Ti6Al4V激光選區(qū)熔化成形懸垂結構的質量研究

吳根麗　劉婷婷　張長東　廖文和

南京理工大學，南京，210094

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Ti6Al4V激光選區(qū)熔化成形懸垂結構的質量研究

吳根麗劉婷婷張長東廖文和

南京理工大學，南京，210094

摘要：為了減小成形誤差，提高激光選區(qū)熔化成形復雜特征結構件的能力，實驗采用Ti6Al4V金屬粉末，設計了不同傾斜角度的懸垂結構模型，研究了傾斜角度、掃描策略對懸垂結構SLM成形質量的影響。結果表明：傾斜角度越小，懸垂面的邊緣線寬度誤差越大(>80 μm)，表面粗糙度值越大(>20 μm)，翹曲變形越嚴重；島形隨機掃描策略的整體成形質量要低于Z形正交掃描策略，但對不同角度的懸垂結構影響不同。結合QM-Meltpool監(jiān)控系統(tǒng)，從熔池的角度分析了傾斜角度和掃描策略的影響，為懸垂結構SLM成形提供了參考依據(jù)。

關鍵詞：Ti6Al4V金屬粉末；激光選區(qū)熔化；懸垂結構；成形質量

0引言

激光選區(qū)熔化(selective laser melting, SLM)技術作為近年來獲得廣泛關注與快速發(fā)展的主流增材制造技術，具有成形精度高、組織致密、工序簡單等技術優(yōu)勢，理論上可以成形任意復雜形狀的金屬零件，在鈦合金零件加工制造領域具有廣泛的應用前景[1]。

然而，在實際加工中，SLM技術目前尚不能高質量地成形任意幾何形狀結構的零件，特別是加工具有明顯懸垂特征結構的零件時，懸垂區(qū)域的成形質量較差(翹曲變形、表面粗糙度過高)，從而影響零件的整體加工質量。因此，分析影響懸垂結構特征區(qū)域成形質量的關鍵因素，對于解決或者減少懸垂結構在SLM成形過程中的缺陷，提高零件的成形質量具有重要意義[2]。

為了改善懸垂特征結構零件的成形質量，目前的研究主要集中于添加支撐輔助成形以及無支撐優(yōu)化成形兩個方面。支撐輔助成形通過添加金屬支撐結構保證成形過程的穩(wěn)定，加工之后采用去除支撐、表面打磨或者機加工的方法保證懸垂面形狀[3-5]。然而，當零件結構復雜時，這類密集的支撐結構很難去除，尤其是成形件內(nèi)部的支撐結構；同時，該類晶格結構對支撐面成形質量影響很大，如果是一些結構件的關鍵部位，會造成后續(xù)使用過程中裝配失敗，或者機械性能不夠。因而，一些研究者開始探討在不添加支撐結構的情況下如何優(yōu)化懸垂特征結構的成形質量[6-9]。研究過程中，對于支撐的研究主要考慮添加方式、支撐結構優(yōu)化設計[10]；無支撐優(yōu)化實驗考慮的影響因素有限，如：掃描策略、懸垂結構類型等因素在研究中未討論分析；實驗結果分析主要基于成形缺陷的討論，未對成形質量進行相關的數(shù)值分析，而且局部參量控制在現(xiàn)有的各類商業(yè)化快速成形機上很難推廣應用。

本研究采用Ti6Al4V金屬粉末進行了懸垂特征結構SLM成形實驗，分析了傾斜角度、掃描策略等關鍵因素對成形質量的影響。并結合QM-Meltpool熔池監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于數(shù)值統(tǒng)計方法分析了傾斜角度、掃描策略等因素對熔池動態(tài)變化規(guī)律的影響。

1實驗方法

1.1實驗材料與工藝參數(shù)

