選區(qū)激光熔化成形技術(shù)(Selective laser melting,SLM)的熱源為高能激光束,激光束直徑小,制備
的合金件精度高、誤差范圍小。通過粉末熔化層層累積,成形的金屬件致密度大、成分均勻,相比于傳統(tǒng)鑄
造、鍛造與機(jī)加工技術(shù),SLM技術(shù)無需模具,可極大程度地縮短生產(chǎn)周期,節(jié)約成本,提高材料的利用率,
在航空航天、醫(yī)療器械、汽車制造等領(lǐng)域得到了高速發(fā)展[1-3]。SLM的成形過程涉及諸多工藝參數(shù),例如激
光直徑、激光功率、掃描速度和掃描方式等,采用不同的工藝參數(shù)會對成形樣的性能產(chǎn)生巨大差異,目前大
多數(shù)研究都是基于激光能量密度這個(gè)角度來分析成形零件之間的差異。
Ding等[4]研究了SLM制備Ti-6Al-4V(TC4)鈦合金的力學(xué)性能和組織結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)降低激光能量密度更容
易細(xì)化α′馬氏體,提高試樣塑性,粗糙度隨能量密度的增加先降低后增大。石文天等[5]研究了SLM單熔道
成形工藝,發(fā)現(xiàn)能量密度對TC4鈦合金的表面形貌和成形質(zhì)量影響較大,可以通過調(diào)整能量密度有效改善試
樣表面的球化、飛濺等缺陷。Haubrich等[6]對不同激光能量密度下SLM-TC4合金試樣進(jìn)行組織觀察,發(fā)現(xiàn)不
同的激光能量密度會影響試樣的晶體取向規(guī)律??v觀當(dāng)前主流研究,許多研究者常常以激光輸入的“能量密
度”不同角度來分析成形件性能的差異,而鮮有研究探討在等激光能量密度的條件下,不同工藝參數(shù)組合對
SLM成形零件的特征和性能是否存在影響。然而在實(shí)際打印不同屬性的材料時(shí),各工藝參數(shù)對激光工藝過程
中熔池生長的影響權(quán)重可能存在差異,黎振華等[7]在研究激光功率與掃描速度對熔池溫度場影響時(shí),發(fā)現(xiàn)
掃描速度對熔池的尺寸影響更大。單純以能量密度角度來籠統(tǒng)地分析激光工藝參數(shù)對SLM成形試樣的影響容
易忽略那些權(quán)重較大的工藝因素,從而影響后續(xù)最優(yōu)工藝窗口的尋找效率;因此,通過實(shí)驗(yàn)來探究等激光能
量密度下不同工藝參數(shù)對SLM成形的影響具有實(shí)際指導(dǎo)意義[8]。此外,目前很多模擬SLM熔池成形的研究中
,粉末模型的建立往往獨(dú)立于實(shí)際打印過程[9-10],模擬結(jié)果并沒有和實(shí)驗(yàn)過程完全對照?;诖?,現(xiàn)選用
TC4鈦合金為原材料,在等激光能量密度的條件下通過ANSYS有限元數(shù)值模擬,研究激光功率和掃描速
度對熔池尺寸及溫度場的影響,并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比論證;通過SLM成形實(shí)驗(yàn),觀察不同激光工藝參數(shù)組合
對SLM沉積態(tài)試樣熔池、表面形貌和硬度的影響。
1、數(shù)值模型建立
1.1 數(shù)學(xué)模型
在選區(qū)激光熔化成形工藝中,金屬粉末在激光熱源照射下溫度瞬間升高熔化形成熔池,所以SLM成形工
藝的溫度場具有非線性熱傳導(dǎo)特征。其溫度場的模擬滿足傅里葉方程[11],表達(dá)式為式

