激光選區熔化制造工藝的影響因素研究

摘 要： 本文概述了激光選區熔化增材制造（SLM）的過程，從溫度控制、原料粉性質和特性、工藝參數、掃描方法、后處理等因素進行研究分析不致密化程度與激光缺陷的原因。

關鍵詞： 激光;增材制造;工藝參數;影響

選區激光熔化（SLM）是在已有選擇性激光燒結技術的基礎上發展起來的，其中燒結或部分熔融是導致粉末快速凝固的唯一機制。SLM在材料表面形貌、致密化和微觀結構均勻性方面的顯著改善。SLM金屬具有更精細的微觀結構，從而產生具有更高屈服應力的更強材料。通過改變加工參數可以顯著改變SLM零件的微觀結構特征。

1 SLM技術的工作原理

SLM裝置的基本設置是建造活塞支撐建造平臺、加固部件和任何未固結金屬粉末。高功率激光跟蹤剖切構成任何已建零件幾何圖形的曲面。然后將生成的切片焊接到先前繪制的零件截面。一旦該層的建造完成，建造活塞垂直向下移動相當于一層厚度的量，之后，通過在其上掃過的再水臂在建造平臺上沉積一層新的未固結粉末。此過程將繼續，直到零件完成。大多數SLM處理是在惰性保護氣體（如氮氣或氬氣）下進行的，以減少建筑物的氧化、充電和孔隙率。零件完成后，卸下殘余粉末，并從機器上移除構建平臺。有時需要進行研磨，以便從構建平臺和零件上移除支撐，以備使用。在某些情況下，SLM后可進行額外的后處理，如熱處理、熱等靜壓（HIP）、拋光和噴丸處理，以改善致密化、表面特性和機械性能。

2 影響因素分析

2.1 溫度控制

在選擇SLM加工方式時必須考慮加工過程的冷卻—加熱循環，因為對恒定熱循環敏感的材料可能表現出不同于最初在恒定溫度波動下預期的特性。在SLM制造過程的熱循環過程中發生的熱膨脹和收縮效應往往導致產品中產生比通過傳統制造過程獲得的產品更多的殘余應力;這些應力可能導致開裂和分層的關鍵缺陷。此外，如果建造溫度控制不當，熔融粉末可能會形成球狀，從而有效地破壞建造。如果允許粉末原料熔化，則顆粒的形成和取向變得不一致，從而對成型質量產生不利影響。因此，溫度控制是SLM建造成功的必要條件。

2.2 原料粉性質和特性

粉體特性和性能對SLM工藝和致密化動力學有重要影響，必須加以考慮。粉末粒度和粒度分布都會影響熔體的粘度和粉末的流速。較細的顆粒吸收更多的激光能量，從而提高了顆粒溫度和致密化動力學，因為粉末比較粗的顆粒呈現出更大的表面積。更細的顆粒也可以填充空隙，從而增加粉末密度，產生更高的凝固速率和更細的微觀結構。然而，納米粉體的流動通常較差;納米粉體經常團聚，增加粉末床的光學反射率，從而降低能量吸收和致密化動力學。粉末特性和特性性能、冶金和化學性能合金成分、氧和碳濃度、反應焓、氧化電位顆粒形態特征粒徑和分布、顆粒形態、粗糙度、粉末流動性流變性能粘度和表面張力機械性能彈性模量、屈服點、拉伸強度、熱導率、比熱、熔化溫度、熱膨脹、光學特性、反射/吸收比、光學穿透等等都會影響SLM工藝。

2.3 工藝參數

SLM處理參數，這些參數具有重大影響，必須加以考慮。工藝參數包括能量密度、激光功率、掃描速度、陰影間距、掃描層厚度等。此外，對激光器使用不同的掃描模式可以產生不同的微觀結構和性能（例如密度、硬度、分辨率）。SLM所形成的微結構可分為兩類。其中一種類型包含由外延生長形成的排列成柱狀的大晶粒;當晶粒按照最大熱梯度的方向生長時發生這種情況。在SLM中，在連續的層沉積過程中，先前的層被重熔，這使得每一個新的層采用與下面相同的晶體學取向;這就是“外延生長”另一種類型包括合金金屬，其凝固前沿不穩定，由前沿不協調引起。它們具有向熔池中心生長的更細的晶粒結構。通過改變激光能量密度或掃描速度可以改變熔體的凝固類型。

2.4 掃描方法

SLM加工零件呈現定向凝固誘導的織構。掃描方法決定了凝固方向，對織構的影響很大。對于單向掃描的高合金立方金屬，垂直于掃描矢量形成更強的織構。然而，當應用雙向掃描時，其中層以鋸齒形模式掃描，在掃描葉片之間旋轉90°時，柱狀顆粒結構被破壞，隨后產生較弱的紋理。然而，對于低合金鋼來說，這種關系是不同的。

2.5 熱等靜壓處理

SLM加工零件的質量有時低于傳統加工零件的質量。后處理熱處理可以用來提高SLM零件的機械性能和消除多余的殘余應力。熱處理也改變了微觀結構，使材料具有更好的疲勞壽命和更高的抗蠕變性能。另一個有前途的后處理是熱等靜壓（HIP）。在這一過程中，樣品在壓力容器中經受高壓和高溫，從而降低了孔隙率并增加了致密化。

3 結語

SLM工藝的主要優點是能夠創建傳統制造工藝無法形成的復雜幾何圖形。從工業的角度來看，這些優勢具有很重要的含義。單個部件通常在不同的工廠用特殊的工具制造，然后運到裝配現場。有了SLM，零件就不需要專門的工具，就可以在現場生產許多零件，消除了對供應鏈的需求。因此，SLM對于直接制造滿足航空航天、國防、汽車和生物醫學工業領域要求的功能性金屬工具和部件具有重要意義。

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作者簡介： 劉曉飛（1979—），女，吉林延邊人，碩士，工程師，研究方向：激光加工技術。