激光选区熔化制造工艺的影响因素研究

摘 要： 本文概述了激光选区熔化增材制造（SLM）的过程，从温度控制、原料粉性质和特性、工艺参数、扫描方法、后处理等因素进行研究分析不致密化程度与激光缺陷的原因。

关键词： 激光;增材制造;工艺参数;影响

选区激光熔化（SLM）是在已有选择性激光烧结技术的基础上发展起来的，其中烧结或部分熔融是导致粉末快速凝固的唯一机制。SLM在材料表面形貌、致密化和微观结构均匀性方面的显著改善。SLM金属具有更精细的微观结构，从而产生具有更高屈服应力的更强材料。通过改变加工参数可以显著改变SLM零件的微观结构特征。

1 SLM技术的工作原理

SLM装置的基本设置是建造活塞支撑建造平台、加固部件和任何未固结金属粉末。高功率激光跟踪剖切构成任何已建零件几何图形的曲面。然后将生成的切片焊接到先前绘制的零件截面。一旦该层的建造完成，建造活塞垂直向下移动相当于一层厚度的量，之后，通过在其上扫过的再水臂在建造平台上沉积一层新的未固结粉末。此过程将继续，直到零件完成。大多数SLM处理是在惰性保护气体（如氮气或氩气）下进行的，以减少建筑物的氧化、充电和孔隙率。零件完成后，卸下残余粉末，并从机器上移除构建平台。有时需要进行研磨，以便从构建平台和零件上移除支撑，以备使用。在某些情况下，SLM后可进行额外的后处理，如热处理、热等静压（HIP）、抛光和喷丸处理，以改善致密化、表面特性和机械性能。

2 影响因素分析

2.1 温度控制

在选择SLM加工方式时必须考虑加工过程的冷却—加热循环，因为对恒定热循环敏感的材料可能表现出不同于最初在恒定温度波动下预期的特性。在SLM制造过程的热循环过程中发生的热膨胀和收缩效应往往导致产品中产生比通过传统制造过程获得的产品更多的残余应力;这些应力可能导致开裂和分层的关键缺陷。此外，如果建造温度控制不当，熔融粉末可能会形成球状，从而有效地破坏建造。如果允许粉末原料熔化，则颗粒的形成和取向变得不一致，从而对成型质量产生不利影响。因此，温度控制是SLM建造成功的必要条件。

2.2 原料粉性质和特性

粉体特性和性能对SLM工艺和致密化动力学有重要影响，必须加以考虑。粉末粒度和粒度分布都会影响熔体的粘度和粉末的流速。较细的颗粒吸收更多的激光能量，从而提高了颗粒温度和致密化动力学，因为粉末比较粗的颗粒呈现出更大的表面积。更细的颗粒也可以填充空隙，从而增加粉末密度，产生更高的凝固速率和更细的微观结构。然而，纳米粉体的流动通常较差;纳米粉体经常团聚，增加粉末床的光学反射率，从而降低能量吸收和致密化動力学。粉末特性和特性性能、冶金和化学性能合金成分、氧和碳浓度、反应焓、氧化电位颗粒形态特征粒径和分布、颗粒形态、粗糙度、粉末流动性流变性能粘度和表面张力机械性能弹性模量、屈服点、拉伸强度、热导率、比热、熔化温度、热膨胀、光学特性、反射/吸收比、光学穿透等等都会影响SLM工艺。

2.3 工艺参数

SLM处理参数，这些参数具有重大影响，必须加以考虑。工艺参数包括能量密度、激光功率、扫描速度、阴影间距、扫描层厚度等。此外，对激光器使用不同的扫描模式可以产生不同的微观结构和性能（例如密度、硬度、分辨率）。SLM所形成的微结构可分为两类。其中一种类型包含由外延生长形成的排列成柱状的大晶粒;当晶粒按照最大热梯度的方向生长时发生这种情况。在SLM中，在连续的层沉积过程中，先前的层被重熔，这使得每一个新的层采用与下面相同的晶体学取向;这就是“外延生长”另一种类型包括合金金属，其凝固前沿不稳定，由前沿不协调引起。它们具有向熔池中心生长的更细的晶粒结构。通过改变激光能量密度或扫描速度可以改变熔体的凝固类型。

2.4 扫描方法

SLM加工零件呈现定向凝固诱导的织构。扫描方法决定了凝固方向，对织构的影响很大。对于单向扫描的高合金立方金属，垂直于扫描矢量形成更强的织构。然而，当应用双向扫描时，其中层以锯齿形模式扫描，在扫描叶片之间旋转90°时，柱状颗粒结构被破坏，随后产生较弱的纹理。然而，对于低合金钢来说，这种关系是不同的。

2.5 热等静压处理

SLM加工零件的质量有时低于传统加工零件的质量。后处理热处理可以用来提高SLM零件的机械性能和消除多余的残余应力。热处理也改变了微观结构，使材料具有更好的疲劳寿命和更高的抗蠕变性能。另一个有前途的后处理是热等静压（HIP）。在这一过程中，样品在压力容器中经受高压和高温，从而降低了孔隙率并增加了致密化。

3 结语

SLM工艺的主要优点是能够创建传统制造工艺无法形成的复杂几何图形。从工业的角度来看，这些优势具有很重要的含义。单个部件通常在不同的工厂用特殊的工具制造，然后运到装配现场。有了SLM，零件就不需要专门的工具，就可以在现场生产许多零件，消除了对供应链的需求。因此，SLM对于直接制造满足航空航天、国防、汽车和生物医学工业领域要求的功能性金属工具和部件具有重要意义。

参考文献：

[1]姜华，汤海波，王华明.激光熔化沉积DZ408镍基高温合金的组织研究[J].稀有金属与硬质合金，2014，42（1）：46-51.

[2]廉清，吴一，王浩伟，马乃恒.TiB_2增强Al-Si复合材料激光增材制造工艺及性能研究[J].热加工工艺，2017，0（22）：113-117.

[3]白亮，陈东，马乃恒，等.原位生成TiB2/6351复合材料的组织和性能[J].热加工工艺，2007，36（12）：30-3z.

作者简介： 刘晓飞（1979—），女，吉林延边人，硕士，工程师，研究方向：激光加工技术。