掃描速度對SLM 成形致密度的影響綜述

韓俊峰，胡雅清，張 渝

（1.四川工程職業技術學院 四川省沖壓發動機先進制造技術工程實驗室，四川 德陽 618000；2.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400044)

1 引言

激光選區熔化成形技術（Selective Laser Melting,SLM）因其制件致密性好、成形精度高等特點成為近年來快速發展的AM技術之一。SLM是通過逐層鋪粉、逐層加工的激光快速成形技術，具有逐點、逐線和逐面成形的特點[1-4]。

激光選區熔化技術成形過程中涉及復雜的物理和化學冶金現象，如金屬的熔化流動、蒸發和凝固以及熱量交換等。因激光能量密度高、作用時間短，加工過程極不穩定，使這些現象對工藝參數敏感性較高，不恰當的工藝參數加載會導致球化、裂紋、孔隙度大、分層和最終成形構件殘余應力及變形較大等缺陷，嚴重降低構件成形質量[5-7]。因此為獲得致密度高、尺寸精度好、機械性能優良的成形構件，需要根據材料特性、構件幾何形狀特征及性能要求進行合理的工藝參數選擇和設計。

根據SLM構件成形工序對相關工藝參數進行了統計定義，現階段國內外研究關注熱點主要集中在激光、掃描、粉末等三個部分，其中激光功率、掃描速度、掃描間距和掃描策略對成形構件機械性能影響顯著，且在實際生產中便于調節，因此成為當前SLM工藝研究重點。本文將總結掃描速度對最終成形構件致密度的影響的規律及原因。

2 掃描速度對SLM 成形致密度的影響

2.1 掃描速度對成形致密度的影響規律

德國的Meier[8]早在2008 年就驗證了選擇性激光熔化制備致密的全金屬零件的可行性，并研究了能量密度輸入對不銹鋼粉末SLM 成形致密度的影響，得出掃描速度較低時，掃描線連續，構件致密度好；當掃描速度較高時，氣孔的結構會變得不規則，即構件致密度低，如圖1 所示。另外，高的激光功率也有利于促進構件致密化。

圖1 定義的不同孔隙結構的顯微截面圖[8]

同樣，國內朱海紅等[9]對SLM成形Al-Si 合金的致密度進行了研究，并通過實驗發現，Al-Si 合金能夠采用SLM致密成形，其致密度與工藝參量，如掃描間距、掃描速度等關系密切。研究表明，激光功率、層厚一定時，致密度隨掃描速率的增大而呈現先上升后下降的趨勢。

鄭東來[10]也研究了致密度與掃描速度之間的關系。如圖2 所示，實驗發現當掃描速度v≤320mm/s時，致密度隨著掃描速度的增大而增大；當v=320mm/s時，致密度達到最大，接近全致密；當v≥320mm/s時，則致密度隨著掃描速度增大而降低。過高或過低的掃描速度都導致構件致密度降低。

圖2 掃描速度對致密度的影響規律[10]

2.2 掃描速度影響SLM 成形致密度的原因

J.Yang[11]針對鈦合金單線掃描成形過程，分析了小孔模式和傳導模式兩類不同的熔池的產生并研究了工藝參數組合之間對熔池形狀的影響，進而對最終成形件致密度影響的原因。圖3 顯示了熔池的截面掃描速度、激光功率和層厚度對熔池形貌的影響。如圖3 所示，隨著掃描速度的增加，熔池的形態經歷了從V 形到U 形的轉變。當激光功率為200W，熔池厚度為20μm，掃描速度為100～500mm/s 時，熔池具有上寬下窄的特征。當掃描速度進一步提高到大于500mm/s 時，熔池轉變為傳導模式，沒有狹窄的下區。因此，熔池形式可以通過掃描速度來控制。低的掃描速度形成的V 形熔池，如圖3 所示，不穩定的孔會誘導孔隙的出現。進一步提高掃描速度，如圖4所示，為基于熔池模式的激光功率為200W、層厚為20μm 的SLMed Ti-6Al-4V 長方體樣品的加工圖（圖4a）及其對應的光學圖像（圖4b、c），大多數的U形傳導模式下的SLM樣品在工作（圖4c），屬于優越的成形性區。但是，進一步增加掃描速度可能會導致熔化不足、液滴形成和潤濕不良從而降低成型性。顯然，U 形模式比V 形模式的熔池可以獲得更好的SLM成形致密度，也就是說控制掃描速度在適當范圍，可以控制熔池在U 形模式，成型性和致密度都更好。

圖3 不同掃描速度、激光功率和層厚下的熔池截面[11]

圖4 樣品加工圖及其光學圖像[11]

Yadroitsev[12]也研究了掃描速度及預熱溫度對316L 粉末SLM成形過程中熔池形貌的影響，進而影響零件的致密度的行為。研究發現熔池寬度主要受掃描速度的控制，而熔池高度主要受預熱溫度影響，驗證了掃描速度是影響部件組織性能優劣的關鍵參數的原因。

3 結語

本文對近年來掃描速度對SLM 熔池形貌、進而對最終成形構件的致密度的影響的研究成果進行了總結：

（1）過高或過低的掃描速度都會影響構件的致密度，適當的掃描速度不僅可以得到較高的致密度，還可以減少構件缺陷，比如裂紋、氣孔等。在實際應用中，控制掃描速度在合適范圍，并且加上預熱和控制激光功率等手段可以得到質量較高的成形構件。

（2）激光選區熔化成形技術SLM 成形過程中有兩類不同的熔池形貌，不同的熔池形貌對SLM成形構件致密度的影響不同。而相比于其他工藝參數，掃描速度對熔池形貌的影響最大，是影響部件組織性能優劣的關鍵參數。