大面積薄壁結(jié)構(gòu)激光選區(qū)熔化成形工藝研究

徐瑩 張亮 付興

摘? 要：激光選區(qū)熔化成形技術(shù)是以原型制造技術(shù)為基本原理發(fā)展起來的一種先進(jìn)的激光增材制造技術(shù)。該文以大面積薄壁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)構(gòu)件增材制造為例，對(duì)相同參數(shù)下不同厚度基板成形工藝進(jìn)行差異性研究，分析影響成形質(zhì)量的相關(guān)因素，為提高SLM增材制造高溫合金金屬零件成形精度提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：增材制造;激光選區(qū)熔化;SLM;金屬粉末成形;基板;成形精度

中圖分類號(hào)：TG665;TH161? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

增材制造技術(shù)（俗稱“3D打印”技術(shù)），是最近30年逐漸發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)[1]。增材制造技術(shù)由于具有工藝周期短、精度高以及低成本、不受結(jié)構(gòu)限制的制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)，正在成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，被越來越多地應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。

在復(fù)雜精密金屬零件制造領(lǐng)域，對(duì)零件的尺寸精度有嚴(yán)格的要求，提高尺寸精度，可以縮短零件的后處理時(shí)間，降低制造成本[2]。尺寸精度是激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)中的關(guān)鍵問題，對(duì)零件的質(zhì)量有至關(guān)重要的影響。而激光選區(qū)熔化涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域，是集成粉末冶金技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、機(jī)械、計(jì)算機(jī)和真空技術(shù)為一體的復(fù)雜制造新技術(shù)。如何控制復(fù)雜的激光選區(qū)熔化增材制造從而獲得高精度的金屬構(gòu)件是目前研究的主要內(nèi)容。

該文分析了激光選區(qū)熔化增材制的特點(diǎn)，對(duì)影響成形質(zhì)量的相關(guān)因素進(jìn)行研究。使不同厚度基板分別在相同的激光功率、相同的激光掃描速度狀態(tài)下“生長(zhǎng)”薄壁類型零件。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，初步提出一些用于激光選區(qū)熔化的零件設(shè)計(jì)制造規(guī)則。為了綜合考察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)一個(gè)具有大面積薄壁結(jié)構(gòu)的零件并進(jìn)行激光選區(qū)熔化成行。分析了零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了工藝參數(shù)，提出了工藝方案，最終形成了具有較高精度的薄壁類型的金屬零件。

1 激光選區(qū)熔化原理及優(yōu)勢(shì)

目前增材制造技術(shù)的種類繁多，激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，基于離散-分層-疊加的原理，利用高能激光束將金屬粉末材料直接成形為致密的三維實(shí)體制件，成形過程不需要任何工裝模具，也不受制件形狀復(fù)雜程度的限制，是當(dāng)今世界最先進(jìn)的、發(fā)展速度最快的一種金屬增材制造技術(shù)[3] 。由于采用細(xì)微聚焦光斑的激光束作為成形能量源、高速高精度掃描振鏡作為加工光束控制單元及采用更薄的層厚控制技術(shù)，因此，SLM技術(shù)在成形精密金屬零件方面比其他增材制造技術(shù)更具有優(yōu)勢(shì)[4-5]。

2 工藝研究及驗(yàn)證應(yīng)用

2.1 設(shè)備與原材料

該次研究使用型號(hào)為TSC-X350C選區(qū)熔化成形設(shè)備，選取氣霧化鎳基合金GH4169高溫合金粉末新粉作為成形原料（見表1）。GH4169合金是以r"和r'相為淀強(qiáng)化相的一種鎳—鉻—鐵基變形高溫合金，在650 ℃以下，其力學(xué)性能具有良好的穩(wěn)定性，在航空航天中得到廣泛應(yīng)用。粉末粒度范圍為15 μm ～5 3 μm，且滿足粒度D10≥15 μm、30 μm ≤D50≤40 μm、D90≤53 μm，粉末的安息角≤45°，粉末球形度達(dá)到0.92以上。

2.2 工藝研究

2.2.1 基板準(zhǔn)備

為了更好地進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分別選取尺寸為246 mm×

246 mm×40 mm，246 mm×246 mm×25 mm? 2種厚度基板?；迨歉鶕?jù)成形粉末種類選擇基體為經(jīng)過固溶+時(shí)效處理的GH4169高溫合金板。2個(gè)基板平面度均≥0.03 mm，平行度≥0.04 mm。用無水乙醇和脫脂棉將其清潔干凈。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