(1)中:ρ為材料
密度;C為材料比熱;t為時(shí)間;T為熔池內(nèi)部溫度;Q為體熱源強(qiáng)度;kx、ky、kz為沿x、y、z方
向?qū)嵯禂?shù)。基于ANSYS有限元分析機(jī)制,結(jié)合實(shí)際SLM成形過程,當(dāng)激光照射在粉末上時(shí),粉末吸收
能量后以輻射與對流的方式向四周散熱,基板表面以對流方式向四周散熱。邊界條件的加載公式[12]表達(dá)為

式(2)中:n為三維模型法線方向;α為自然對流換熱系數(shù);Tf為換熱介質(zhì)溫度;σ′為斯特藩-玻爾茲
曼(Ste-fan-Boltzmann)常數(shù),取5.67×10-8W/(m
2.K4);ε為材料的輻射發(fā)射率(黑度);q為激光熱源的輸入。在SLM過程中,金屬粉末被激光束照
射后發(fā)生熔化-熔融-凝固,金屬組織內(nèi)部發(fā)生吸收或釋放潛熱,因此必須要考慮潛熱對溫度場的影響,潛熱
表達(dá)式為

1.2 有限元模型模擬
SLM熔池的溫度場主要通過ANSYS中的“生死單元法”[13]實(shí)現(xiàn)。通過生成和殺死單元,可以模擬
那些單元數(shù)隨著載荷步的進(jìn)行不斷增加,對按照要求排序后生成和殺死的單元施加載荷和約束。要激活“單
元死”的效果,ANSYS程序并不是將“殺死”的單元從模型中刪除,而是將其剛度(或傳導(dǎo),或其他分
析特性)矩陣乘以一個(gè)很小的因子值(默認(rèn)值為1.0×10-6),死單元的單元載荷將為0,從而不對載荷向量
生效(但仍然在單元載荷的列表中出現(xiàn))。同樣,死單元的質(zhì)量、阻尼、比熱和其他類似效果也設(shè)為0值,
單元的應(yīng)變在“殺死”的同時(shí)也將設(shè)為0。當(dāng)激光熱源移動到該單元時(shí),重新激活該單元模擬金屬粉末熔化
形成熔池的過程。圖1為模擬SLM加工過程的單道單層有限元模型,
簡化模型進(jìn)行等激光能量密度下不同參數(shù)下對熔池的影響,粉層部分尺寸為13mm×1mm×0.03mm,基板
部分尺寸為13mm×8mm×1mm。熔覆層采用Solid70六面體八節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,每個(gè)小單元的尺寸
為0.16mm×0.16mm×0.03mm?;宀捎盟拿骟w單元進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分,每個(gè)小單元的尺寸為0.5mm。經(jīng)過網(wǎng)
格劃分后得到的單元和節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為10616和18790。

1.3 熱源模型
激光束產(chǎn)生的熱量分布呈現(xiàn)高斯分布,因此采用高斯移動熱源模型。熱源公式[14]為式

(4)中:Q為
在光斑內(nèi)任意點(diǎn)的熱流密度;η為激光利用率;P為激光功率;r?yàn)榧す夤獍甙霃剑唬覟槿我恻c(diǎn)到熱源中心
的距離。
1.4 材料屬性
SLM的成形過程中,金屬粉末的熱物性參數(shù)隨著溫度的變化而發(fā)生改變,這種變化往往是非線性的?;?
板和粉層均為TC4合金,表1為所需溫度范圍內(nèi)TC4合金的力學(xué)性能參數(shù)。

2、實(shí)驗(yàn)部分
2.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備
實(shí)驗(yàn)所用原料采用氣霧化法制備的TC4球形粉末,粉末分布均勻,表面光滑,球形度較好,粉末粒徑范
圍為15~53μm。TC4粉末化學(xué)成分如表2所示,粉末微觀形貌如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)采用西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的BLT-A160設(shè)備,激光器為德國IPG公司的500
W風(fēng)冷激光器,光斑直徑為100μm,該設(shè)備最大成形尺寸為160mm×160mm×100mm。實(shí)驗(yàn)過程中全程通入
99.99%的高純度氬氣使成型腔內(nèi)氧含量一直保持在100×10-6以下。實(shí)驗(yàn)中激光掃描策略采用條形掃描,相
鄰層間掃描方向旋轉(zhuǎn)67°。
2.2 實(shí)驗(yàn)方法
為制備最佳成形試樣,采用西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司提供的TC4合金粉末成熟工藝窗口,其激
光能量密度為(39.1±0.1)J/mm3,能量密度的計(jì)算公式為

