GH3536合金的激光增減材復(fù)合3D打印工藝試驗(yàn)研究＊

杜新未，王敏杰，魏兆成，郭明龍，戚文軍，王金海

（1.大連理工大學(xué)模塑制品教育部工程研究中心，遼寧大連 116024；2.廣東漢邦激光科技有限公司，廣東中山 528427）

1 引言

激光選區(qū)熔化（SLM）打印零件過(guò)程中，存在部分未完全熔化的粉末粘附在側(cè)表面形成掛渣的現(xiàn)象[1～3]。這些掛渣會(huì)影響零件的尺寸精度和表面粗糙度值，一般只能通過(guò)噴砂、拋光等后處理工序進(jìn)行去除，而部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件內(nèi)部的掛渣，即使采用后處理工序也無(wú)法去除。這不僅影響零件的生產(chǎn)效率和打印成本，而且也限制了SLM的應(yīng)用范圍[4]。

為解決此類問(wèn)題，研究者提出了將SLM與數(shù)控銑削加工相結(jié)合的增減材復(fù)合制造技術(shù)。Du等結(jié)合SLM與精密銑削技術(shù)[5]，對(duì)18Ni300馬氏體時(shí)效鋼進(jìn)行增減材復(fù)合制造，發(fā)現(xiàn)與鍛造和SLM相比，增減材復(fù)合制造的零件具有更好的表面質(zhì)量和更高的硬度。Philipp Wüst等采用正交法[6]，優(yōu)化了增減材復(fù)合制造銑削過(guò)程中的切削速度、每齒進(jìn)給量和徑向切削深度等工藝參數(shù)，認(rèn)為徑向切削深度是對(duì)表面質(zhì)量影響最大的參數(shù)，優(yōu)化后的側(cè)表面粗糙度值降低了23.1%。Bai等研究了6511馬氏體不銹鋼的增減材復(fù)合制造工藝[7]，發(fā)現(xiàn)當(dāng)軸向銑削深度為0.1mm時(shí)，表面粗糙度值達(dá)到最低值0.32μm，此時(shí)刀具會(huì)對(duì)試件表面產(chǎn)生超過(guò)500MPa的壓應(yīng)力。SLM與數(shù)控銑削加工相結(jié)合的增減材復(fù)合制造技術(shù)，盡管已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)[8]，但由于刀具尺寸的限制及銑削力的存在，使其難以加工具有薄壁和微孔等結(jié)構(gòu)的零件。

Yasa等提出了一種新的增減材復(fù)合制造思路[9]，即在SLM設(shè)備上，采用Nd：YAG激光器的連續(xù)模式進(jìn)行增材打印，采用脈沖模式進(jìn)行減材加工，這種增減材復(fù)合3D打印工藝可以提高SLM的精細(xì)加工能力，但是長(zhǎng)脈沖激光對(duì)零件側(cè)表面的加工存在一定的局限性。

因此，本文采用SLM與皮秒激光切割相結(jié)合的激光增減材復(fù)合3D打印工藝，針對(duì)GH3536合金，研究了皮秒激光工藝參數(shù)對(duì)打印零件尺寸精度和表面粗糙度值的影響規(guī)律，并采用這種工藝打印了薄壁、圓孔等典型幾何特征結(jié)構(gòu)，以解決SLM打印零件側(cè)表面的粘附掛渣問(wèn)題，提高3D打印零件的尺寸精度和表面質(zhì)量。

2 激光增減材復(fù)合3D打印過(guò)程

激光增減材復(fù)合3D打印過(guò)程如圖1所示，打印設(shè)備配備兩種激光器，一種是用于SLM增材打印的連續(xù)激光器，另一種是用于減材加工的皮秒激光器。打印時(shí)采用圖2所示“實(shí)體+輪廓”的掃描策略，先使用連續(xù)激光依次打印實(shí)體和輪廓兩部分，再使用皮秒激光對(duì)打印層邊緣進(jìn)行高精度切割，去除粘附在側(cè)表面上的掛渣，如圖3所示。然后升降平臺(tái)下降，鋪粉輥進(jìn)行鋪粉，重復(fù)上述過(guò)程，直至零件打印完成。

