選區激光熔化成形質量研究

蘭　芳，梁艷娟，黃斌斌

（廣西工業職業技術學院機械工程系，廣西 南寧530001）

增材制造（AM），又稱3D打印，是以三維模型數據為基礎，通過軟件與數控系統將材料按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層疊加，制造出實體的技術[1]。選區激光熔化（selective laser melting，SLM）是一種運用分層制造逐層堆積理念的快速成形技術，利用金屬粉末直接制備出近全致密且性能優異的金屬零件[2]。SLM技術是目前最廣泛應用的金屬3D打印技術，在航空航天、汽車、模具、醫學等領域得到了應用。本文重點討論SLM成形件表面質量、尺寸精度的研究狀況，并展望了其發展趨勢。

1　選區激光熔化（SLM）技術原理及特點

選區激光熔化（SLM）技術是利用高能量的激光束，按照預訂的掃描路徑，掃描預先鋪覆好的金屬粉末將其完全熔化，在經冷卻凝固成形的一種技術[3]。其技術原理如圖1所示。

圖1　選區激光熔化技術原理圖

具體成形過程：①根據層厚進行分層切片處理，并選擇合適的掃描路徑等工藝參數，生成相應的數據文件導入設備中；②鋪粉裝置在成形缸的基板鋪上一層薄且均勻的金屬粉末；③激光束按當前層的數據信息選擇性地掃描熔化基板上的金屬粉末；④當前層掃描完成后，成形缸下降，粉料缸上升，鋪粉裝置在成形缸上再鋪上一層粉末，接著激光掃描下一層。如此循環往復，直至完成整個零件的成形。

選區激光熔化（SLM）技術的優點：

（1）成形精度較高，可直接制成終端金屬零件，后續不需或僅需要簡單的熱處理或表面處理。

（2）可以直接成形幾乎任意形狀的零件，特別是內部有復雜異型結構的復雜零件。

（3）SLM成形件力學性能優于同等材料的鑄造件。

（4）系統柔性高，成形零件與CAD模型直接關聯，可隨時修改，隨時制造。

（5）材料利用率高，成形時，金屬粉末被選擇性地融化，未被熔化的粉末能反復利用，粉末利用率高。

SLM技術的缺點：成形效率較低；成形尺寸比較小；成形成本高；不同材料成形工藝參數不同，為獲得金屬材料最優成形工藝參數，需要前期進行大量實驗，以獲得最優工藝窗口。

2　SLM技術成形質量研究現狀

SLM技術是工藝復雜的成形技術，成形質量受到諸多因素的影響，對成型效果具有重要影響的主要有六類：材料屬性、激光與光路系統、掃描特征、成型氛圍、成型幾何特征和設備因素[4]。研究人員主要從這六個方面開展研究。

2.1　SLM成形件表面質量研究

由于SLM技術是層層疊加堆積成形金屬零件的，目前其成形的金屬零件表面質量往往不如傳統精加工的表面質量。表面球化、飛濺、粉末粘附等都會影響成形表面質量，這些現象主要與成形過程中的粉末的能量攝入是否合適等有關，在成形過程中對掃描速度、激光功率、掃描策略、輔粉厚度等參數加以調控可以抑制甚至消除這些不良現象的產生，從而改善成形件表面質量。

能量密度等參數對SLM成形件表面質量的影響研究。趙曙明[5]研究了體能量密度對第一層表面粗糙度Ra的影響規律。研究結果表明，單層試驗表面粗糙度Ra隨著體能量密度的增大而呈減小趨勢，當能量密度大于60.92 J/mm3時第一層表面粗糙度Ra保持在4 μm以下，其中線間距對單層試驗表面粗糙度Ra影響最明顯，隨線間距的減小Ra值呈減小趨勢。閆岸如[6]等用SLM技術成形IN718鎳基超合金時，將零件分為心部與輪廓區，見圖2，兩個區域分別用不同的激光線輸入量進行掃描，研究其對表面質量的影響。結果表明：心部激光線輸入量變化對表面質量影響無明顯規律；輪廓激光線輸入量變化對表面質量影響明顯，輪廓激光線輸入量存在最優值，低于或超過該值，表面質量都會降低。

圖2　激光掃描路線

掃描策略對成形件表面粗糙度有明顯的影響。閆岸如等研究表明：“心部+后輪廓”掃描得到的表面質量明顯優于“先輪廓+后心部”和“先輪廓+心部+后輪廓”掃描的方式。采用“心部+后輪廓”的掃描方式，輪廓激光線輸入量為100 J/m時表面質量最優，粗糙度為3.1 μm[6]。吳根麗等研究表明島形掃描策略下成形懸垂面的表面粗糙度值都比Z形掃描策略的大[7]。Wang D等[8]研究發現在SLM成形時，掃描策略和成形方向對成形表面粗糙度有很大的影響，X軸方向和Y軸方向各不相同。楊永強等[9]研究了SLM成形金屬零件過程中的粉末粘附現象，分析粉末粘附現象對成形精度的影響機理，認為合適的掃描策略、薄的鋪粉厚度以及嚴格控制成形室內的含氧量，都可以有效弱化飛濺，減輕飛濺對成形面的表面粗糙度影響，并采用多重勾邊+內縮填充掃描策略，結合適合的掃描速度進行成形，獲得了Rz=26.9 μm的側壁表面粗糙度。麥淑珍等[10]以NiCr合金為對象，采用優化的工藝參數和S型正交層錯掃描策略成形縱、橫兩種柱面體模型，研究SLM成形曲面特征的成形表面質量。研究表明：曲面特征表面形貌的變化對表面粗糙度Ra值有較大影響，減少甚至避免懸垂曲面的條蟲狀、粒球狀等形貌，有利于降低曲面特征的表面粗糙度。