實驗采用無錫飛而康公司生產(chǎn)的Ti6Al4V金屬粉末，化學成分(質量分數(shù))見表1。粉末形態(tài)呈現(xiàn)規(guī)則球形，粒徑范圍為0～53 μm，平均粒徑為35～40 μm，粒度遵循高斯分布，如圖1所示。實驗激光功率100 W，掃描速度600 mm/s，掃描間距150 μm，鋪粉層厚30 μm，成形過程采用氬氣(濃度為99.99%)保護，成形艙的氧氣含量小于0.1%。

表1　Ti6Al4V金屬粉末的化學成分　%

圖1　Ti6Al4V金屬粉末掃描電子顯微鏡(SEM)形貌

1.2成形設備和QM-Meltpool監(jiān)測系統(tǒng)

實驗在德國Concept Laser M2設備上開展，該設備配置有400 W單模連續(xù)形光纖激光器，激光波長范圍1064～1100 nm，同時集成了QM-Meltpool熔池質量監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測并實時記錄試件成形過程中熔池狀態(tài)[11]，主要包括每個試件在每一層的熔池強度(熔池的紅外輻射強度)、熔池面積和二極管強度等三種信號的數(shù)值數(shù)據(jù)，其原理如圖2所示。監(jiān)測系統(tǒng)主要由高分辨率相機和發(fā)光二極管組成。高速相機用于監(jiān)測熔池的紅外輻射強度，并實時捕捉熔池圖像，通過分析圖像的亮度值得到熔池面積；二極管則用于測量熔池的光強，通過比較二極管監(jiān)測信號值分析熔池的變化。

圖2　QM-Meltpool監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

1.3實驗設計

實驗主要研究傾斜角度和掃描策略對SLM成形質量的影響，設計不同傾斜角度的懸垂結構模型，傾斜角度θ(與基板的夾角)分別為30°、35°、40°、45°和50°，對應的Z軸高度分別為6 mm、8 mm、10 mm、10 mm和10 mm，X軸、Y軸的橫截面大小均為10 mm×10 mm。掃描策略采用Z形和島形兩種，實驗分為兩組，共10個試件。其中，島形掃描策略(圖3)將一個成形面分成若干正方形的“孤島”，島嶼采取隨機掃描，并且和掃描方向相鄰的島嶼之間旋轉90°，“孤島”尺寸大小為5 mm×5 mm[12]，成形試件截面每一層可分為2個“孤島”。Z形掃描策略如圖4所示，其中實線為激光掃描軌跡,虛線為激光跳轉軌跡。島形和Z形兩種掃描策略均采用內(nèi)部掃描和邊緣線掃描相結合的掃描方式，激光先從內(nèi)開始按照島形或Z形掃描，再從邊緣線結束掃描。

圖3　島形掃描策略和Ti6Al4V試件頂面典型的棋盤形貌

圖4　Z形掃描策略示意圖

2實驗結果與分析

實驗采用千分尺測量成形件的尺寸精度；采用泰勒表面粗糙度測量儀(精度0.1 μm)測量表面質量，以輪廓算術平均偏差Ra值來計量，主要測量懸垂面和支撐結合面；熔池分析數(shù)據(jù)來源于QM-Meltpool監(jiān)測系統(tǒng)。

實驗獲得成形試件如圖5所示，標號1～5為Z形掃描策略成形件，標號6～10為島形掃描策略成形件，序號從低到高對應懸垂角度30°、35°、40°、45°、50°。從圖中可以看出，試件1和試件2、試件6和試件7在懸垂特征結構頂部(圖5a方框標記區(qū)域)出現(xiàn)嚴重的翹曲變形現(xiàn)象，且試件1和試件6底部與基板之間的支撐結構(圖5b方框標記區(qū)域)出現(xiàn)開裂、翹曲變形現(xiàn)象，粉末黏結現(xiàn)象明顯；試件4、試件5、試件9和試件10能夠成形完整的懸垂特征結構面，翹曲變形幾乎沒有發(fā)生，懸垂面質量較好；其他試件出現(xiàn)輕微翹曲變形。

