鋁合金激光增材制造支撐布局及精確成形機(jī)制

楊建凱，顧冬冬,*，葛慶，檀晨晨，文雨

1. 南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210016 2. 江蘇省高性能金屬構(gòu)件激光增材制造工程實(shí)驗(yàn)室，南京 210016

選區(qū)激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)是一類面向中小型復(fù)雜構(gòu)件一體化成形的激光增材制造(Laser Additive Manufacturing, LAM)技術(shù)，具有成形精度高、適用性廣的優(yōu)勢(shì)，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。SLM技術(shù)基于逐層鋪粉、激光逐層選區(qū)熔融、多層堆積的方式成形三維復(fù)雜構(gòu)件，主要包含以下步驟：① 鋪粉臂將金屬粉末均勻鋪展在基板上，形成金屬粉末薄層(層厚一般為30～50 μm)，隨后激光按照模型切片軌跡選擇性地熔融金屬粉末形成三維構(gòu)件的初始層；② 鋪粉臂再次將金屬粉末鋪展在已成形層，使其上表面均勻覆蓋金屬粉末層，隨后激光按照既定軌跡熔融金屬粉末層，將金屬粉末層完全熔化以及將已成形層部分熔化，在金屬凝固過(guò)程中使上下兩層熔融粘結(jié)；③ 重復(fù)以上步驟直至三維構(gòu)件完全成形。在此過(guò)程中，如果三維復(fù)雜構(gòu)件含有懸垂結(jié)構(gòu)特征，金屬粉末層將不是在已成形層上熔化凝固，而是直接在粉床上熔化凝固，由此會(huì)帶來(lái)一系列成形問(wèn)題，例如：變形、掛渣(未熔金屬粉末粘結(jié))、翹曲等。因此，在SLM成形三維復(fù)雜構(gòu)件時(shí)需要在懸垂結(jié)構(gòu)特征下方添加支撐結(jié)構(gòu)，一方面，支撐結(jié)構(gòu)使懸垂面得以成形；另一方面，支撐結(jié)構(gòu)連接成形構(gòu)件與基板，在后期線切割分離構(gòu)件與基板過(guò)程中避免破壞成形構(gòu)件外表面。

應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的復(fù)雜構(gòu)件在SLM成形過(guò)程中大多需要添加支撐結(jié)構(gòu)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)油管具有變內(nèi)徑、特定彎曲角度的形狀特征，SLM技術(shù)是一種理想的成形方式，如圖1(a)所示為航空發(fā)動(dòng)機(jī)油管在SLM前處理中添加支撐后的模型，圖1(b)為SLM成形后的航空發(fā)動(dòng)機(jī)油管，可見(jiàn)在每處懸垂結(jié)構(gòu)特征下方均分布有支撐結(jié)構(gòu)以保證其成形性。同樣，整體渦輪盤(pán)，如圖1(c)所示，由于葉片的扭轉(zhuǎn)特征會(huì)產(chǎn)生大面積的懸垂結(jié)構(gòu)，在SLM成形時(shí)需要在懸垂結(jié)構(gòu)部分添加支撐結(jié)構(gòu)以保證葉片的成形性(如圖1(d)所示)。對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)的性能主要有以下兩方面的要求：① 足夠的強(qiáng)度，SLM工藝極大的冷卻速度(10～10K/s)和溫度梯度將會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余熱應(yīng)力，支撐結(jié)構(gòu)必須具有足夠的強(qiáng)度以防止構(gòu)件產(chǎn)生翹曲變形或開(kāi)裂；② 易去除性，支撐結(jié)構(gòu)作為SLM成形過(guò)程的輔助性結(jié)構(gòu)，需要在對(duì)成形構(gòu)件后處理中去除，因此應(yīng)當(dāng)具備易加工去除性。同時(shí)，支撐去除后也會(huì)在構(gòu)件表面留下痕跡，降低成形性，如何合理優(yōu)化支撐布局及保證激光精確成形成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。目前應(yīng)用于SLM的支撐主要有塊狀支撐、面狀支撐、網(wǎng)狀支撐及圓錐形支撐(如圖1(e)所示)，其中塊狀支撐適用性最高，應(yīng)用最廣泛，國(guó)內(nèi)外對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)的研究主要集中在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、強(qiáng)度及易去除性等方面。Gan等研究了Y字型(Y)、反Y字型(IY)、針狀(Pin)三類支撐的分布對(duì)薄板和立方體SLM成形質(zhì)量的影響機(jī)制，發(fā)現(xiàn)均勻分布的支撐有利于降低翹曲形變，非均勻分布的支撐由于改變了熱消散分布模式進(jìn)而導(dǎo)致熱應(yīng)力變形；洪軍等提出了十字支撐類、帶垂直板的單墻支撐類、斜板支撐類等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，有助于針對(duì)不同懸垂結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行對(duì)應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證懸垂特征與支撐的匹配性；Bobbio等對(duì)4種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的塊狀支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拉伸強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果表明支撐結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度為相同實(shí)驗(yàn)條件下完全致密材料拉伸強(qiáng)度的14%～32%；Leary等研究了塊狀支撐的力學(xué)性能及SLM加工過(guò)程的熱傳導(dǎo)行為，發(fā)現(xiàn)塊狀支撐的剝離強(qiáng)度遠(yuǎn)小于正拉強(qiáng)度，較短的支撐具有比較長(zhǎng)支撐更高的強(qiáng)度，增加支撐間距或者增加支撐高度均會(huì)導(dǎo)致熱傳導(dǎo)性的降低；Cao等針對(duì)塊狀和圓錐形兩類支撐結(jié)構(gòu)分析了其在洗削加工后處理過(guò)程中的表面粗糙度、銑削力、刀具磨損及切屑形成，結(jié)果表明塊狀支撐的銑削力、比切削能量、刀具磨損量均小于圓錐形支撐，因此塊狀支撐更適用于使用銑削加工去除。現(xiàn)有關(guān)于支撐結(jié)構(gòu)的研究大多集中在支撐結(jié)構(gòu)本身，支撐結(jié)構(gòu)去除后對(duì)成形構(gòu)件懸垂面組織性能的影響還沒(méi)有研究報(bào)道。

