聯系圖4中掃描速率、激光功率密度與熔池寬度之間的關系，選用與第2.2節中粗糙度理論分析所對應的工藝參量（激光功率150W，掃描速率600mm/s，鋪粉厚度35μm，掃描間距80μm），用SLM成型機加工出10mm×10mm×10mm的小方塊，進行表面粗糙度測量。

加工出的SLM成型小方塊如圖8所示，表面質量較好，呈現規則細線狀。其成型件表面輪廓線如圖9所示。

Fig.8 Macroscopicsurfacemorphologyoffabricatingparts

Fig.9 Surfaceprofileoffabricatingparts

對該SLM成型件進行噴砂和電解拋光處理，處理之后表面質量有明顯的提升，如圖10所示，從處理后的成型件宏觀形貌可以看出，表面變得很光滑，原來的細線狀形貌消失了。

Fig.10 Macroscopicsurfacemorphologyaftershotblastingandelectrolyticpolishingtreatment

粗糙度測量值如表1所示。

Table1 Thetheoreticalvalueandthemeasuredvalueofsurfaceroughnesscomparison

3.2 結果討論

將表1中的表面粗糙度統計結果進行對比，可以發現實測值要比理論值大，實測值大概是理論值的兩倍。

造成成型件表面粗糙度理論值和實測值有差異的原因是：（1）SLM成型是一個復雜多變的過程，進行粗糙度理論分析時，不可能完全模擬出成型過程中的單熔道形態和熔道搭接，只能做出較為接近實際過程的理想化假設；理論計算時假設熔道形狀為規則的圓形曲線，而實際加工過程中，熔池是不穩定的，熔道兩側會出現細微的小球（如圖11所示）；理論計算時忽略了重熔區的熱影響，而實際加工過程中，重熔區會存在熱膨脹，從而影響理論計算的精度；（2）從成型件的表面微觀放大圖11可以看出，熔道的搭接區域表面質量較差，熔道兩側有小球和凸起，這是粘附在熔道表面未能完全融化的粉末顆粒，這些缺陷影響了后一熔道的質量，使得后續熔道出現不連續，球化，熔道表面呈現起伏狀；（3）SLM實際加工過程中會存在球化和翹曲等缺陷，這些缺陷會隨著加工層數的增加而累積，使得成型件的表面粗糙度隨著加工層數的增加而不斷惡化。

Fig.11 EnlargeddiagramofSLMpart’ssurface

Fig.12 Surfaceprofileaftershotblastingandelectrolyticpolishing treatment

從表1還可以看出，成型件經過噴砂和電解拋光處理之后，粗糙度極大地降低。對比圖9和圖12可以看出，經過噴砂和電解拋光處理之后，成型件表面輪廓更加平滑，輪廓單元里的峰高和峰谷距離減小，輪廓也更規則。處理之后，Ra，Rz分別減小了71.43％，72.85％。

噴砂和電解拋光處理后的成型件Ra= 2.34μm，表面質量可以達到普通機加工的表面質量水平。從中也可以看出，SLM成型件表面質量有很大的提升空間，優化的工藝參量和合理和后處理步驟都能大幅度改善其表面質量，降低表面粗糙度，使其能夠應用在工業、航空和醫學等場合。

4 結 論

（1）當單位時間內激光能量輸入ω＞1.3×105J· cm-3時，可以獲得連續光滑的單熔道，熔道橫截面形狀為圓形曲線。單熔道的寬度在120μm到180μm之間，隨著激光功率密度的下降、掃描速率的增加而減小。

（2）成型件的上表面粗糙度理論上受到熔道寬度、掃描間距和鋪粉層厚3個因素的共同影響。取熔道寬度120μm，掃描間距80μm，鋪粉層厚35μm，計算出粗糙度理論數值為：Ra=3.21μm，Rz= 12.79μm。

（3）對應參量下加工出的成型件粗糙度實測值為：Ra=7.36μm，Rz=40.01μm。實測值大概是理論值的兩倍。理論計算所做的假設與實際過程有偏差、熔道不穩定、表面會出現球化、粉末粘附缺陷等是造成實測值與理論值偏差的主要原因。

（4）SLM成型件經過噴砂和電解拋光處理后，Ra=2.34μm，Rz=10.86μm，表面質量有較大的改善。

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Research of upper surface roughness ofmetal parts fabricated by selective laser melting

LIU Rui-cheng，YANG Yong-qiang，WANG Di
（School of Mechanical＆Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

In order to provide the theory basis to improve the surface quality，the main factors affecting the upper surface roughness ofmetal parts fabricated by selective laser melting（SLM）were studied.By studying the single track melting，the upper surface roughness of SLM parts was analyzed from the view ofmelting track lapping.Themetal parts were fabricated by using the self-developed fabrication equipment Dimetal-280 and themeasure roughness parameters were compared with the theoretical value.The theoretical value of arithmeticalmean deviation of the profile Rawas3.21μm and the theoretical value of ten-point height of irregulartlies Rzwas 12.79μm.The actual value was Ra=7.36μm and Rz= 40.01μm.After electrochemical polishing，the surface roughness was reduced to Ra=2.34μm and Rz=10.86μm.The results prove that upper surface roughness of themetal partwas influenced bymelting track width，scanning space and layer thickness altogether.The reason of the discrepancy between theoretical value and actual value was some defects such as instability in melting track，spheroidization on the surface and dust adhesiveness.The quality of surface roughness was greatly improved after electrochemical polishing.Themetal parts processed by selective lasermelting could obtain satisfied surface roughness in this experiment.The results provide guidance to surface research and industrial application in the future.

laser technique；selective lasermelting；theoretical analysis and verification；surface roughness；single track；electrochemical polishing

TG665

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.003

1001-3806（2013）04-0425-06

國家自然科學基金資助項目（51275179）；廣東省自然科學基金資助項目（S2012040007516）；中央高校基本科研業務費資助項目（2012ZB0014）

劉睿誠（1989-），男，碩士研究生，研究方向為激光加工及先進材料成型技術。

*通訊聯系人。E-mail：meyqyang＠scut.edu.cn

2012-11-13；

2012-11-20