增材制造技術(shù)是綜合多學(xué)科的新技術(shù)[6]，該次只對(duì)其中3個(gè)因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在成形過程中，基板與構(gòu)件相互影響，基板的變形影響構(gòu)件的尺寸精度。實(shí)驗(yàn)分為9組（表2）在相同工藝參數(shù)下，不同厚度的基板上分別生長(zhǎng)150 mm×100 mm×4 mm的薄板。成形后進(jìn)行尺寸檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，基板均發(fā)生了變形，功率越小基板變形越小。功率越大，基板變形越大。掃描速度越高，基板變形越大。掃描速度越低，基板變形越小?；逶奖?，基板變形越大?；逶胶瘢遄冃卧叫?。根據(jù)現(xiàn)象與檢測(cè)的數(shù)據(jù)及點(diǎn)云色譜圖可以分析得出：零件打印初期，基板變形進(jìn)入激烈區(qū)，隨后進(jìn)入平滑區(qū)，很快進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)。

2.3 原因分析

由于激光選區(qū)熔化增材制造涉及的學(xué)科多，如機(jī)械技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)以及力學(xué)等，因此影響成形尺寸精度因素的機(jī)理是極其復(fù)雜的。成形過程中，熔化區(qū)局部經(jīng)受一個(gè)不均勻的快熱快冷作用。在高能激光束的作用下，熔池周圍被急劇加熱，并局部熔化堆積，與基板間存在較大溫度差。這部分材料受熱而膨脹，承受一個(gè)壓應(yīng)力的作用。熔化區(qū)域在隨后的凝固冷卻過程中收縮變形，受到周圍區(qū)域的束縛，受到一個(gè)拉伸應(yīng)力的作用，而周圍處于較低溫度狀態(tài)的材料則處于壓應(yīng)力，形成翹曲。因此，在打印時(shí)盡量選擇和打印材料相同材質(zhì)以及適當(dāng)厚度的基板，以減小由于熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)相差較大而形成較大的殘余應(yīng)力及應(yīng)力變形。

2.4 驗(yàn)證應(yīng)用

為了綜合驗(yàn)證成形的尺寸精度，該文設(shè)計(jì)了一種具有大面積薄壁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、選取材料為GH4169，尺寸為

179 mm×122 mm×4 mm的殼體（圖1）進(jìn)行選區(qū)熔化增材制造。該構(gòu)件壁厚為4 mm，對(duì)角線最長(zhǎng)尺寸291mm，最高尺寸約為142 mm。對(duì)于成形范圍為250 mm×250 mm×310 mm的試驗(yàn)設(shè)備來說，基本上已達(dá)到設(shè)備成形極限。零件具有大尺寸、薄壁的特點(diǎn)，相比結(jié)構(gòu)件曲面類零件采用激光選區(qū)熔化工藝成形難度更高。選取優(yōu)化后的工藝參數(shù)：主體激光功率400 W、掃描速度2 000 mm/s、鋪粉厚度0.03 mm、掃描間距0.06 mm、尺寸為246 mm×246 mm×

40 mm的GH4169材料基板。為了避免零件產(chǎn)生一些性能上的缺陷，選擇了合理的控制零件的生長(zhǎng)方向。并且在擺放位置確定后添加支撐，使其起到導(dǎo)熱、固定以及限制變形的作用。按確定工藝方案：烘粉→裝基板→加熱基板→檢測(cè)→第一層鋪粉→充氬氣→激光成形→清理→剝離→熱處理→后處理→檢驗(yàn)進(jìn)行激光選區(qū)熔化成形。最終得到了尺寸精度到±0.05 mm，成形結(jié)果如圖2所示。

3 結(jié)論

該文通過激光選區(qū)熔化增材制造件的成形尺寸精度展開了大面積薄壁結(jié)構(gòu)激光選區(qū)熔化成形工藝研究，結(jié)果表明：激光選區(qū)熔化成形尺寸精度影響因素的影響機(jī)理是極其復(fù)雜的。基板厚度對(duì)成形精度有較大影響，合理選擇基板厚度以及工藝參數(shù)是控制成形尺寸精度的有效途徑。

參考文獻(xiàn)

[1]Zhai Y，Lados D A，LaGoy J L.Additive Manufacturing：Making Imagination the Major Limitation[J].Jom，2014，66（5）：808-816.

[2]楊永強(qiáng)， 盧建斌， 王迪， 等.316L不銹鋼選區(qū)激光熔化快速成型非水平懸垂面研究[J]. 材料科學(xué)與工藝， 2011， 19（6）： 94-99.

[3] 史玉升，魯中良，章文獻(xiàn)，等.選擇性激光熔化快速成形技術(shù)與裝備[J].中國表面工程，2006，19（s1）：150-153.

[4]楊永強(qiáng)，王迪，吳偉輝.金屬零件選區(qū)激光熔化直接成型技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國激光，2011，38（6）：54-64.

[5]顧冬冬，沈以赴.基于選區(qū)激光熔化的金屬零件快速成形現(xiàn)狀與技術(shù)展望[J].航空制造技術(shù)，2012（8）：32-37.

[6]包國光， 趙默典. 3D打印技術(shù)的本質(zhì)特征及產(chǎn)業(yè)化對(duì)策探析[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)（社科版）， 2016， 18（2）： 111-117.