圖1 支撐結(jié)構(gòu)在SLM成形航空航天構(gòu)件的應(yīng)用及支撐類型Fig.1 Application of support structure in SLM fabricated aerospace components and types of support structure

基于以上論述，采用SLM方法成形了以塊狀支撐為支撐結(jié)構(gòu)的AlSi10Mg材料，研究了塊狀支撐間距對(duì)成形試樣致密度、表面形貌、底層成形性、顯微組織及顯微硬度的影響規(guī)律，并通過(guò)數(shù)值模擬方法揭示了支撐結(jié)構(gòu)對(duì)成形性的影響機(jī)理。研究結(jié)果對(duì)優(yōu)化SLM成形復(fù)雜構(gòu)件懸垂結(jié)構(gòu)支撐布局，避免支撐過(guò)度使用及材料浪費(fèi)；合理增加構(gòu)件模型加工余量以在后處理中將缺陷層去除，保證成形構(gòu)件成形精度及性能，實(shí)現(xiàn)激光精確成形具有較高的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選區(qū)激光熔化成形

采用Materialise Magics 17.0軟件對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，圖2(a)所示為塊狀支撐俯視圖，其中相鄰支撐間距為，支撐長(zhǎng)度為(=0.6 mm)，圖2(b)所示為支撐間距分別為=0.8 mm，=1.0 mm，=1.2 mm，=1.4 mm的SLM前處理模型。SLM加工原材料粉末采用氣霧化方法制備的球形AlSi10Mg粉末，平均粒徑為30 μm。SLM成形設(shè)備采用南京航空航天大學(xué)自研的選區(qū)激光熔化設(shè)備，主要包含最高功率為500 W的光纖激光器(IPG Laser GmbH, Burbach, Germany)、氬氣保護(hù)系統(tǒng)、自動(dòng)鋪粉系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?；谇捌趯?duì)SLM成形AlSi10Mg工藝探索，選定激光加工參數(shù)為：激光功率400 W，掃描速度2 200 mm/s，層厚30 μm，掃描間距50 μm。

