316L 選區(qū)激光熔化增材制造熔池搭接堆積形貌分析

吳偉輝 楊永強(qiáng) 毛桂生

(①韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005;②華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

目前，增材制造技術(shù)已向直接快速制造功能性零件的方向發(fā)展［1-2］，選區(qū)激光熔化可采用多種純金屬或合金材料(不銹鋼、工具鋼、鈦合金等)，直接制造相對密度接近或達(dá)到100%，總體力學(xué)性能比鑄造方法制成的金屬件好，尺寸精度及表面粗糙度優(yōu)良，僅需或無需簡單后處理(如噴砂、拋光等)即可直接投入實(shí)際使用的金屬零件［3-6］，是增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢的典型代表［7］，因而具有廣闊的發(fā)展前景。

選區(qū)激光熔化采用逐道熔線相互搭接形成層面，逐個(gè)層面相互堆積，最終形成零件的原理，因而熔池的搭接及堆積形貌對成型質(zhì)量的影響十分重要。但當(dāng)前文獻(xiàn)對這方面的研究還不夠深入，為此，本文針對316L 不銹鋼材料在選區(qū)激光熔化成型過程中的熔池搭接及堆積形貌特征展開研究，歸結(jié)出其特征與主要加工參數(shù)之間的關(guān)系，據(jù)此研究熔池搭接及堆積形貌的優(yōu)化方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 選區(qū)激光熔化成型過程的熔池搭接堆積形貌特征分析

1.1 同層內(nèi)的熔池搭接形貌的特征分析

如圖1 所示，選區(qū)激光熔化增材制造是一個(gè)逐道熔池相互搭接形成成型面，逐個(gè)成型面相互堆積形成體的過程。因而成型零件的成型包括了同一層內(nèi)的熔池搭接以及不同層間的熔池堆積，其形貌也決定于這兩個(gè)方面。

圖2 是同層內(nèi)多道熔線搭接的分析模型。該模型中，粉層鋪設(shè)在一塊鐵基板上，然后采用激光逐道熔化金屬粉末，熔化所得的金屬熔線(這里顯示了4 道)再相互搭接成面，形成與切片圖形輪廓一致的金屬切片層。由圖2 可知，同層內(nèi)的熔線搭接形貌與掃描策略、鋪粉厚度、激光參數(shù)密切相關(guān)。

為使金屬切片與上一層牢固接合，選區(qū)激光熔化成型過程需采用激光將上一層部分固體金屬熔化，這部分熔化的金屬也構(gòu)成了熔線的一部分(另一部分由熔化金屬粉末得到)，對上一層部分固體金屬的熔化量主要由激光功率、成型平臺上的光斑直徑、鋪粉厚度3 個(gè)參數(shù)及材料的熔點(diǎn)決定，激光功率越高、成型平臺上的激光光斑直徑越小、鋪粉厚度越薄、材料熔點(diǎn)越低，激光對上一層固體金屬的熔化深度越大。

每根熔線截面既受激光熔化本道熔線的形貌影響，也受相鄰下一道熔線形成過程的影響。在進(jìn)行下一道熔線成型前，當(dāng)前熔線的底部呈碗狀，而頂部的形狀受到液態(tài)表面張力以及底部熔池熔液的粘附力共同作用［8］，一般呈圖2 所示的弧形。當(dāng)完成下一道熔線成型后，根據(jù)掃描的方向，前一道熔線的部分形貌將因部分重熔而被后一道熔線擦除，擦除部分的多少取決于掃描間距的大小，掃描間距越小，擦除部分越多。最終形成圖2 所示的魚鱗片狀單層結(jié)構(gòu)。

1.2 多層熔池堆積形貌的特征分析

多層熔池的堆積形貌受到掃描策略的極大影響，如圖3a 所示，當(dāng)采用X 或Y 向掃描策略時(shí)，由于各層采用的掃描策略都是相互平行且層內(nèi)各掃描線間的掃描間距是相等的，因而所獲得的沿垂直于掃描方向的多層組織形貌呈形貌規(guī)則的魚鱗片狀，但是，由于相鄰兩層的掃描起始順序正好相反，相鄰兩層內(nèi)的熔道被下一熔道抹去痕跡的順序也正好相反。