式(5)中:E為激光能量密度,J/mm3;P為激光功率,W;v為掃描速度,mm/s;h為掃描間距,
mm;t為鋪粉層厚,mm。據(jù)此制定本實(shí)驗(yàn)SLM工藝條件下等激光能量密度的參數(shù)如表3所示。

將打印好的試樣(圖3)用線切割從基板去除,超聲波清洗去除表面雜質(zhì)后用JB-5C型粗糙度輪廓儀
測量試樣上表面和側(cè)表面的粗糙度,每個(gè)被測面測量三次取平均值為最終粗糙度值;采用VEGA3SBH
型鎢燈絲掃描電子顯微鏡(scanningelectronmicroscope,SEM)觀察成形
試樣表面的微觀形貌,金相表征實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)方法進(jìn)行,取試樣尺寸為10mm×10mm×10mm,對試樣上表面
進(jìn)行打磨、拋光與腐蝕處理。腐蝕試劑采用Kroll腐蝕液,體積比為氫氟酸∶硝酸∶蒸餾水=1∶3∶7
,腐蝕時(shí)間為5~10s,腐蝕后的試樣在AxioObserverZ1m型光學(xué)顯微鏡下觀察其微觀組織形
貌。硬度測試采用HBRV-187.5型電動布洛維硬度計(jì),將試樣上表面和側(cè)表面進(jìn)行粗磨拋光,測試載荷為
30kgf(1kgf=9.81N),保壓時(shí)間為12s,每個(gè)測量面選取3個(gè)測量點(diǎn)取平均值為最終硬度值。

實(shí)驗(yàn)過程中主要設(shè)施如圖4所示。
3、結(jié)果與分析
3.1 熔池尺寸模擬
圖5和圖6分別為激光能量密度39.1J/mm3時(shí)激光功率和掃描速度對熔池尺寸的影響。圖5為掃描速度v
=1150mm/s,激光功率P分別為117W(9#)、135W(2#)、180W(4#)時(shí)的熔寬與熔深,可以看出
,隨著激光功率的增大,熔寬與熔深也逐漸變大,熔寬從167.4μm先增大到178.4μm后再降低到176.8μm,
熔深從40.3μm先增加到50μm后降低到47.7μm。模擬結(jié)果還表明,激光功率在135W時(shí)熔池溫度最低,熔池
最低為2354.3℃。如圖5(c)所示,當(dāng)激光功率P=135W時(shí),熔池的寬度與深度最大,此時(shí)熔池中心區(qū)域
溫度最低,更有利于熔池?zé)釕?yīng)力的擴(kuò)散。圖6為激光功率P=180W,掃描速度v分別為1150mm/s(4#)、
1276mm/s(1#)、1435mm/s(7#)時(shí)熔池的寬度與深度,可以看到,掃描速度從1150mm/s增加到
1435mm/s,熔池的寬度從176.8μm下降到174μm后基本保持不變,深度從47.7μm上升到51.5μm,熔池最
高溫度從2638.8℃上升到2737.6℃。觀察圖6可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)掃描速度超過1276mm/s后,熔池的尺寸基本沒有
明顯的變化,但熔池中心的最高溫度會繼續(xù)隨著掃描速度的增大而繼續(xù)增大,這是因?yàn)殡S著掃描速度加快,
激光照射下液態(tài)金屬快速凝固成固態(tài)熔池,單道熔池內(nèi)部的熱量來不及釋放[15]。在層層累積下熔池?zé)釕?yīng)力
集中將導(dǎo)致試樣發(fā)生裂紋、翹曲等現(xiàn)象。圖7所示為激光能量密度39.1J/mm3下激光功率和掃描速度對熔池寬
深比的影響,從圖7(a)中可以看出,在恒定的激光能量密度下保持掃描速度不變,隨著激光功率的增加
,熔寬、熔深先減小后上升,在激光功率為135W時(shí)達(dá)到最小。在激光功率恒定時(shí)[圖7(b)],隨著掃描速
度的增加,熔寬、熔深逐漸減小,在掃描速度為1435mm/s時(shí)達(dá)到最小。熔寬/熔深的值越小,熔池更傾向于
向下向延伸,熔池的生長比例更加均勻。熔池尺寸和熔寬與熔深比值(寬深比)的顯著變化說明了在恒定的
激光能量密度下激光功率和掃描速度的變化將導(dǎo)致熔池尺寸的變化,能量密度對熔池尺寸不能起決定性影響
。