圖1 激光增減材復(fù)合3D打印過(guò)程示意圖

圖2 SLM掃描策略示意圖

圖3 皮秒激光切割示意圖

3 實(shí)驗(yàn)條件

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用廣東漢邦激光科技有限公司自主研發(fā)的LACM-100T打印機(jī)，如圖4所示。設(shè)備配備有200W功率連續(xù)激光器，激光器發(fā)射波長(zhǎng)為1,070nm；平均功率為50W的皮秒激光器，激光器發(fā)射波長(zhǎng)為1,030nm，脈沖持續(xù)時(shí)間為1～3ps，重復(fù)頻率為1,800KHz，最大單脈沖能量為25μJ。設(shè)備的最大打印尺寸為105×105×100mm。

3.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料選用中天上材制造有限公司制備的氣霧化GH3536合金粉末，粉末的微觀形貌如圖5所示，化學(xué)成分如表1所示。粉末的粒徑分布為φ15～φ65 μm，成球形或近球形狀，表面有少量衛(wèi)星球。

圖4 LACM-100T打印機(jī)

圖5 GH3536合金粉末形貌

表1 GH3536合金粉末的化學(xué)成分 %

3.3 工藝參數(shù)設(shè)置

在SLM打印過(guò)程中，影響零件打印尺寸精度和側(cè)表面粗糙度值的因素，主要有輪廓打印的激光功率、光斑補(bǔ)償、掃描速度、鋪粉厚度和輪廓掃描次數(shù)。而皮秒激光切割的激光單脈沖能量、掃描速度、掃描次數(shù)和重復(fù)頻率等工藝參數(shù)，才是影響激光增減材復(fù)合3D打印最終尺寸精度和側(cè)表面粗糙度值的重要因素。已有研究表明[10～11]，通過(guò)優(yōu)化輪廓打印的工藝參數(shù)，難以解決零件表面掛渣對(duì)打印尺寸和側(cè)表面質(zhì)量的影響問(wèn)題。

因此，本研究首先確定如表2所示的SLM打印工藝參數(shù)。主要研究皮秒激光切割過(guò)程中單脈沖能量、掃描速度和掃描次數(shù)對(duì)打印尺寸和側(cè)表面粗糙度值的影響，具體工藝參數(shù)設(shè)置如表3所示。打印試樣尺寸為10×10×10mm。

表2 SLM打印工藝參數(shù)

表3 皮秒激光切割工藝參數(shù)

3.4 測(cè)試方法

采用游標(biāo)卡尺，測(cè)量打印試樣水平X方向的打印尺寸，每個(gè)試樣測(cè)量3次求平均值。

采用Dumon TR200粗糙度測(cè)量?jī)x，測(cè)量打印試樣的側(cè)表面粗糙度值，每個(gè)試樣測(cè)量5次求平均值。

采用SOBEKK EPS500影像儀，觀察薄壁和小孔結(jié)構(gòu)的形貌并測(cè)量尺寸。

4 激光增減材復(fù)合3D打印的尺寸變化

通過(guò)SLM打印和激光增減材復(fù)合3D打印的試樣如圖6所示，SLM打印試樣的側(cè)表面粘附有一層掛渣，而激光增減材復(fù)合3D打印試樣側(cè)表面粘附的掛渣則已經(jīng)被去除。