如圖4a 所示，為使層與層或?qū)优c基板間具有完全的冶金結(jié)合組織，每一層的熔化深度(圖中標(biāo)號1、2、3、4 對應(yīng)的厚度)都遠(yuǎn)大于鋪粉厚度δ，這是選區(qū)激光熔化增材制造里一個(gè)很重要的特點(diǎn)。

單向掃描策略數(shù)據(jù)處理簡單，算法可靠，但是，由于掃描線都在同一個(gè)方向上(X 向或Y 向)固定，極易引起熱變形以及凸點(diǎn)累積。因此，在增材制造過程中，更多地采用了圖3b 所示的X -Y 正交掃描策略。這種掃描策略，相鄰兩層的掃描線相互垂直，使得成型過程中熱量分布較為均勻，因而變形也較小。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

2.1 成型設(shè)備與實(shí)驗(yàn)條件

采用以華南理工大學(xué)為主研制的激光選區(qū)熔化增材制造樣機(jī)DiMetal280 作為工藝試驗(yàn)平臺。該設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)見表1。實(shí)驗(yàn)材料為316L 不銹鋼，顆粒度為300 目，球形分布。成型過程用氬氣局部保護(hù)。在A3 鋼基板上進(jìn)行，成型后的組織采用200 倍顯微鏡觀察。

表1 DiMetal280 設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)

2.2 多層成型件組織分析

圖5 是采用單向掃描策略以及采用X -Y 正交掃描策略的成型件內(nèi)部組織顯微照片。圖5a 中，包括了最后一層的形貌，但受限于放大倍數(shù)，未能包括首層的形貌;在圖5b 中，由于拍照部位并非位于第一層和最后一層，因而照片中沒有首層和最后一層的形貌。由圖可知，圖5a 的熔池堆疊大致和圖4a 一致，圖5b 的熔池堆疊大致遵循圖4b 所示的理想狀態(tài)。但由圖5可知，實(shí)際熔池的堆疊和理想狀態(tài)也存在3 個(gè)不同之處:

①存在相鄰兩排熔池形狀大小不一的現(xiàn)象(如圖5a 中的A、B 兩排熔池);

②各層厚度不均(如圖5b 的C、D)。

③層與層之間的分界線不平直，存在起伏(如圖5b 的C、D、E)。

相鄰兩排熔池大小不一的現(xiàn)象，是由于飛濺現(xiàn)象所造成的［9］:由于選區(qū)激光熔化過程中高功率密度的激光束照射到選區(qū)內(nèi)的粉末上，粉末顆粒之間孔隙中的氣體在高功率密度激光束的照射下，會(huì)迅速膨脹，將附近的物質(zhì)(松散的粉末、熱影響區(qū)內(nèi)的受熱影響燒結(jié)團(tuán)聚粉末團(tuán)、熔池中的熔液)吹飛起來，形成飛濺，飛濺會(huì)將鄰近區(qū)域的金屬粉末吹飛，造成粉末量不足，當(dāng)激光束作用于相鄰的已發(fā)生了飛濺的下一道熔池對應(yīng)的粉末位置時(shí)，所形成的熔池的尺寸就會(huì)比上一道熔池小，這就造成了相鄰兩排熔池大小不一的現(xiàn)象。

各層厚度不均的現(xiàn)象正是熔池大小不一現(xiàn)象在另一個(gè)視角的反映，采用正交掃描形成的組織，其剖面既包含X 向(或Y 向)熔池的橫截面(沿掃描方向)的形貌，也包括Y 向(或X 向)熔池的縱截面(垂直于掃描方向)的形貌。熔池的橫截面形貌由多道同一層內(nèi)的熔池橫截面組成，呈魚鱗片狀，而熔池的縱向截面形貌僅表達(dá)了某層的一道熔池縱截面形貌，呈均一的條狀(如C、D 處)。因此，假如C、D 處分別是對應(yīng)于大熔池以及小熔池，則C、D 處分別就是大熔池以及小熔池的縱向截面形貌，因而顯示的厚度也不均一。