3.2 表面粗糙度和熔池的成形
根據(jù)表3中的工藝參數(shù)進(jìn)行了分別進(jìn)行三次成形實(shí)驗(yàn),每一次實(shí)驗(yàn)選擇不同的鋪粉層厚。對成形后的樣
品進(jìn)行上表面和側(cè)表面粗糙度的測量,測量結(jié)果如圖8所示。可以看出,第一次實(shí)驗(yàn)(試樣1#、2#、3#)
側(cè)表面粗糙度從1#試樣11.5μm下降到3#試樣9.0μm,第二次實(shí)驗(yàn)(試樣4#、5#、6#)側(cè)表面粗糙度從
4#試樣11.0μm下降到6#試樣9.2μm,第三次實(shí)驗(yàn)(試樣7#、8#、9#)的側(cè)表面粗糙度從7#試樣10.5
μm下降到9#試樣9.8μm。三次不同鋪粉層厚下每一組試樣側(cè)表面粗糙度都呈現(xiàn)下降趨勢,說明等激光能量
密度下減小激光功率、掃描速度和掃描間距有利于SLM產(chǎn)品側(cè)面的平整度。進(jìn)一步觀察三次實(shí)驗(yàn)樣品的上表
面粗糙度可以發(fā)現(xiàn),第一組實(shí)驗(yàn)(試樣1#、2#、3#)的粗糙度平均為5.0μm,比第二組(試樣7#、8#
、9#)時(shí)的平均粗糙度10.4μm和第三組(試樣4#、5#、6#)時(shí)的平均粗糙度10.3μm有著明顯的降低,
猜測這是三組實(shí)驗(yàn)鋪粉層厚不同造成的。為了進(jìn)一步探究在激光能量密度相同時(shí),不同的鋪粉層厚造成試樣
上表面粗糙度差異的原因,選取了4#、2#、9#試樣,用SEM掃描電鏡觀察了不同鋪粉層厚試樣的上表
面形貌,如圖9所示。從圖9(b)可以看到,當(dāng)鋪粉層厚為0.03mm時(shí),試樣上表面相對平滑,熔池搭接連續(xù)
、平緩且分布均勻,熔道較淺整體成形質(zhì)量較好,因此表面粗糙度較小。當(dāng)鋪粉層厚為0.02mm和0.04mm時(shí),
如圖9(a)和圖9(c)所示,熔池搭接效果明顯下降,熔道較深且出現(xiàn)半連續(xù)熔道,表面呈現(xiàn)明顯的“溝
壑”狀。同時(shí)可以觀察到半熔化的合金粉末和球形顆粒附著在熔池表面,此時(shí)的表面粗糙度比鋪粉層厚為
0.03mm時(shí)明顯增大,該結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測得的粗糙度數(shù)據(jù)相符合。激光束作用在粉末上時(shí),激光能量轉(zhuǎn)換為熱量
被粉末吸收,粉末達(dá)到熔點(diǎn)后熔融形成熔池相互搭接,因此熔池的成形質(zhì)量是影響粗糙度的主要原因之一
[16]。有學(xué)者認(rèn)為熔池的成形質(zhì)量與液態(tài)金屬的表面張力和黏度有關(guān)[17-18],液態(tài)動力黏度μ與液態(tài)溫度
T的關(guān)系[19]表達(dá)式為

