選區(qū)激光熔化技術(shù)特性及其研究現(xiàn)狀

蔣 浩 潘 濤 吳文征*

（1、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京210000 2、吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130000）

1 概述

選區(qū)激光熔化技術(shù)（Selective Laser Melting，SLM）年由德國(guó)Frauhofer 研究所于1995 年提出，其技術(shù)原理如圖1 所示。激光束經(jīng)過(guò)掃描振鏡聚焦在粉床表面，并按照模型切片路徑熔凝粉體，最終通過(guò)逐層累積實(shí)現(xiàn)樣件制備。

SLM 技術(shù)逐層累積成形的特點(diǎn)幾乎可以實(shí)現(xiàn)任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成形；高功率的激光束能夠在極短的時(shí)間內(nèi)熔凝粉末顆粒；精密的光路系統(tǒng)可以精確控制激光束在粉床表面運(yùn)動(dòng)。因此，相較于選區(qū)激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）、激光近凈成形(Laser Engineered Net Shaping，LENS)等3D 打印技術(shù)，SLM 技術(shù)成形件具有更為優(yōu)異的力學(xué)性能和成形精度[1]。本文主要介紹SLM 技術(shù)的優(yōu)異特性及其研究現(xiàn)狀。

表1 典型SLM 設(shè)備參數(shù)[4-5]

2 力學(xué)性能優(yōu)異

目前，諸多材料SLM 成形樣件的力學(xué)性能已經(jīng)能夠媲美甚至超過(guò)傳統(tǒng)制造方式。其中，316L 不銹鋼、CoCr 合金、Ni625 的SLM 成形件的屈服應(yīng)力比鍛造件提高了約50%[2]，Ti6Al4V 的SLM 成形樣件的拉伸強(qiáng)度高出鍛造件的50%，極限強(qiáng)度也顯著提升[3]。

表2 典型工藝制備樣件性能對(duì)比

高能量密度的激光束是SLM 樣件具備優(yōu)異力學(xué)性能的根本原因。高功率激光器所發(fā)射的激光束首先通過(guò)光路系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)束、準(zhǔn)直處理，最終聚焦于粉床表面形成具有極高能量密度的微細(xì)激光光斑。因此，激光束照射區(qū)域的微量粉末顆粒能夠被完全熔化，樣件內(nèi)部熔道、成形層之間則能夠在熔融狀態(tài)下形成牢固的冶金結(jié)合。

同時(shí)，由于激光光斑尺寸小，SLM 成形過(guò)程中熔池的尺寸通?？刂圃谖⒚壮叨龋鄢貎?nèi)的熔體因此具有極快的凝固-冷卻速率（103-108K/s）[9]。在此條件下，樣件中結(jié)晶組織的生長(zhǎng)時(shí)間極短，能夠形成均勻的細(xì)晶組織，并有效抑制了合金元素的偏析，樣件在受力過(guò)程中能夠形成更多的剪切帶，有利于獲得綜合性能良好的零件。[10]

圖2

此外，SLM 成形過(guò)程中激光的掃描策略、樣件的構(gòu)建方向、樣件結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化、材料復(fù)合改性以及后處理工藝等環(huán)節(jié)都能夠?qū)蛹W(xué)性能產(chǎn)生顯著的影響。

基于離散-累積的成形原理，3D 打印技術(shù)成為結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)打開(kāi)了新的世界。有效的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)不但能夠顯著減小零件重量、節(jié)約材料成本，還可以有效提升零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。EOS 公司對(duì)空客公司A320 客機(jī)的機(jī)艙門鉸鏈托架零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，并通過(guò)SLM 制備實(shí)現(xiàn)。最終，金屬材料節(jié)約75%，零件減重約10kg，實(shí)現(xiàn)了更為優(yōu)異的使用效能[11]。Harris研究小組通過(guò)SLM 技術(shù)制造金屬堆疊的折紙多孔材料，研究不同網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對(duì)樣件力學(xué)性能的影響。相較于傳統(tǒng)的沖壓、粘接等傳統(tǒng)制造技術(shù)，具有更為優(yōu)異的力學(xué)性能[12]。

只要通過(guò)合理的混合工藝實(shí)現(xiàn)粉體均勻混，SLM 技術(shù)對(duì)增強(qiáng)體的添加幾乎沒(méi)有限制。主要原因在于高功率的激光束能夠迅速在增強(qiáng)體表面形成微熔層，進(jìn)而能夠與基體材料熔體緊密結(jié)合，具有較高的結(jié)合強(qiáng)度。顧冬冬等人對(duì)金屬基復(fù)合材料SLM 成形的研究結(jié)果表明：陶瓷顆粒在選區(qū)激光熔融成形過(guò)程中存在顯著的微熔擴(kuò)散行為。增強(qiáng)體原子在基體中的擴(kuò)散能夠顯著影響基體組織的生長(zhǎng)演化，并能夠與基體材料形成均勻的過(guò)渡結(jié)合層[13]。

