多激光SLM成形件表面粗糙度研究

李忠華,蒯澤宙,劉 斌，李保強(qiáng)，聶云飛，劉永姜，蘇紅文

(1.中北大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 太原 030051； 2.中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 太原 030051；3.山西玉華再制造科技有限公司，山西 長治 046000)

選區(qū)激光熔化技術(shù)(Selective Laser Melting,SLM)出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代后期[1]，是一種基于粉末床的金屬增材制造(AM)技術(shù)，能夠直接根據(jù)三維計(jì)算機(jī)模型制造零件。SLM技術(shù)具有可成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)，且SLM成形零件致密度高，機(jī)械性能良好[2-4]，被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、汽車、模具等領(lǐng)域[5-6]，在兵器領(lǐng)域也用于武器裝備受損部件的維修以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)[7]。

但目前的SLM設(shè)備大多只有一套激光器和掃描振鏡，導(dǎo)致了其成形效率低(5～25 cm/h)，成形尺寸受限。多激光選區(qū)熔化技術(shù)可以有效解決以上缺點(diǎn)，因而得到企業(yè)及科研院所的高度關(guān)注[8]。多激光SLM設(shè)備成形時(shí)，每個(gè)激光器負(fù)責(zé)加工不同的區(qū)域，分區(qū)后同時(shí)進(jìn)行加工。

針對多激光SLM技術(shù)的應(yīng)用，國內(nèi)外的研究學(xué)者對其進(jìn)行了研究。華中科技大學(xué)光電國家實(shí)驗(yàn)室王澤敏、曾曉雁等[9]利用其實(shí)驗(yàn)室自行開發(fā)的四激光束選區(qū)激光熔化(SLM)設(shè)備，研究了四激光成形Ti6Al4V搭接區(qū)與孤立區(qū)顯微組織和力學(xué)性能。結(jié)果顯示，搭接區(qū)域的臺階現(xiàn)象可通過隔層旋轉(zhuǎn)掃描消除。搭接區(qū)的顯微組織和力學(xué)性能沒有明顯的變化。多激光SLM成形大尺寸Ti6Al4V零件具有可行性。Andreas Wiesner等[10]利用SLM 500HL多激光設(shè)備制造尺寸為494 mm×210 mm×143 mm的大型氣缸蓋。成形時(shí)間由雙激光的170 h降低至四激光的85 h。

雖然國內(nèi)外在多激光加工設(shè)備和SLM表面粗糙度都有研究，但是，對多激光SLM成形試樣的表面粗糙度的研究似乎還沒有報(bào)道，因此，本文通過單激光選區(qū)熔化設(shè)備模擬多激光SLM成形過程，對雙激光、四激光搭接區(qū)域與單激光成形區(qū)域粗糙度進(jìn)行研究(如圖1所示)。研究成果可為多激光SLM技術(shù)在大型金屬零部件領(lǐng)域應(yīng)用提供理論及技術(shù)支持。

圖1 激光搭接區(qū)示意圖

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)所采用的金屬粉末分別為AlSi10Mg粉末與CoCrMo粉末。AlSi10Mg粉末化學(xué)元素組成如表1所示，粉末合金中Al元素為基體材料，主要合金元素為Si。粉末為氣霧化方式制備，呈球形，其粒徑分布主要在15～60 μm，平均粒徑為45 μm，符合正態(tài)分布，具有良好的流動(dòng)性，其粉末電鏡掃描(SEM)形貌圖如圖2(a)所示。

CoCrMo粉末，其化學(xué)元素組成如表2所示。粉末氣霧化方式制備，呈球形。其粉末掃描電鏡(SEM)形貌圖如圖2(b)所示。

表1 AlSi10Mg合金粉末的化學(xué)元素組成 wt.%

表2 CoCrMo合金粉末的化學(xué)元素組成 wt.%

圖2 AlSi10Mg鋁合金粉末掃描電鏡形貌(a)和CoCrMo合金粉末掃描電鏡形貌(b)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方案

SLM成形設(shè)備采用英國雷尼紹公司的AM400 SLM成形系統(tǒng)。該系統(tǒng)配有波長為1 070 nm的調(diào)制鐿光纖激光器。表面粗糙度通過表面粗糙度臺階測量儀(JB-4C)進(jìn)行測量。多激光SLM成形的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 多激光成形設(shè)計(jì)圖

2 結(jié)果與討論

分別設(shè)計(jì)兩組AlSi10Mg與CoCrMo合金試樣，每組包括3個(gè)樣塊，分別為1次，2次，4次激光掃描成形。AlSi10Mg合金試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm。AlSi10Mg合金試樣SLM實(shí)驗(yàn)所用優(yōu)化工藝參數(shù)如表3所示。CoCrMo合金試樣尺寸為10 mm×10 mm×5 mm。CoCrMo合金試樣SLM實(shí)驗(yàn)所用優(yōu)化工藝參數(shù)如表4所示。

