掃描速度對SLM 成形致密度的影響綜述

韓俊峰，胡雅清，張 渝

（1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川省沖壓發(fā)動機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)工程實驗室，四川 德陽 618000；2.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044)

1 引言

激光選區(qū)熔化成形技術(shù)（Selective Laser Melting,SLM）因其制件致密性好、成形精度高等特點成為近年來快速發(fā)展的AM技術(shù)之一。SLM是通過逐層鋪粉、逐層加工的激光快速成形技術(shù)，具有逐點、逐線和逐面成形的特點[1-4]。

激光選區(qū)熔化技術(shù)成形過程中涉及復(fù)雜的物理和化學(xué)冶金現(xiàn)象，如金屬的熔化流動、蒸發(fā)和凝固以及熱量交換等。因激光能量密度高、作用時間短，加工過程極不穩(wěn)定，使這些現(xiàn)象對工藝參數(shù)敏感性較高，不恰當(dāng)?shù)墓に噮?shù)加載會導(dǎo)致球化、裂紋、孔隙度大、分層和最終成形構(gòu)件殘余應(yīng)力及變形較大等缺陷，嚴(yán)重降低構(gòu)件成形質(zhì)量[5-7]。因此為獲得致密度高、尺寸精度好、機(jī)械性能優(yōu)良的成形構(gòu)件，需要根據(jù)材料特性、構(gòu)件幾何形狀特征及性能要求進(jìn)行合理的工藝參數(shù)選擇和設(shè)計。

根據(jù)SLM構(gòu)件成形工序?qū)ο嚓P(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計定義，現(xiàn)階段國內(nèi)外研究關(guān)注熱點主要集中在激光、掃描、粉末等三個部分，其中激光功率、掃描速度、掃描間距和掃描策略對成形構(gòu)件機(jī)械性能影響顯著，且在實際生產(chǎn)中便于調(diào)節(jié)，因此成為當(dāng)前SLM工藝研究重點。本文將總結(jié)掃描速度對最終成形構(gòu)件致密度的影響的規(guī)律及原因。

2 掃描速度對SLM 成形致密度的影響

2.1 掃描速度對成形致密度的影響規(guī)律

德國的Meier[8]早在2008 年就驗證了選擇性激光熔化制備致密的全金屬零件的可行性，并研究了能量密度輸入對不銹鋼粉末SLM 成形致密度的影響，得出掃描速度較低時，掃描線連續(xù)，構(gòu)件致密度好；當(dāng)掃描速度較高時，氣孔的結(jié)構(gòu)會變得不規(guī)則，即構(gòu)件致密度低，如圖1 所示。另外，高的激光功率也有利于促進(jìn)構(gòu)件致密化。

圖1 定義的不同孔隙結(jié)構(gòu)的顯微截面圖[8]

同樣，國內(nèi)朱海紅等[9]對SLM成形Al-Si 合金的致密度進(jìn)行了研究，并通過實驗發(fā)現(xiàn)，Al-Si 合金能夠采用SLM致密成形，其致密度與工藝參量，如掃描間距、掃描速度等關(guān)系密切。研究表明，激光功率、層厚一定時，致密度隨掃描速率的增大而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

鄭東來[10]也研究了致密度與掃描速度之間的關(guān)系。如圖2 所示，實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)掃描速度v≤320mm/s時，致密度隨著掃描速度的增大而增大；當(dāng)v=320mm/s時，致密度達(dá)到最大，接近全致密；當(dāng)v≥320mm/s時，則致密度隨著掃描速度增大而降低。過高或過低的掃描速度都導(dǎo)致構(gòu)件致密度降低。

圖2 掃描速度對致密度的影響規(guī)律[10]

2.2 掃描速度影響SLM 成形致密度的原因

J.Yang[11]針對鈦合金單線掃描成形過程，分析了小孔模式和傳導(dǎo)模式兩類不同的熔池的產(chǎn)生并研究了工藝參數(shù)組合之間對熔池形狀的影響，進(jìn)而對最終成形件致密度影響的原因。圖3 顯示了熔池的截面掃描速度、激光功率和層厚度對熔池形貌的影響。如圖3 所示，隨著掃描速度的增加，熔池的形態(tài)經(jīng)歷了從V 形到U 形的轉(zhuǎn)變。當(dāng)激光功率為200W，熔池厚度為20μm，掃描速度為100～500mm/s 時，熔池具有上寬下窄的特征。當(dāng)掃描速度進(jìn)一步提高到大于500mm/s 時，熔池轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲗?dǎo)模式，沒有狹窄的下區(qū)。因此，熔池形式可以通過掃描速度來控制。低的掃描速度形成的V 形熔池，如圖3 所示，不穩(wěn)定的孔會誘導(dǎo)孔隙的出現(xiàn)。進(jìn)一步提高掃描速度，如圖4所示，為基于熔池模式的激光功率為200W、層厚為20μm 的SLMed Ti-6Al-4V 長方體樣品的加工圖（圖4a）及其對應(yīng)的光學(xué)圖像（圖4b、c），大多數(shù)的U形傳導(dǎo)模式下的SLM樣品在工作（圖4c），屬于優(yōu)越的成形性區(qū)。但是，進(jìn)一步增加掃描速度可能會導(dǎo)致熔化不足、液滴形成和潤濕不良從而降低成型性。顯然，U 形模式比V 形模式的熔池可以獲得更好的SLM成形致密度，也就是說控制掃描速度在適當(dāng)范圍，可以控制熔池在U 形模式，成型性和致密度都更好。

圖3 不同掃描速度、激光功率和層厚下的熔池截面[11]

圖4 樣品加工圖及其光學(xué)圖像[11]

Yadroitsev[12]也研究了掃描速度及預(yù)熱溫度對316L 粉末SLM成形過程中熔池形貌的影響，進(jìn)而影響零件的致密度的行為。研究發(fā)現(xiàn)熔池寬度主要受掃描速度的控制，而熔池高度主要受預(yù)熱溫度影響，驗證了掃描速度是影響部件組織性能優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)的原因。

3 結(jié)語

本文對近年來掃描速度對SLM 熔池形貌、進(jìn)而對最終成形構(gòu)件的致密度的影響的研究成果進(jìn)行了總結(jié)：

（1）過高或過低的掃描速度都會影響構(gòu)件的致密度，適當(dāng)?shù)膾呙杷俣炔粌H可以得到較高的致密度，還可以減少構(gòu)件缺陷，比如裂紋、氣孔等。在實際應(yīng)用中，控制掃描速度在合適范圍，并且加上預(yù)熱和控制激光功率等手段可以得到質(zhì)量較高的成形構(gòu)件。

（2）激光選區(qū)熔化成形技術(shù)SLM 成形過程中有兩類不同的熔池形貌，不同的熔池形貌對SLM成形構(gòu)件致密度的影響不同。而相比于其他工藝參數(shù)，掃描速度對熔池形貌的影響最大，是影響部件組織性能優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)。