1.2 組織性能表征方法

采用掃描電子顯微鏡(SEM, FEI-Quanta 200, USA)觀察去除支撐后試樣的下表面形貌，并采用三維表面輪廓儀(Axio CSM 700)測(cè)量試樣下表面的表面粗糙度。試樣致密度采用阿基米德排水法測(cè)定，為減小實(shí)驗(yàn)誤差，每個(gè)試樣測(cè)量3次。為進(jìn)行顯微組織觀察，對(duì)成形試樣側(cè)表面按照金相制備標(biāo)準(zhǔn)步驟進(jìn)行打磨、拋光處理，并利用凱勒試劑(2 mL HF+10 mL HCL+5 mL HNO+190 mL蒸餾水)對(duì)拋光后的試樣進(jìn)行腐蝕，時(shí)間為10 s。采用光學(xué)顯微鏡(OM, Olympus Corporation, Japan)對(duì)支撐結(jié)構(gòu)與試樣下表面交界處的成形性特征進(jìn)行觀察表征。利用SEM及X射線能譜儀(EDS)對(duì)試樣顯微組織及元素分布進(jìn)行觀察表征。采用維氏顯微硬度計(jì)(HV-1000, AMETEK, China)測(cè)定成形試樣側(cè)面下邊緣(支撐結(jié)構(gòu)與試樣下表面交界處)到中心位置的硬度變化，為減小實(shí)驗(yàn)誤差，每個(gè)位置沿水平方向測(cè)定3個(gè)硬度點(diǎn)，載荷100 g，保載時(shí)間20 s。

圖2 選區(qū)激光熔化塊狀支撐結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Model of block support structures for SLM

1.3 粉末顆粒熔化模擬控制方程

為分析支撐間距對(duì)金屬粉末在激光作用下熔化凝固的影響機(jī)理，建立了激光與金屬粉末顆粒作用的物理模型，采用流體體積(Volume of fluid, VOF)方法求解質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量方程及能量方程的耦合，計(jì)算不同相界面的演化。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

(2)

式中：、、分別代表、、方向上的速度。

動(dòng)量方程：

(3)

式中：為熔體動(dòng)態(tài)黏度；為壓強(qiáng)；為熔池中液固兩相所受到的力，包括熱毛細(xì)力、重力、粘滯阻力、浮力等。

能量方程：

(4)

式中：為熔池溫度；為熱導(dǎo)率；為能量源方程，即

(5)

式中：Δ為相變潛熱；為體積高斯分布的激光熱源，即

(6)

式中：為激光功率；為激光能量吸收率，對(duì)平均粒徑為30 μm的AlSi10Mg粉末，設(shè)定為0.22；為激光光斑直徑；為熱源滲透深度；e為自然數(shù)；、、分別為、、方向上的坐標(biāo)值。

2 支撐布局對(duì)成形性及組織性能的影響

2.1 SLM成形試樣致密度及表面形貌

圖3(a)所示為SLM成形的具有不同間距支撐結(jié)構(gòu)的試樣，從左至右支撐間距依次為=0.8 mm、=1.0 mm、=1.2 mm、=1.4 mm。圖3(b)所示為不同支撐間距試樣的致密度，其中陰影區(qū)為測(cè)量誤差范圍。由圖可得，支撐間距為=0.8 mm、=1.0 mm、=1.2 mm、=1.4 mm的試樣平均致密度分別為96.7%、97.3%、96.8%、96.9%。所有試樣均具有較高的致密度，并且支撐間距的變化對(duì)致密度的影響不明顯，其原因可歸結(jié)為只有與支撐結(jié)構(gòu)相連的試樣底層成形性受支撐結(jié)構(gòu)的影響，隨著層數(shù)的增加，SLM加工過(guò)程逐漸趨于穩(wěn)定，在相同的激光參數(shù)下試樣成形性基本一致，因此致密度變化不明顯。

圖3 SLM成形不同支撐間距試樣及試樣的致密度Fig.3 SLM processed samples with different support spacing and relative densities

圖4 去除支撐后不同支撐間距試樣下表面的SEM像Fig.4 SEM images of the lower surface of the samples with different support spacing after removing the support

圖4所示為去除支撐后試樣下表面的表面形貌SEM像，圖4(a)為=0.8 mm試樣下表面形貌，由圖可得，支撐去除后會(huì)在試樣下表面殘留支撐結(jié)構(gòu)斷裂部分，相鄰兩個(gè)斷裂部分之間的空隙有許多未熔金屬粉末粘結(jié)在試樣下表面。隨著支撐結(jié)構(gòu)間距的增大，如圖4(b)～圖4(d)所示，下表面殘留的支撐斷裂部分面積逐漸減少，然而，由于相鄰支撐間距的增大，懸垂面增大，粘結(jié)的未熔金屬粉末增多形成團(tuán)簇。這是由于在SLM成形過(guò)程中熔化的金屬熔體下方為金屬粉末，而不是固體結(jié)構(gòu)(支撐結(jié)構(gòu)或者已成形層)，導(dǎo)致金屬粉末的粘結(jié)。因此，支撐間距的增大對(duì)表面形貌的影響主要有兩方面：① 有利于減少去除支撐后殘留斷裂部分的面積；② 導(dǎo)致相鄰支撐間粘結(jié)未熔金屬粉末增多。