除此之外，通過(guò)添加石墨烯、銅等材料進(jìn)一步修飾樣件的理化學(xué)性能，SLM 技術(shù)在制備復(fù)合材料樣件方面具有廣闊前景。

圖3

在成形層內(nèi)部，激光掃描策略對(duì)樣件的性能也具有顯著影響。單向和S 形往復(fù)掃描策略（見(jiàn)圖4（a）、（b））極易在樣件內(nèi)部累積較大的應(yīng)力，其單向排列的熔道之間也有可能形成孔隙夾雜缺陷。分區(qū)掃描掃描策略（見(jiàn)圖4（c））有助于提升樣件輪廓精度，但是其內(nèi)部也極易形成應(yīng)力集中，在薄壁零件中則容易引起產(chǎn)生翹曲變形現(xiàn)象。輪廓偏移掃描策略（見(jiàn)圖4（d））則能夠很好的抑制樣件內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但同時(shí)也存在區(qū)域搭接孔隙的缺陷。掃描路徑的選擇需要根據(jù)成形樣件的截面形狀、尺寸，以及粉體材料的性能綜合考量決定[15]。

SLM 成形樣件的力學(xué)性能根據(jù)構(gòu)建方向不同也有較大的變化，這是由于SLM 技術(shù)逐層累積的特點(diǎn)使形層之間的結(jié)合強(qiáng)度極易受粉末均勻性、雜質(zhì)、熔滴飛濺等因素影響，樣件力學(xué)性能，特別是沿構(gòu)建方向的拉伸性能較弱。構(gòu)建方向的選擇，需要綜合考量零件的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場(chǎng)景[16]。Alena 等人通過(guò)研究不同構(gòu)建方向下Inconel 625 樣件的力學(xué)性能，在拉伸樣件的軸線與基板呈45°時(shí)獲得最佳的力學(xué)性能[17]。在工程實(shí)踐中，除特殊需求或結(jié)構(gòu)的零件，一般選擇樣件的最大截面或最長(zhǎng)軸線平行基板構(gòu)建。

圖4

圖5 Vertical，flat，edge 三種構(gòu)建方向[18]

由于SLM 成形過(guò)程中存在劇烈的熱力學(xué)變化，樣件中極易存在殘余應(yīng)力，通過(guò)合理的后處理手段，則能夠顯著改善SLM成形件性能。Alena 課題組研究了Inconel 625 SLM 成形樣件在不同后處理工藝下機(jī)械性能的變化。從圖6（b）中可以看到，Horizontal 和45°構(gòu)建的成形件經(jīng)去應(yīng)力退火（stress relief annealing，SR）處理后，極限拉伸強(qiáng)度（Ultimate tensile strength，UTS）得到明顯的增強(qiáng)。樣件伸長(zhǎng)率則在所有后處理工藝條件下均能得到提升[17]。后處理工藝的選擇需要根據(jù)樣件尺寸、用途、材料等條件進(jìn)行選擇。

圖6 Inconel 625

3 成形精度好

通過(guò)高精度掃描振鏡系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)以及微細(xì)的激光束，SLM 技術(shù)已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)到較高的成形精度。EOS M270 的成形尺寸精度達(dá)到20-80μm，而Realizr 100 的尺寸精度則達(dá)到20-50μm。Anna 研究組在不同工藝下制備義齒植入結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)：相比鑄造成形和軟金屬銑削（Soft Metal Block milling，SMB），SLM 技術(shù)制成的義齒三單元支架具有更高的尺寸精度，成形穩(wěn)定性也更高[19]。

圖7 不同工藝制造的義齒支架（A：Cast，B：SMB，C：SLM）[19]

SLM 成形樣件的精度受多方面因素的影響。首先是SLM 設(shè)備存在的誤差。其中，主要的誤差來(lái)自于激光掃描系統(tǒng)。這是由于激光掃描系統(tǒng)的雙振鏡掃描模塊形成的激光掃描軌跡存在先天的枕形畸變；而動(dòng)態(tài)聚焦透鏡形成的激光焦點(diǎn)軌跡在成形邊界區(qū)域與工作平面分離[20]。華南理工大學(xué)何興容在研究中發(fā)現(xiàn)，SLM 設(shè)備誤差對(duì)樣件Z 方向尺寸精度影響顯著，特別是在調(diào)整激光掃描系統(tǒng)誤差補(bǔ)償后發(fā)現(xiàn)。而當(dāng)光斑補(bǔ)償值為光斑直徑的1.2 至1.4 倍時(shí)，SLM 成型件尺寸精度能達(dá)到0.06mm[21]。此類誤差目前只能通過(guò)計(jì)算補(bǔ)償?shù)姆绞綔p小其對(duì)樣件精度的影響。