式(6)中:μ為液態(tài)的動力黏度;m為原子的質(zhì)量;γ為液態(tài)的表面張力值;kB為
玻爾茲曼常數(shù);T為液態(tài)的溫度。由式(6)可知,液態(tài)金屬的表面張力與溫度成反比,熔池因?yàn)楸砻鎻埩聿患跋騼蛇?
鋪展導(dǎo)致成形質(zhì)量較差且更容易出現(xiàn)球化現(xiàn)象和形成未熔顆粒,激光能量密度與激光所提供的熱量成正比,
因此用激光能量密度來解釋熔池的成形質(zhì)量[20-21]。


然而,相同的激光能量密度提供的能量是相同的,這就不能用激光能量密度的變化影響熔池的成形質(zhì)量
來解釋。激光照射在粉末上時(shí),激光束中心的能量最高,當(dāng)激光作用在較厚的粉層時(shí),熔池邊緣的粉末通過
熱傳導(dǎo)的方式熔化。受溫度梯度的影響,相比于熔池中心部位,熔池邊緣的能量不能使粉末充分的熔化,較
快的冷卻速率將粘連未及時(shí)融化的球形顆粒和微熔顆粒,增大熔池表面粗糙度,如圖9(a)所示;而鋪粉
層較薄時(shí),激光作用在粉末上會導(dǎo)致粉末蒸發(fā)發(fā)生汽化現(xiàn)象,激光束穿透粉末使上一層已成形面產(chǎn)生過燒現(xiàn)
象[22],熔池的熱積累效應(yīng)增大,表面吸附未熔金屬顆粒影響熔池形貌[23],出現(xiàn)半連續(xù)的熔道,同樣增大
了表面粗糙度,如圖9(c)所示。


3.3 微觀組織形貌
察了等激光能量密度下試樣的光學(xué)顯微組織。如圖10(a)所示,當(dāng)鋪粉層厚為0.04mm時(shí),試樣內(nèi)部出
現(xiàn)分布均勻且密集的細(xì)小圓孔,這是因?yàn)榉蹖虞^厚時(shí),激光能量不足以使金屬粉末充分的熔化,熔池中夾雜
著未完全熔透的粉末顆粒,與圖9(a)的結(jié)果相吻合。當(dāng)鋪粉層厚取0.03mm和0.02mm時(shí),如圖10(b)和
圖10(c)所示,試樣內(nèi)部的成形質(zhì)量較好,基本沒有明顯缺陷。繼續(xù)觀察圖10發(fā)現(xiàn),鋪粉層厚為0.04mm和
0.03mm時(shí),試樣組織中的馬氏體α相比較粗大,出現(xiàn)粗大的長條狀α′馬氏體,而鋪粉層厚為0.02mm時(shí),長
條狀α′馬氏體消失不見,主要為細(xì)小的針狀α′馬氏體。這種微觀組織的差異主要是因?yàn)镾LM成形過程中
激光作用在金屬粉末上時(shí),同時(shí)對上一層已形成的熔池有重熔效果[24],與熱處理效果相似,細(xì)化晶粒,此
時(shí)α′馬氏體相尺寸較小,組織成分更加均勻[25]。

