選區激光熔化成形4Cr5MoSiV1鋼無支撐懸垂結構質量研究

畢延超，陶鳳和，賈長治，陳帥

1.陸軍工程大學石家莊校區 河北石家莊 050003

2.32562部隊 貴州龍里 522730

1 序言

選區激光熔化技術（Selective Laser Melting，SLM）作為最具前景的增材制造技術之一，以數字化模型為基礎采用原材料逐層堆積的方法直接成形構件[1]，是目前應用面最廣、成形結構最復雜、適應材料較廣泛的一種增材制造技術[2]。與傳統加工工藝相比，選區激光熔化技術具有構件開發周期短、精度高、成形復雜、結構能力強等優點[3]，但同時在成形懸垂結構時容易出現表面粘粉和翹曲變形等缺陷，嚴重時甚至無法成形。

國內外學者從添加支撐和優化工藝參數等角度出發，探索研究了提高懸垂結構的成形質量。陳超等[4]總結了添加支撐的規律，并結合支撐添加和成形過程的仿真對規律進行了驗證；張國慶等[5]研究了支撐結構對零件翹曲變形的影響規律，提出通過優化支撐結構可以減少零件的翹曲變形；段聲勤[6]分析了激光功率對懸垂圓孔成形質量的影響，提出當激光功率大于一定數值后，隨激光功率增大懸垂結構最大塌陷量將逐漸增大。

添加支撐雖然可以提高懸垂結構的成形質量，但也增加了拆除工序，降低了成形精度，特別是復雜內腔結構拆除支撐較為困難，甚至無法拆除。

本文在成形件綜合力學性能最佳工藝參數[7]下，開展懸垂結構傾斜角α和成形高度h對無支撐懸垂結構成形質量的影響研究，進一步揭示選區激光熔化成形無支撐懸垂結構的特點規律，為選區激光熔化成形件結構設計提供參考。

2 試驗設備、材料和方法

（1）試驗設備 試樣成形設備采用廣東信達雅三維科技有限公司研制的選區激光熔化設備DiMetal-50。其激光器為200W光纖激光器，聚焦光斑為70μm，最快掃描速度為6000mm/s，最大成形尺寸為50mm×50mm×50mm，保護氣體采用高純氬氣。

（2）試驗材料 試驗選用氣霧化法制備的4Cr5MoSiV1鋼粉末，該粉末粒徑分布為15～45μm，粉末化學成分見表1。

表1 4Cr5MoSiV1鋼粉末化學成分（質量分數）（%）

（3）試驗方法 建立內半徑5m m、外半徑7m m、長度為4m m的柱面體三維模型，如圖1所示。選區激光熔化成形工藝參數：激光功率為190W，掃描速度為210mm/s，掃描間距為70μm，鋪粉厚度為25μm，掃描策略為S形正交掃描。成形試樣（0號試樣）后，采用電子快顯卡尺（分辨力0.01mm）按照圖2所示方法測量柱面體內半徑尺寸，并采用三目體視顯微鏡和掃描電鏡觀察試樣內側懸垂表面形貌。

圖1 柱面體三維模型

圖2 柱面體曲率半徑測量

建立傾斜角分別為1 5°、2 0°、2 5°、30°、35°、40°、45°、60°和75°，截面積10mm×10mm、厚度8mm的三維模型，如圖3所示。選區激光熔化成形工藝參數為：激光功率為190W，掃描速度為210mm/s，掃描間距為70μm，鋪粉厚度為25μm，掃描策略為S形正交掃描。成形試樣（分別為1～9號試樣）后，采用電子快顯卡尺（分辨力0.01mm）按照圖4所示方法測量試樣水平方向誤差，并采用三目體視顯微鏡和掃描電鏡觀察試樣內側懸垂表面形貌。

圖3 不同傾斜角試樣模型

圖4 試樣水平方向誤差測量示意

3 結果與分析

（1）傾斜角度對懸垂結構成形質量的影響 從0號試樣外觀（見圖5）可得，當傾斜角α≥35°時（見圖5Ⅱ區）成形懸垂曲面外貌較好；當傾斜角α＜35°時（見圖5Ⅰ區）成形懸垂曲面塌陷和粘粉等缺陷較為明顯。隨著傾斜角α減小，成形懸垂曲面曲率半徑ρ的誤差逐漸增大，如圖6所示。

圖5 柱面體形貌

圖6 柱面體懸垂曲面曲率半徑誤差

結果分析：選區激光熔化成形的原理是原材料的逐層堆積，無支撐懸垂曲面的任意一點可近似看作第n層和第n+1層的疊加，如圖7所示。當l大于激光器光斑直徑（70μm）時，激光熔化的金屬粉末完全落于未熔化的金屬粉末區域上，熔化的金屬粉末凝固前在重力和對流等作用下部分滲入到未熔化的金屬粉末區，因此出現塌陷和粘粉現象。由于未熔化金屬粉末的熱導率遠小于金屬實體，因此l越大，液態金屬粉末保持時間越長，滲入到未熔化金屬粉末區的金屬液就越多，塌陷和粘粉現象也就越明顯，同時成形結構的尺寸精度也越差。為成形可靠的懸垂結構，取l等于激光器光斑半徑（即l=35μm），此時α=arctan(b/l)≈35°，計算結果與試驗結果基本一致。

圖7 懸垂結構成形

（2）成形高度對懸垂平面成形質量的影響 從1～9號試樣外觀（見圖8）可得，當傾斜角α＜35°時懸垂平面粘粉和翹曲變形極為明顯，無法成形相應的懸垂平面；當35°≤α＜45°時，懸垂平面成形到一定高度時出現明顯的翹曲變形，傾斜角α越小，成形懸垂平面的極限高度就越低；當傾斜角α≥45°時，隨著成形高度增加，成形的懸垂結構在水平方向上尺寸誤差逐漸增大，如圖9所示。

圖8 懸垂平面形貌

結果分析：在選區激光熔化成形過程中，吸收激光能量熔化的金屬粉末在快速凝固時需要散失熱量，由于無支撐懸垂結構下方金屬粉末的熱導率遠小于金屬實體的熱導率，熔化的金屬粉末凝固時間延長出現表面粘粉現象，隨著傾斜角α的減小，懸垂部分面積變大，粘粉現象更為突顯；同時由于無支撐懸垂結構熱量傳遞的效率較低、熱應力較大，故應力釋放過程中會導致已成形實體端部翹曲變形，傾斜角α越小，翹曲變形越明顯。

圖9 懸垂平面水平方向誤差

4 結束語

1）選區激光熔化成形4Cr5MoSiV1鋼無支撐懸垂結構，當傾斜角α≥35°時，成形質量較好；當α＜35°時，懸垂結構塌陷和粘粉缺陷較為明顯，α越小缺陷越明顯。

2）對于選區激光熔化成形4Cr5MoSiV1鋼無支撐懸垂平面，當傾斜角α＜35°時，無法有效成形；當35°≤α＜45°時，存在極限成形高度h，懸垂平面高度小于h部分的成形質量較高，懸垂平面高度大于h部分會出現翹曲等缺陷；當α≥45°時，懸垂平面不存在極限成形高度，且α越大成形質量越高。