其次是成形工藝及參數(shù)設(shè)置。SLM 成形工藝與參數(shù)之間存在復(fù)雜的關(guān)系，當(dāng)激光能量密度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致熔道膨脹，樣件翹曲變形；反之則導(dǎo)致孔隙、粉末夾雜，樣件形狀畸變。華中科技大學(xué)的付立定分析了光斑直徑、熱擴(kuò)散區(qū)、切片厚度對(duì)SLM 零件尺寸精度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，XY 方向精度受層厚影響較大，Z 方向精度受掃描間距影響較大[22]。成形工藝參數(shù)的設(shè)置需要結(jié)合材料性能、設(shè)備性能，通過(guò)大量的試驗(yàn)表征確定。

最后是樣件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于SLM 成形過(guò)程中局部存在劇烈熔融和冷卻收縮過(guò)程，樣件中薄壁、懸臂、多孔等微型結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生翹曲、裂紋等缺陷，飛濺熔滴和粉末顆粒也極易附著在此類結(jié)構(gòu)表面。華南理工大學(xué)羅子藝研究了薄壁零件尺寸精度與SLM 加工參數(shù)之間的聯(lián)系，在優(yōu)化的工藝參數(shù)條件下獲得了最小壁厚為0.1mm 的薄壁零件[23]。微細(xì)、薄壁結(jié)構(gòu)SLM 成形時(shí)，在選擇最優(yōu)成形參數(shù)的基礎(chǔ)上，盡可能通過(guò)添加支撐結(jié)構(gòu)等輔助結(jié)構(gòu)抑制其變形。

4 致密度高

不同于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（Selective Laser Sintering，SLS）技術(shù)中粉末顆粒部分熔融，相互粘接成形。SLM 配備的高功率激光束能夠完全熔融粉末顆粒，材料熔體能夠與基體均勻結(jié)合，充分填充成形過(guò)程中存在的空隙。因此，SLM 成形件致密度也已經(jīng)能夠達(dá)到約99%，部分材料成形件的致密度甚至能達(dá)到99.5%以上[18]。獲得高致密度的SLM 樣件必須結(jié)合具體材料的性能不斷調(diào)試成形參數(shù)（掃描速度、激光功率、鋪粉層厚等），均勻熔融粉末顆粒，避免發(fā)生過(guò)熔飛濺、裂紋，或者是欠熔粉末夾雜。同時(shí)，流動(dòng)性良好、粒徑分布尺寸均勻的粉末顆粒則能夠提升粉體密度，均勻向下傳導(dǎo)熱量，避免形成孔隙夾雜[24]。

圖8 激光掃描速度與孔隙面積的關(guān)系[25]

SLM 技術(shù)的優(yōu)異特性得到了各個(gè)國(guó)家、行業(yè)廣泛關(guān)注。在對(duì)零部件重量、結(jié)構(gòu)具有嚴(yán)苛要求的醫(yī)療植入、航空航天等領(lǐng)域中，SLM 技術(shù)也已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈。在當(dāng)前全球數(shù)字化背景下掀起的智能制造浪潮中，SLM 技術(shù)對(duì)未來(lái)產(chǎn)業(yè)和科技的發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

5 存在的問(wèn)題

SLM 技術(shù)雖然已經(jīng)到得到了廣泛的應(yīng)用，但是現(xiàn)階段在研究和應(yīng)用端仍然存在諸多需要解決的問(wèn)題。

5.1 成形效率低。SLM 激光束瞬間熔融微量的粉末，單位時(shí)間內(nèi)加工材料量較少，加工效率較低。當(dāng)前，通過(guò)多激光束協(xié)同、一體化粉末回收系統(tǒng)等措施有效提升了成形效率。

5.2 使用成本高。高功率激光器、高精度的光學(xué)系統(tǒng)、惰性氣體保護(hù)的密閉成形室，以及球形粉末材料使SLM 技術(shù)具有較高的使用成本，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展。降低使用成本將是SLM 技術(shù)急需解決難題。

6 研究展望

SLM 技術(shù)優(yōu)異的特性為零部件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供了全新的解決方案，應(yīng)用前景廣闊。但是，SLM 也存在諸多尚未解決的問(wèn)題和短板需要解決和彌補(bǔ)。未來(lái)，SLM 技術(shù)需要結(jié)合行業(yè)需求，優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝流程、降低使用成本。同時(shí)從微觀角度著手，深入研究熔池演變過(guò)程，進(jìn)一步提升成形質(zhì)量。