圖5 去除支撐后不同支撐間距試樣下表面的三維形貌輪廓圖Fig.5 Three-dimensional contour maps of the lower surface of the sample with different support spacing after removing the support

圖5所示為去除支撐后試樣下表面的三維形貌輪廓圖。當(dāng)支撐間距為0.8 mm時(shí)，表面粗糙度為0.29 mm(圖5(a))，當(dāng)支撐間距增加到1 mm時(shí)，表面粗糙度為0.28 mm(圖5(b))，當(dāng)支撐間距進(jìn)一步增大到1.2 mm和1.4 mm 時(shí)，表面粗糙度分別增加到0.42 mm(圖5(c))和0.51 mm(圖5(d))。由此可得，當(dāng)支撐間距大于1 mm時(shí)，隨著支撐間距的減小，成形試樣下表面粗糙度逐漸降低；當(dāng)支撐間距小于1 mm時(shí)，隨著支撐間距的減小，成形試樣下表面粗糙度趨于穩(wěn)定。因此，在SLM成形采用塊狀支撐作為支撐結(jié)構(gòu)的AlSi10Mg材料構(gòu)件懸垂面時(shí)，設(shè)定支撐間距為1 mm即可保證懸垂面去除支撐后的表面粗糙度最優(yōu)，設(shè)定小于1 mm的支撐間距會(huì)造成不必要的材料浪費(fèi)和加工時(shí)長(zhǎng)。

2.2 支撐結(jié)構(gòu)對(duì)顯微組織的影響結(jié)果

圖6所示為SLM成形不同支撐間距試樣底層的OM圖，獲取的圖像在試樣上的位置如圖6(a)插圖所示。由圖可得，SLM成形試樣底層會(huì)產(chǎn)生較多的孔，形成缺陷區(qū)，并且隨著支撐間距的變化，缺陷區(qū)的寬度也隨之改變。當(dāng)支撐間距為0.8 mm時(shí)，缺陷區(qū)寬度為455.1 μm(圖6(a))，當(dāng)支撐間距增大到1 mm時(shí)，缺陷區(qū)寬度為457.3 μm(圖6(b))，當(dāng)支撐間距增大到1.2 mm和1.4 mm時(shí)，缺陷區(qū)寬度分別增大到586.7 μm(圖6(c))和713.3 μm(圖6(d))。缺陷區(qū)的存在會(huì)降低SLM成形構(gòu)件的綜合性能，可通過(guò)后處理去除，但是由此會(huì)導(dǎo)致成形構(gòu)件尺寸小于設(shè)計(jì)值。上述研究表明SLM成形AlSi10Mg構(gòu)件懸垂面缺陷區(qū)厚度在支撐間距為1 mm以下時(shí)保持在456 μm左右，因此在設(shè)計(jì)模型時(shí)只需將具有懸垂結(jié)構(gòu)特征處的尺寸留出456 μm的加工余量便可既將缺陷區(qū)通過(guò)后處理去除，又能保證成形構(gòu)件的尺寸精度。

圖6 SLM成形不同支撐間距試樣底層的OM圖Fig.6 OM images of start few layers of SLM fabricated samples with different support spacing

進(jìn)一步地，可將SLM成形試樣底層以成形性為依據(jù)分為缺陷區(qū)、過(guò)渡區(qū)、致密區(qū)，如圖7(a)所示。圖7(b)～圖7(d)分別為缺陷區(qū)、過(guò)渡區(qū)、致密區(qū)的顯微組織SEM像。圖8(a)為缺陷區(qū)SEM像，圖8(b)～圖8(d)分別為該區(qū)域經(jīng)EDS分析得出的Al元素、Si元素、Mg元素分布，由圖可知，顯微組織中呈網(wǎng)狀分布的特征為Si相。缺陷區(qū)的網(wǎng)狀Si較粗大且稀疏(圖7(b))，致密區(qū)的網(wǎng)狀Si較細(xì)小且密集(圖7(d))，缺陷區(qū)和致密區(qū)通過(guò)過(guò)渡區(qū)連接，過(guò)渡區(qū)的網(wǎng)狀Si尺寸介于缺陷區(qū)和致密區(qū)Si尺寸之間(圖7(c))。缺陷區(qū)的金屬粉末是在支撐和金屬粉末混合層上熔化凝固的，由于金屬粉末導(dǎo)熱率較低，缺陷區(qū)的金屬粉末熔化后的熔體與外界環(huán)境之間具有較低的溫度梯度，導(dǎo)致凝固速率較慢，形成粗大的網(wǎng)狀Si相。然而，致密區(qū)的金屬粉末是在已成形層上熔化凝固的，已成形層具有較高的導(dǎo)熱率，熔化后的金屬粉末與外界環(huán)境之間具有較高的溫度梯度，凝固速率較快，形成細(xì)小的網(wǎng)狀Si相。