圖6 打印試樣上表面及邊緣

4.1 單脈沖能量對(duì)打印尺寸的影響

當(dāng)皮秒激光的掃描速度為1,000mm/s和掃描次數(shù)為10次時(shí)，單脈沖能量對(duì)打印尺寸影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。隨著單脈沖能量的提高，打印尺寸減小。當(dāng)單脈沖能量較低時(shí)，切割后的尺寸無(wú)明顯減小，這是因?yàn)檫^(guò)低的單脈沖能量，并未使皮秒激光的能量密度達(dá)到材料的燒蝕閾值，無(wú)法去除側(cè)表面表粘附的掛渣。當(dāng)單脈沖能量≥7.5μJ時(shí)，即達(dá)到了材料的燒蝕閾值，粘附在側(cè)表面的掛渣可以被去除，打印尺寸減小。隨著單脈沖能量的進(jìn)一步提高，當(dāng)單脈沖能量≥17.5μJ時(shí)，燒蝕反應(yīng)增強(qiáng)，材料去除量變大，打印尺寸進(jìn)一步減小。

圖7 單脈沖能量對(duì)打印尺寸的影響

4.2 掃描速度對(duì)打印尺寸的影響

當(dāng)皮秒激光的單脈沖能量為17.5μJ和掃描次數(shù)為10次時(shí)，掃描速度對(duì)打印尺寸影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。隨著掃描速度的提高，打印尺寸增大。掃描速度大于1,500mm/s之后，試樣尺寸無(wú)明顯變化。這是因?yàn)閽呙杷俣容^低時(shí)，激光對(duì)單位面積內(nèi)材料的燒蝕時(shí)間較長(zhǎng)，材料去除量較大。掃描速度超過(guò)一定值后，掃描速度對(duì)材料去除量的影響減小，所以尺寸無(wú)明顯變化。

圖8 掃描速度對(duì)打印尺寸的影響

4.3 掃描次數(shù)對(duì)打印尺寸的影響

當(dāng)皮秒激光的單脈沖能量為17.5μJ和掃描速度為1,000mm/s時(shí)，掃描次數(shù)對(duì)打印尺寸影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，打印尺寸隨著掃描次數(shù)的增加略有減小。

圖9 掃描次數(shù)對(duì)打印尺寸的影響

5 激光增減材復(fù)合3D打印的側(cè)表面粗糙度值

通過(guò)SLM打印和激光增減材復(fù)合3D打印試樣的側(cè)表面形貌如圖10所示，SLM打印的試樣側(cè)表面因粘附有未完全熔化的粉末顆粒形成掛渣,導(dǎo)致其表面質(zhì)量較差。采用激光增減材復(fù)合3D打印，試樣側(cè)表面粘附的掛渣被去除，表面質(zhì)量提高。

圖10 打印試樣側(cè)表面形貌

5.1 單脈沖能量對(duì)側(cè)表面粗糙度值的影響

當(dāng)皮秒激光的掃描速度為1,000mm/s和掃描次數(shù)為10次時(shí)，單脈沖能量對(duì)側(cè)表面粗糙度值影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。隨著單脈沖能量的提高，側(cè)表面粗糙度值減小。當(dāng)單脈沖能量較低時(shí)，與SLM相比，表面粗糙度值變化不大。一方面是因?yàn)閱蚊}沖能量過(guò)低，未達(dá)到材料燒蝕閾值，無(wú)法去除側(cè)表面粘附的掛渣；另一方面是因?yàn)榧词惯_(dá)到材料的燒蝕閾值，較低的單脈沖能量燒蝕能力較弱，殘留掛渣較多。隨著單脈沖能量的提高，激光燒蝕能力加強(qiáng)，大量掛渣被去

圖11 單脈沖能量對(duì)側(cè)表面粗糙度值的影響

5.2 掃描速度對(duì)側(cè)表面粗糙度值的影響

當(dāng)皮秒激光的單脈沖能量為22.5μJ和掃描次數(shù)為10次時(shí)，掃描速度對(duì)側(cè)表面粗糙度值影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。隨著掃描速度的提高，側(cè)表面粗糙度值呈先降低后升高趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)掃描速度較低時(shí)，激光燒蝕掛渣時(shí)間較長(zhǎng)，熱影響區(qū)變大，使得切割后的部分金屬熔化形成小液滴粘附在側(cè)表面，表面粗糙度值較大。隨著掃描速度的提高，激光與側(cè)表面接觸時(shí)間變短，熱影響區(qū)減小，切割表面較平整，表面粗糙度值降低。當(dāng)掃描速度為1,000mm/s時(shí)，表面粗糙度值達(dá)到最低。隨著掃描速度的進(jìn)一步提高，激光對(duì)側(cè)表面掛渣的燒蝕時(shí)間進(jìn)一步縮短，表面殘留掛渣變多，表面粗糙度值隨之增加。