(a)俯視圖及局部放大圖

(b)主視圖及局部放大圖圖5　懸垂特征結構成形試件

2.1傾斜角度的影響與分析

由成形結果可知，傾斜角度對懸垂特征結構SLM成形質量影響較大。傾斜角度越小，試件成形過程中缺陷越多，翹曲變形越嚴重，尤其是在與支撐結構的結合面和懸垂面邊緣頂部。這不僅影響懸垂特征結構的形狀精度和表面粗糙度，缺陷嚴重時甚至會影響刮刀的鋪粉過程，導致成形過程停止。

2.1.1對懸垂面邊緣線寬度的影響

從圖6可以看出當傾斜角度小于40°時，懸垂面的邊緣線寬度誤差在27.5 μm以上，傾斜角度越小，成形尺寸精度越低，成形誤差高達32.5～80 μm。這主要因為懸垂面在成形過程中懸于金屬粉末之上，傾斜角度越小，在層厚一定的情況下，粉末支撐區(qū)域就越大，粉末支撐區(qū)域的熱導率只有相應成形實體材料的1/100，熱傳導效果很差，熱應力得不到及時傳遞，又由于組織應力和殘余應力作用，當應力累積超過材料的強度，會產(chǎn)生塑性變形，從而引起翹曲變形；同時應力釋放容易導致在輪廓端點和邊緣等處發(fā)生形變或破壞，所以懸垂特征結構的翹曲變形多發(fā)生在底部和頂部的邊緣線處，且向中心延伸。因此，傾斜角度越大，對懸垂面邊緣線寬度的影響越小，成形精度越高。

圖6　傾斜角度和懸垂面邊緣線寬度之間的關系

2.1.2對懸垂面成形角度的影響

表2是成形之后懸垂角度與設計角度的比較。測量后發(fā)現(xiàn)兩種掃描策略下，傾斜角度為50°時，誤差值最小。整體表明，傾斜角度越小，成形角度誤差越大。這主要因為傾斜角度較小時，成形過程中的熱量只能沿著橫向慢慢消散，導致橫向應力較大，懸垂面每一層加工的邊緣容易產(chǎn)生翹曲變形，變形累積后影響懸垂試件整體的尺寸精度；而且傾斜角度越小，粉末支撐區(qū)域越大，但是粉末的支撐能力相對成形實體較弱，造成靠近懸垂面局部區(qū)域的熱傳導效率低，該區(qū)域的熔池體積容易發(fā)生收縮，單位能量密度瞬間增大，使得熱應力不均勻分布而引起翹曲變形，這些都會影響后層的加工，從而導致懸垂面成形角度與設計角度誤差變大。

表2　成形角度與設計角度之間的比較

2.1.3對懸垂面表面粗糙度的影響

如圖7所示，傾斜角度為30°時，表面粗糙度值Ra達到20 μm左右；而當傾斜角度增大至50°時，表面粗糙度值只有10 μm左右，表面質量明顯改善。說明傾斜角度是影響懸垂面表面質量的關鍵因素，傾斜角度越小表面質量越差。這主要是因為傾斜角度較小時，粉末支撐區(qū)域變大，激光能量得不到及時傳遞，能量集聚使得熔池體積發(fā)生收縮，導致單位能量密度變大，容易熔化激光燒結層底下的金屬粉末顆粒，造成在懸垂面出現(xiàn)嚴重的粉末黏結現(xiàn)象，增大了懸垂面的表面粗糙度。

圖7　傾斜角度和懸垂表面粗糙度值之間的關系

從以上分析得出，傾斜角度對懸垂面成形質量最顯著的影響是邊緣線輪廓精度、成形角度和表面粗糙度，而這三者又是影響最終試件的成形質量和力學性能的關鍵因素。

2.2掃描策略的影響分析

同樣的懸垂面結構SLM成形，掃描策略的影響規(guī)律是：①當傾斜角度在40°以下時，Z形掃描策略對懸垂面邊緣線寬度的影響較??；當傾斜角度在40°以上時，島形掃描策略能夠顯著提高懸垂面邊緣線輪廓精度(圖6)。②當傾斜角度小于40°時，島形掃描策略對成形角度誤差影響更大(0.5°～0.9°)；當傾斜角度大于40°時，島形掃描策略能夠明顯改善成形角度誤差，優(yōu)于Z形掃描策略(圖8)。③島形掃描策略下成形懸垂面的表面粗糙度值都比Z形掃描策略要大(圖7)，尤其是傾斜角度較小的情況下，其成形表面質量更差(Ra=20 μm)。對于懸垂表面質量要求較高的復雜零部件，后期仍需精密加工。