圖7 SLM成形試樣底層分區(qū)及各區(qū)SEM像Fig.7 Partition of start few layers of SLM fabricated samples and SEM images of each area

圖8 顯微組織EDS分析Fig.8 EDS analysis of microstructure

2.3 顯微硬度隨成形高度變化結(jié)果

SLM成形試樣底層的硬度隨成形高度變化曲線如圖9所示，背景圖為試樣底層OM圖，沿成形高度方向每隔0.1 mm測(cè)3次硬度值，插圖為硬度壓痕。由圖可得，隨著成形高度的增加，顯微硬度由缺陷區(qū)約90 HV升高到致密區(qū)約115 HV，致密區(qū)的硬度比缺陷區(qū)高約25 HV。由圖7可知，缺陷區(qū)的顯微組織中有稀疏分布的網(wǎng)狀Si，致密區(qū)有密集分布的網(wǎng)狀Si，Si相是一種脆而硬的相，其硬度高于Al基體，因此Si相分布較密集的致密區(qū)的顯微硬度高于Si相分布稀疏的缺陷區(qū)。缺陷區(qū)與致密區(qū)硬度的差異可能導(dǎo)致SLM成形構(gòu)件在服役過(guò)程中表面最先產(chǎn)生裂紋或疲勞破壞，降低構(gòu)件壽命。因此設(shè)定合理的加工余量，實(shí)現(xiàn)激光精確成形對(duì)提高SLM成形構(gòu)件綜合性能至關(guān)重要。

圖9 SLM成形試樣底層成形高度-硬度變化曲線Fig.9 Forming height-microhardness curves of start few layers of SLM fabricated sample

3 優(yōu)化支撐布局提高成形性機(jī)理

為研究支撐結(jié)構(gòu)對(duì)SLM成形性影響機(jī)理，通過(guò)數(shù)值模擬的方法分析了無(wú)支撐(下層為金屬粉末)和有支撐兩種條件下金屬粉末在激光作用下熔化凝固產(chǎn)生的成形形貌及熔池溫度場(chǎng)。圖10(a)所示為無(wú)支撐結(jié)構(gòu)條件下熔道成形表面形貌，由圖可得，激光掃過(guò)的熔道存在較多孔隙和未完全熔化的粘結(jié)金屬粉末，成形性較差。圖10(b)為熔池上表面溫度場(chǎng)，其中矢量箭頭為熔體速度場(chǎng)，由圖可得，熔池最大長(zhǎng)度(方向)為90 μm，最大寬度(方向)為80 μm。由熔池截面溫度場(chǎng)(圖10(c))可見(jiàn)熔池侵入下層金屬粉末，導(dǎo)致熔池高度較高。有支撐結(jié)構(gòu)條件下熔道成形表面形貌及熔池溫度場(chǎng)如圖11所示，由圖11(a)可得熔道成形致密，沒(méi)有孔隙。圖11(b)為熔池上表面溫度場(chǎng)，可見(jiàn)，熔池最大長(zhǎng)度(方向)為190 μm，最大寬度(方向)為100 μm。圖11(c)為熔池截面溫度分布，由圖可知，由于支撐的阻礙，熔池只在上層金屬粉末區(qū)域形成，無(wú)法侵入下層，使得熔池高度較低。

圖10 無(wú)支撐條件下熔道成形表面形貌及熔池溫度場(chǎng)Fig.10 Surface morphology of scan track and temperature distribution of molten pool under unsupported condition

圖11 有支撐條件下熔道成形表面形貌及熔池溫度場(chǎng)Fig.11 Surface morphology of scan track and temperature distribution of molten pool under supported condition

鋁合金熔池內(nèi)熔體表面張力()取決于熔體溫度()，計(jì)算公式為

=[868-0152(-)]×10

(7)