表3 AlSi10Mg合金試樣SLM工藝參數(shù)

表4 CoCrMo合金試樣SLM工藝參數(shù)

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

成形試樣表面如圖4和圖5所示，對兩組成形試樣進(jìn)行上表面粗糙度測量，金屬粉末在經(jīng)過一次掃描成形后的AlSi10Mg與CoCrMo合金試樣上表面平均表面粗糙度分別為Ra=13.276 μm、Ra=6.196 μm，而經(jīng)過二次掃描的試樣上表面平均表面粗糙度為Ra=12.639 μm、Ra=5.045 μm，有一個(gè)比較明顯的下降，且每個(gè)區(qū)域的表面質(zhì)量都較大的改善。然而，四次激光掃描成形試樣其上表面平均表面粗糙度為Ra=14.339 μm、Ra=6.630 μm。數(shù)據(jù)處理如圖6所示。

圖4 AlSi10Mg合金試樣表面

圖5 CoCrMo合金試樣表面一次掃描

圖6 兩組試樣表面粗糙度的數(shù)據(jù)處理

2.2 粗糙度變化的原因分析

激光一次掃描試樣由于金屬粉末顆粒大小不同，激光在熔化大顆粒金屬粉末時(shí)，粉末顆粒表面熔化，粉末之間出現(xiàn)粘結(jié)，金屬粉末沒有完全熔化再冷卻凝固的過程。粉末中還存在一些顆粒較小的粉末能夠完全熔化，這些完全熔化的粉末與未熔化的粉末粘結(jié)在一起，這就形成小顆粒球化現(xiàn)象。選區(qū)激光熔化是金屬一層一層疊加的過程，由于上一層金屬表面不是理想平面，存在“凸峰”和“凹坑”。鋪粉輥在鋪粉之后，在“凸峰”處粉末層厚度低，而“凹坑”處粉末層厚度高。當(dāng)激光進(jìn)行掃描之后，粉末層較厚處的金屬粉末無法完全熔化，金屬液在凝固過程中將未熔化的金屬顆粒吸附在金屬液外部，形成不連續(xù)熔化道，造成表面粗糙度增加。造成激光一次掃描試樣上表面粗糙度較大的另一個(gè)因素是掃描方向。此次實(shí)驗(yàn)試樣的掃描方向?yàn)閱蜗驋呙?，?dāng)激光在掃描一層之后，在進(jìn)行下一次掃描時(shí)，激光掃描線的位置依舊與上次的掃描線位置一致，而熔化道的最高位置處于掃描線上。這樣層層疊加，高的位置越來越高，在經(jīng)過多層的成形后表面凹凸不平現(xiàn)象越來越明顯，這也造成表面粗糙度增加。

通過此前數(shù)據(jù)分析，激光二次掃描后的試樣表面粗糙度能夠得到有效的改善。激光一次掃描的試樣存在部分金屬粉末顆粒無法完全熔化，還有一部分顆粒依舊保持粉末狀態(tài)，使得試樣存在球化現(xiàn)象。當(dāng)激光再次掃描時(shí)，這些粉末都能夠得到完全熔化產(chǎn)生新的金屬液，最后冷卻凝固，產(chǎn)生冶金結(jié)合，改善了顆粒的球化現(xiàn)象，這使得表面粗糙度有效的降低。由于掃描方向的原因，造成熔化道最高處越來越高。當(dāng)激光再次掃描時(shí)，增加了熔池內(nèi)金屬液的流動(dòng)性，使得原來處在熔化道最高處的金屬液流向“凹坑”處，將波峰拉平，減少了兩熔化道之間波峰波谷的高度差，凹凸不平現(xiàn)象得到緩解，凝固后表面粗糙度值降低，表面質(zhì)量得到改善。激光重熔不僅使樣件殘余應(yīng)力得到釋放，還提高了致密度，改善了成形件表面粗糙度[11]。

當(dāng)試樣經(jīng)過四次掃描又會(huì)使表面粗糙度值大幅度提高，金屬液過度熔化，產(chǎn)生過燒現(xiàn)象。過高的體能量密度使熔池溫度顯著提高，熔池表面積增大。熔池固液界面的界面張力也相對較大，使得金屬液更容易球化。這種過度熔化會(huì)使金屬液黏度降低，熔池的潤濕角增大，容易形成球形金屬液，造成球化現(xiàn)象，又會(huì)造成熔化道不連續(xù)，使得表面粗糙度增大。

3 結(jié)論

經(jīng)過二次激光掃描后的試樣，試樣表面粗糙度得到有效改善，而經(jīng)過四次激光掃描的試樣表面粗糙度顯著增大。