圖8　不同傾斜角度下的兩種掃描策略成形角度誤差

由于島形掃描策略是將每一熔融層按規(guī)定大小(5 mm×5 mm)劃分為一個個的“孤島”，激光隨機曝光，對于截面尺寸較小的零件而言，燒結過程中的冷卻速率較大，這種掃描策略會使“孤島”邊界之間的激光能量密度分布交錯，當傾斜角度較小時，相對粉末支撐區(qū)域大，熱導率比燒結固體的低，這種島形隨機掃描會使靠近懸垂面邊緣的“熱影響區(qū)”多次曝光，造成局部相對能量過高，產(chǎn)生過多熔融粉末顆粒，引起黏附和團聚現(xiàn)象，這會大大降低成形精度和表面質量；而且熱應力與組織應力的作用，容易引起翹曲變形。而Z形掃描策略主要是一個連續(xù)形的能量分布，為較小角度的懸垂面激光燒結提供了一個熱量過渡，避免了短暫的過熱和過冷現(xiàn)象。但是隨著懸垂角度的增大(增至40°)，粉末支撐區(qū)域較小，而已燒結層的熱傳導率高，使得島形掃描策略大大改善成形角度和懸垂邊緣線精度，說明島形掃描更適合于懸垂角度高的零件SLM成形。

2.3基于熔池數(shù)據(jù)的動態(tài)分析

本實驗結合QM-Meltpool監(jiān)測系統(tǒng)，每個樣件能夠獲得197～330組有效的熔池面積數(shù)據(jù)，利用數(shù)學統(tǒng)計進行均值求解，結果如圖9所示。

(a)面

(b)輪廓圖9　不同傾斜角度下面和輪廓的熔池面積

從圖9看出，當傾斜角度小于40°時，面和輪廓的熔池面積均值越來越小，當大于40°時，熔池面積均值趨于穩(wěn)定。因為傾斜角度較小的情況下，粉末支撐區(qū)域變大，可以熔化的粉末多于正常量，熔化深度大，造成熔池面積減小，面和輪廓的熔池均減小了一半；同時，熔池由于重力和毛細管力的作用侵入到粉末里，熔池面積也會減小，而熔池的沉降易熔化激光燒結層底下的金屬粉末顆粒，造成在懸垂面出現(xiàn)嚴重的粉末黏結，導致傾斜角度越小的試件懸垂表面粗糙度越大；加上粉末支撐區(qū)域的熱導率較小，也會造成該區(qū)域熱應力和殘余應力過大，引起懸垂邊緣翹曲變形，增大了懸垂結構的成形角度誤差。當傾斜角度大于40°時，實體支撐區(qū)域變多，熱傳導效果得到明顯改善，熔池能量大部分被熔融層吸收，多余能量沿著成形實體快速傳遞，降低了熱應力集中，熔深變化較小，熔池形態(tài)較穩(wěn)定；而且實驗使用的工藝參數(shù)合適，能量密度分布均勻，沒有產(chǎn)生較大的熱量集聚效應和過熔現(xiàn)象，成形過程穩(wěn)定，也保證了熔池形狀，面和輪廓的熔池面積均值在110和60左右，熔池面積均值漸漸趨于穩(wěn)定，成形缺陷變少。從以上分析發(fā)現(xiàn)，傾斜角度越小，對應熔池面積均值越小，成形角度誤差和表面粗糙度越大，邊緣線輪廓精度越低。有研究表明，熔池的面積隨吸收能量的增加而逐漸增大[13]，說明即使在工藝參數(shù)一樣的情況下，由于傾斜角度和掃描策略的不同，激光能量密度的分布不一，對成形質量產(chǎn)生影響。