3.4 顯微硬度
對成形試樣進(jìn)行了顯微硬度的測試,測量結(jié)果如圖11所示。可以看出,試樣側(cè)表面硬度在310~330HV
,上表面硬度在290~320HV,其中HV表示維氏硬度。觀察同一鋪粉層厚下的硬度可發(fā)現(xiàn),當(dāng)鋪粉層厚為
0.03mm時(shí)(試樣1#、2#、3#),試樣側(cè)表面硬度變化很小,而上表面硬度先下降后上升,2#試樣硬度最
小為291HV,與1#試樣最大硬度311HV相差20HV;鋪粉層厚為0.04mm時(shí)(試樣4#、5#、6#),試樣
側(cè)表面硬度由334HV下降到了320HV,而上表面硬度則完全相反,呈上升趨勢,由295HV增加到318HV
;當(dāng)鋪粉層厚為0.02mm時(shí)(試樣7#、8#、9#),試樣側(cè)表面和上表面硬度變化趨勢一致。這說明即便激
光能量密度相同,不同的激光工藝參數(shù)組合依然可以對試樣的側(cè)表面和上表面硬度產(chǎn)生一定的影響。雖然有
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在等激光能量密度、等激光功率下激光工藝參數(shù)對試樣的成形性能影響較小[26],但是在恒
定的激光能量密度下,采用不同的工藝參數(shù)組合驗(yàn)證了對試樣硬度的影響。觀察圖11發(fā)現(xiàn),在恒定的激光能
量密度下,每個(gè)試樣的上表面硬度都要比側(cè)表面硬度略高。結(jié)合選區(qū)激光熔化成形的特性,其原因可能是當(dāng)
激光照射在TC4合金粉末上時(shí),上表面粉末受高能激光束作用直接熔融,熔池之間相互搭接成形上表面,粉
末之間的結(jié)合力較大。側(cè)表面層與層之間的結(jié)合力略低,激光需要穿透粉末后,通過熱傳導(dǎo)的方式使上層已
成形的熔池重新熔融,與下一層新成形的熔池結(jié)合,因此層與層之間的結(jié)合力要低于熔池之間搭接的結(jié)合力
,側(cè)表面硬度低于上表面硬度[27]。

4、結(jié)論
采用選區(qū)激光熔化技術(shù)成形TC4鈦合金試樣,通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)粉層與仿真模型結(jié)合,探討
了等激光能量密度下不同的工藝參數(shù)組合成形試樣的熔池、表面形貌和硬度,彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)粉層與仿真模型不
符的情況。研究發(fā)現(xiàn)僅以激光能量密度來衡量SLM成形零件的性能差異是不夠的,例如在輸入相同的激光能
量密度相同時(shí),不同的功率和速度組合對熔池的溫度場有較大差異;鋪粉層厚對成形的試樣性能和形貌有更
為顯著的影響。因此在選擇工藝參數(shù)時(shí),不僅要選取合適的能量密度,對參數(shù)之間的組合也要慎重。
主要結(jié)論如下。
(1)在等激光能量密度下,激光功率和掃描速度的不同組合將導(dǎo)致不同的熔池尺寸;在激光功率為135
W時(shí),掃描速度為1435mm/s時(shí)熔池生長比例傾向于縱向延伸,熔池尺寸更加均勻。
(2)激光能量密度相同時(shí),不同的工藝參數(shù)組合整體上并沒有對試樣側(cè)表面粗糙度造成顯著影響,但
試樣上表面粗糙度在鋪粉層厚為0.03mm時(shí),明顯優(yōu)于鋪粉層厚為0.02mm和0.04mm的試樣。同一鋪粉層厚下試
樣的側(cè)表面和上表面粗糙度略有變化。本實(shí)驗(yàn)中鋪粉層厚為0.03mm,激光功率為118W,掃描速度為
1115mm/s,掃描間距為0.09mm時(shí),測得試樣的上表面粗糙度最小為4.62μm。
(3)SEM和金相觀察可以看出,即便激光能量密度相同,但試樣表面的成形熔道和微觀組織存在較大差
異。鋪粉層厚為0.03mm時(shí),試樣表面熔道最光滑;鋪粉層厚為0.04mm的試樣內(nèi)部分布大量細(xì)小圓孔,鋪粉層
厚為0.02mm的試樣中出現(xiàn)細(xì)小針狀馬氏體。
(4)試樣的側(cè)表面硬度均高于上表面硬度;在激光能量密度相同的條件下,試樣上表面的硬度變化幅
度大于側(cè)表面。在同一鋪粉層厚下,試樣上表面硬度變化也不同于側(cè)表面的硬度變化。試樣上表面的最大硬
度變化為23HV,而側(cè)表面為14HV。
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