式中：為鋁合金熔點(diǎn)，由式(7)可得，熔池低溫區(qū)表面張力大。熔池邊界的溫度梯度高于熔池中心，溫度較低，因此熔體傾向于由熔池中心流向熔池邊界。根據(jù)Kruth等的研究，熔體動(dòng)態(tài)黏度為：

(8)

式中：為原子質(zhì)量；為Boltzmann常數(shù)。熔池內(nèi)形成的Marangoni流決定了熔體流動(dòng)強(qiáng)度，其系數(shù)為

(9)

式中：d/d是熔池內(nèi)的溫度梯度；是熔池的線性尺寸。

金屬粉末的熱傳導(dǎo)性約為支撐結(jié)構(gòu)的1/100，無(wú)支撐條件下熔池下方為金屬粉末，熔池?zé)崃侩y以傳導(dǎo)，而有支撐條件下熔池下方為已成形支撐結(jié)構(gòu)，熔池?zé)崃咳菀讉鲗?dǎo)，因此，相對(duì)于有支撐條件，無(wú)支撐條件下熔池瞬時(shí)溫度及溫度梯度較高，由式(8)可得，無(wú)支撐條件下的熔池動(dòng)態(tài)粘度比有支撐條件下的小，使得熔體更易流動(dòng)。進(jìn)一步地，由式(9)可得，較大的溫度梯度、較小的動(dòng)態(tài)黏度使得無(wú)支撐條件下的Marangoni流系數(shù)較大，增強(qiáng)了熔體的流動(dòng)能力。綜合以上兩方面原因及重力因素，無(wú)支撐條件下金屬粉末熔化后的金屬熔體更易侵入下層金屬粉末，導(dǎo)致熔池高度增加，長(zhǎng)度和寬度減小，使熔池上表面積減小，進(jìn)而導(dǎo)致熔道內(nèi)金屬粉末熔化不充分，產(chǎn)生缺陷。在有支撐條件下，支撐結(jié)構(gòu)的存在有效阻止了金屬熔體侵入下層粉末，使熔池能維持正常形態(tài)，因此有支撐條件下熔池的長(zhǎng)度和寬度大于無(wú)支撐條件下的熔池長(zhǎng)度和寬度。熔池上表面積增大有利于熔道內(nèi)金屬粉末充分熔化，使熔道具有良好的成形性。支撐結(jié)構(gòu)主要通過(guò)維持熔池形態(tài)，減少熔體侵入下層金屬粉末來(lái)提高SLM成形性。

4 結(jié) 論

1) SLM成形試樣平均致密度變化范圍為96.7%～97.3%，表明只有試樣與支撐接觸的底層成形性受支撐結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)支撐間距大于1 mm時(shí)，隨著支撐間距的減小，成形試樣下表面粗糙度逐漸降低，當(dāng)支撐間距小于1 mm時(shí)，成形試樣下表面粗糙度穩(wěn)定為約0.28 mm。設(shè)定最優(yōu)支撐間距1 mm，可減少材料浪費(fèi)和加工時(shí)長(zhǎng)。

2) 成形試樣底層可分為缺陷區(qū)、過(guò)渡區(qū)、致密區(qū)，在支撐間距為1 mm以下時(shí)，缺陷區(qū)厚度保持在456 μm左右。復(fù)雜構(gòu)件懸垂面設(shè)定加工余量為456 μm可在后處理中將缺陷區(qū)去除以保證構(gòu)件尺寸精度及性能，實(shí)現(xiàn)激光精確成形。

3) 缺陷區(qū)的網(wǎng)狀Si較粗大且稀疏，致密區(qū)的網(wǎng)狀Si較細(xì)小且密集。顯微硬度由缺陷區(qū)約90 HV升高到致密區(qū)約115 HV。顯微組織及硬度的差異可能導(dǎo)致構(gòu)件表面最先發(fā)生破壞，設(shè)定加工余量保證激光精確成形至關(guān)重要。

4) 無(wú)支撐條件下熔池最大長(zhǎng)度為90 μm，最大寬度為80 μm，有支撐條件下熔池最大長(zhǎng)度為190 μm，最大寬度為100 μm。支撐結(jié)構(gòu)的存在有效阻止了金屬熔體侵入下層粉末，使熔池能維持正常形態(tài)，有利于熔道內(nèi)金屬粉末充分熔化，保證成形性。