層與層之間的分界線不平直，存在起伏的現(xiàn)象主要是采用柔性鋪粉原理所引起的［10］，在SLM 成型過程中，由于飛濺、熱變形等原因，使得激光熔化同一鋪粉平面上的金屬粉末，凝固后形成實(shí)體時(shí)出現(xiàn)同一平面內(nèi)凝固金屬高度不一(即出現(xiàn)凸起)，采用傳統(tǒng)的剛性鋪粉輥筒，很容易因凸起高度大于鋪粉厚度，剛性鋪粉輥筒無法調(diào)整高度而出現(xiàn)碰輥，最終造成成型失敗。如采用柔性鋪粉機(jī)構(gòu)，可以在鋪粉過程中，以柔性鋪粉刮板繞過凸起，逐層彌補(bǔ)性鋪粉，從而避免碰輥現(xiàn)象導(dǎo)致的成型失敗，見圖6。但是，采用柔性鋪粉原理后，選區(qū)內(nèi)不同地方的粉層厚度是不一樣的，甚至在凸起部位不存在粉末，選區(qū)內(nèi)不同地方的材料特性很難均一，因此，即使是同等激光功率密度下，以相同的作用時(shí)間作用，激光熔化選區(qū)內(nèi)各點(diǎn)時(shí)，最大熔深處不會(huì)在同一平面上，因此，熔池剖面中層與層間的分界線就不是直線形，而是有一定起伏。

3 結(jié)語

(1)為使金屬切片與上一層牢固接合，選區(qū)激光熔化成型過程需采用激光將上一層部分固體金屬熔化，這部分熔化的金屬也構(gòu)成了熔線的一部分(另一部分由熔化金屬粉末得到)。每根熔線截面既受激光熔化本道熔線的形貌影響，也受相鄰下一道熔線形成過程的影響。前一道熔線的部分形貌將因部分重熔而被后一道熔線擦除，擦除部分的多少取決于掃描間距的大小，掃描間距越小，擦除部分越多。同一層內(nèi)的熔線搭接形貌呈魚鱗片狀。

(2)當(dāng)采用X 或Y 向掃描策略時(shí)，由于各層采用的掃描策略都是相互平行且層內(nèi)各掃描線間的掃描間距是相等的，因而所獲得的沿垂直于掃描方向的多層組織形貌呈規(guī)則的魚鱗片狀，但是，由于相鄰兩層的掃描起始順序正好相反，相鄰兩層內(nèi)的熔道被下一熔道抹去痕跡的順序也正好相反。

(3)實(shí)際熔池的堆疊存在相鄰兩排熔池大小不一的現(xiàn)象，這主要是由于飛濺所造成的:飛濺會(huì)將鄰近區(qū)域的金屬粉末吹飛，造成粉末量不足，當(dāng)激光束作用于相鄰的已發(fā)生了飛濺的下一道熔池對應(yīng)的粉末位置時(shí)，所形成的熔池的尺寸就會(huì)比上一道熔池的尺寸小，這就造成了相鄰兩排熔池大小不一的現(xiàn)象。

(4)采用正交掃描策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，還發(fā)現(xiàn)熔池堆疊的各層厚度不均，這正是熔池大小不一現(xiàn)象從另一個(gè)視角的反映，同一剖面在不同厚度位置上分別對應(yīng)了大熔池以及小熔池的沿垂直于掃描方向截面的形貌，從而顯示出厚度不均一的現(xiàn)象。

(5)實(shí)際熔池的堆疊也具有層與層之間的分界線不平直、存在起伏的現(xiàn)象。這是采用柔性鋪粉原理造成的:采用柔性鋪粉原理后，選區(qū)內(nèi)不同地方的粉層厚度是不一樣的，激光熔化選區(qū)內(nèi)各點(diǎn)時(shí)，最大熔深處不會(huì)在同一平面上，因此，熔池剖面中層與層間分界線就不是直線形，而是有一定起伏。

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