圖12 掃描速度對(duì)側(cè)表面粗糙度值的影響

5.3 掃描次數(shù)對(duì)側(cè)表面粗糙度值的影響

當(dāng)皮秒激光的單脈沖能量為22.5μJ和掃描速度為1,000mm/s時(shí)，掃描次數(shù)對(duì)試樣側(cè)表面粗糙度值影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。隨著掃描次數(shù)的增加，側(cè)表面粗糙度值先減小，達(dá)到一定的掃描次數(shù)之后，側(cè)表面粗糙度值趨于穩(wěn)定。SLM是逐層打印，每打印完一層，輪廓邊緣都會(huì)粘附掛渣。隨著掃描次數(shù)的增加，皮秒激光切割不僅可以去除當(dāng)前打印層邊緣的掛渣，還可以去除相鄰層新附著的掛渣，從而降低表面粗糙度值，直至穩(wěn)定。

圖13 掃描次數(shù)對(duì)側(cè)表面粗糙度值的影響

6 典型幾何特征結(jié)構(gòu)的激光增減材復(fù)合3D打印

采用SLM工藝打印薄壁和小孔等微細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí)，其側(cè)表面會(huì)粘附掛渣，而數(shù)控銑削加工由于刀具尺寸的限制和銑削力的存在難以對(duì)其進(jìn)行加工。通過(guò)激光增減材復(fù)合3D打印，可以解決這一問(wèn)題。

6.1 薄壁結(jié)構(gòu)打印

通過(guò)SLM打印和激光增減材復(fù)合3D打印的薄壁結(jié)構(gòu)如圖14所示，激光增減材復(fù)合3D打印可以很好地去除薄壁兩側(cè)粘附的掛渣，打印尺寸更接近設(shè)計(jì)尺寸，如圖15所示。

6.2 小孔結(jié)構(gòu)打印

通過(guò)SLM打印和激光增減材復(fù)合3D打印的小孔結(jié)構(gòu)如圖16所示，激光增減材復(fù)合3D打印能很好地去除小孔內(nèi)壁粘附的掛渣，打印尺寸更接近設(shè)計(jì)尺寸，如圖17所示。

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)GH3536合金的激光增減材復(fù)合3D打印工藝試驗(yàn)研究，本文得到如下結(jié)論：

圖14 薄壁結(jié)構(gòu)打印結(jié)果

圖15 壁厚尺寸誤差對(duì)比

圖16 小孔結(jié)構(gòu)打印結(jié)果

圖17 小孔直徑誤差對(duì)比

（1）隨著皮秒激光單脈沖能量的提高，切割后的零件尺寸減小。打印零件尺寸隨著掃描速度的提高略有增大，隨著掃描次數(shù)的增加略有減小。

（2）隨著皮秒激光單脈沖能量的提高，切割后零件的側(cè)表面粗糙度值減小。打印零件側(cè)表面粗糙度值隨著掃描速度的提高，先由大變小，然后再由小變大。隨著掃描次數(shù)的增加，側(cè)表面粗糙度值先減小，達(dá)到一定的掃描次數(shù)之后，側(cè)表面粗糙度值趨于穩(wěn)定。

（3）與SLM相比，激光增減材復(fù)合3D打印的薄壁結(jié)構(gòu)和小孔結(jié)構(gòu)，其尺寸更接近設(shè)計(jì)尺寸。