實驗還發(fā)現(xiàn)，島形掃描策略比Z形掃描策略的熔池面積均值都要小，面的熔池面積均值大于輪廓的面積均值。不同的掃描策略，輪廓的熔池動態(tài)變化較大，面的熔池動態(tài)變化較??；不同的傾斜角度，面的熔池動態(tài)變化最大，輪廓的熔池動態(tài)變化較小。說明傾斜角度對成形質量的影響主要與面掃描的熔池動態(tài)變化有關，掃描策略對成形質量的影響主要與邊緣輪廓掃描的熔池變化有關。

結合以上分析，熔池的動態(tài)變化會直接影響SLM成形質量，而熔池數(shù)據(jù)的動態(tài)分析能夠驗證傾斜角度和掃描策略對于懸垂面SLM成形的影響規(guī)律，為分析最終成形質量提供依據(jù)。

3結論

(1)傾斜角度對懸垂特征結構SLM成形質量的影響較大，主要表現(xiàn)在懸垂面邊緣線寬度精度、成形角度和表面粗糙度。傾斜角度越小，邊緣線寬度誤差越大，邊緣翹曲變形越嚴重，成形角度誤差越大，表面越粗糙。

(2)當傾斜角度小于40°時，Z形掃描策略較好；當傾斜角度大于40°時，島形掃描策略優(yōu)于Z形掃描策略，能夠明顯改善成形角度誤差。隨著懸垂角度的增大，島形掃描策略大大改善成形角度和懸垂邊緣精度。

(3)基于熔池數(shù)據(jù)曲線分析，傾斜角度越小，熔池均值越小，成形角度誤差和表面粗糙度越大，邊緣線精度越低。

(4)熔池監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時采集SLM成形過程中熔池的動態(tài)變化數(shù)值，為分析懸垂特征結構的成形質量提供一個有效的工具。實驗發(fā)現(xiàn)，輪廓的熔池動態(tài)變化與懸垂面SLM成形質量密切相關，而輪廓的工藝參數(shù)是影響熔池動態(tài)變化的主要因素。

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(編輯王旻玥)

收稿日期：2015-07-07

基金項目：一院高校聯(lián)合創(chuàng)新基金項目(CALT201309)；江蘇省高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目

中圖分類號：TN201

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.13.020

作者簡介：吳根麗，男，1989年生。南京理工大學機械工程學院碩士研究生。主要研究方向為增材制造工藝優(yōu)化與應用研究。劉婷婷，女，1975年生。南京理工大學機械工程學院副教授。張長東，男，1984年生。南京理工大學機械工程學院講師。廖文和，男，1965年生。南京理工大學機械工程學院教授、博士研究生導師。

Research on Forming Quality of Overhanging Structure by Selective Laser Melting

Wu GenliLiu TingtingZhang ChangdongLiao Wenhe

Nanjing University of Science and Technology,Nanjing,210094

Abstract:In order to reduce forming errors and improve the ability of forming complex structures by SLM, the impacts of inclinable angle, scanning strategy and supporting structure for forming quality of overhanging structure by SLM were studied herein, where the Ti6Al4V metal powder was used and an overhanging structural model with different angles was designed. Results show that the smaller the inclinable angle, the bigger the width errors of draping the edge lines (>80 μm) and surface roughness (>20 μm), and the more serious of warp and deformation; the overall forming quality of random scanning strategy within island-type is poorer than that of orthogonal scanning strategy within Z-type, but the influences on different overhanging structures are not the same. A reference was provided for SLM forming overhang feature structures, combining the QM-Meltpool monitoring system, and the impact analyses of inclinable angle and scanning strategy were completed based on the perspective of meltpool.

Key words:Ti6Al4V metal powder; selective laser melting(SLM); overhanging structure; forming quality