Strano G等[11]和余偉泳等[12]的研究結果都表明，隨著傾斜角度的增加，SLM成形件表面粗糙度呈先增大后減小規律。Strano G等在研究傾斜懸垂面表面質量基礎上，建立了SLM成形傾斜懸垂面的表面粗糙度計算模型。吳根麗等[7]研究指出：傾斜角度是影響懸垂面表面質量的關鍵因素，傾斜角度越小表面質量越差。認為傾斜角度較小時，懸垂面出現嚴重粉末黏結是懸垂面的表面粗糙度增大的原因。王迪等[13]認為傾斜面的表面粗糙度（Ra）理論上由傾斜角和切片厚度兩個因素決定，傾斜角越大，鋪粉厚度越小，傾斜面的表面粗糙度越小；成形傾斜零件時下側面的表面粗糙度比上側面差很多；激光表面重熔工藝，能改善表面粗糙度。他們把萬向節免組裝機構放置成45°，采用以上優化方法和相應優化參數順利成形出了該免組裝機構，其外表面 Ra=8.25 μm，間隙表面 Ra=12.47 μm.

2.2　SLM成形件尺寸精度的研究

尺寸精度是SLM成形質量另一個重要指標，研究人員從掃描速度、掃描策略等進行了研究。

張曉剛等[14]通過正交實驗，確定出影響 SLM銅粉成形件尺寸精度因素的主次順序為：掃描間距＞掃描速率＞激光功率＞掃描路徑。指出成形件尺寸絕對誤差隨激光功率的增大而增大，隨掃描速率、掃描間距的增大而減小；不同掃描路徑對尺寸絕對誤差的影響差別較小；并得出了體能量密度與尺寸絕對誤差的線性關系函數，認為小的體能量密度能獲得的尺寸絕對誤差較小。吳根麗[7]發現傾斜角度越小，懸垂面的邊緣線寬度誤差和成形角度誤差都越大，當傾斜角度大于40°時，島形掃描策略比Z形掃描策略能更明顯改善成形角度誤差，懸垂角度越大，島形掃描策略對成形角度和懸垂邊緣精度改善越大。楊雄文等[15]用SLM技術成形316L不銹鋼粉末制備薄板、尖角、圓柱體、圓孔、方孔等典型幾何，發現激光光斑約束、臺階效應、粉末粘附、激光深穿透等因素是影響零件尺寸精度的主要原因；成形方向不同，成形精度也不同，沿X軸擺放成形出的薄板精度和尖角精度都比沿Y軸擺放成形出的精度高。他們指出為獲等理想的精度，零件設計時，要避免厚度小于0.15 mm的薄板，直徑小于0.1 mm的圓柱體，直徑小于0.4 mm的平行于成形方向的圓孔，直徑小于0.5 mm的懸垂圓孔，邊長小于0.5 mm的懸垂方孔以及跨度大于3 mm的水平懸垂結構。徐仰立等[16]采用SLM技術成形Ti6Al4V合金薄壁和小孔，研究最小成形壁厚和孔徑及其成形誤差。發現實際制作的薄壁尺寸都比設計大而小孔都比設計的小，尺寸誤差與未融化粉末粘結有關。吳偉輝等[17]分析了粉末粘附、飛濺現象、翹曲變形現象對成形精度的影響機理。提出從掃描路徑規劃、薄的鋪粉層厚、含氧量控制及支撐設計等方面弱化這些現象對成形精度的影響，并用SLM技術成形出尺寸精度達±0.0 5 mm/10 mm的齒輪零件。

3　SLM技術成形質量研究趨勢

從上面的歸納分析可知，目前對SLM成形質量的研究主要專注在激光參數、掃描參數及幾何位置這幾個方面，隨著先進技術手段的不斷發展，SLM成形件質量的研究將會向廣深發展。

（1）SLM成形過程中，金屬熔池內部存在著強烈的物理、化學變化，在加工過程中熔池狀態直接影響著成形質量。Chu Lun Alex Leung等[18]采用同步加速器X射線成像來調查和量化缺陷和熔池動力學，揭示了激光熔融技術背后的物理學規律。因此尋求更先進的技術、方法，對熔池狀態進行監測，深入研究SLM成形冶金本質及機理，揭示孔隙及疏松、殘余應力及變形等缺陷的形成機制，為控制SLM成形質量和性能提供科學理論基礎。這將依然是研究的熱點之一。在此基礎上，進一步研究熔池實時監測并獲取熔池實時數據，進而根據熔池實時數據調控工藝參數來控制熔池達到實時最佳質量狀態，實現智能化控制SLM成形質量，達到成形件控形和控性的制造，將是研究的重要內容。

（2）用試驗試錯法改變工藝參數等來控制SLM成形質量效率低、成本高。采用計算機模擬仿真技術，模擬SLM成形工藝參數間的相互作用，揭示熔化、凝固行為等微觀物理機制，為工藝優化，質量控制提供科學依據，成為重要且有效的研究手段，多尺度多場耦合等的模擬仿真將是今后重要研究方向。

（3）重視金屬粉體對改善SLM成形質量的作用，深入定量研究粉體成分、粒度、球形度、松裝密度、流動性、含氧量等對成形質量的影響是SLM成形技術研究中值得關注的問題。

（4）在設計中考慮SLM成形技術特點，研究新的設計規范、設計軟件來實現零件的功能和成形質量最優等的研究也將會等到業界更廣泛的關注。

4　結束語

隨著研究的深入和技術的發展，SLM技術成形件的質量會更優，SLM技術的優勢會更加的凸顯，SLM技術將會得到更廣泛的工業應用。