劉睿誠(chéng)，楊永強(qiáng)，王 迪

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州510640）

選區(qū)激光熔化成型金屬零件上表面粗糙度的研究

劉睿誠(chéng)，楊永強(qiáng)*，王 迪

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州510640）

為了改善成型件表面質(zhì)量，從微觀上研究了決定選區(qū)激光熔化成型金屬零件的上表面粗糙度的主要因素，通過(guò)研究單熔道成型，從熔道搭接的角度理論分析了成型件的上表面粗糙度，基于自主研發(fā)的成型設(shè)備Dimetal-280加工實(shí)體零件進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量對(duì)比，獲得表面粗糙度的輪廓算術(shù)平均偏差Ra的理論值為3.21μm，微觀不平度十點(diǎn)高度Rz的理論值為12.79μm，其實(shí)測(cè)值Ra=7.36μm，Rz=40.01μm；進(jìn)行噴砂和電解拋光處理后，表面粗糙度減小，即Ra=2.34μm，Rz=10.86。結(jié)果表明，成型件的上表面粗糙度主要受熔道寬度、掃描間距和鋪粉層厚3個(gè)因素的共同影響；粗糙度實(shí)測(cè)值與理論值有偏差，主要是由于熔道不穩(wěn)定、表面出現(xiàn)球化、粉末粘附等缺陷造成；成型件經(jīng)過(guò)電化學(xué)處理后表面質(zhì)量有較大的改善。選區(qū)激光熔化成型金屬零件可達(dá)到良好的表面粗糙度，此項(xiàng)研究為進(jìn)一步提高表面質(zhì)量和應(yīng)用于生產(chǎn)加工提供了參考依據(jù)。

激光技術(shù)；選區(qū)激光熔化；理論分析與驗(yàn)證；表面粗糙度；單熔道；電解拋光

引 言

選區(qū)激光熔化（selective laser melting，SLM）是一種基于激光熔化金屬粉末的快速成型技術(shù)，能直接制造具有冶金結(jié)合、組織致密、機(jī)械性能良好、高精度的金屬零件［1-2］。SLM技術(shù)采用快速成形的基本原理，即先采用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出零件的3維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型，然后通過(guò)專用軟件對(duì)3維模型進(jìn)行切片分層，得到各截面的輪廓數(shù)據(jù)，導(dǎo)入快速成形設(shè)備，設(shè)備根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)，控制激光束選擇性地熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成3維金屬零件［2］。

雖然同傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，選區(qū)激光熔化技術(shù)有很多的優(yōu)勢(shì)，但是成型件表面質(zhì)量較差是該成型技術(shù)最大的缺陷。利用車、銑、刨、磨等傳統(tǒng)機(jī)械加工方法加工的零件表面粗糙度參量，輪廓的算術(shù)平均偏差Ra＜2.5μm，而SLM成型件的Ra一般在5μm～50μm之間［3］。較差的表面質(zhì)量不僅會(huì)使成型件的強(qiáng)度、耐磨性和抗腐蝕性變差，還會(huì)影響成型件的配合性質(zhì)和工作精度，極大地制約了SLM技術(shù)的推廣應(yīng)用［4］。因此，優(yōu)化成型工藝、提高成型件的表面粗糙度是快速成型領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題。

針對(duì)SLM成型件的表面粗糙度，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者已經(jīng)針對(duì)提高成型件表面質(zhì)量作了一些研究。江漢大學(xué)CHEN［5］、華中科技大學(xué)PENG［6］等人通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，研究了SLM成型過(guò)程中各工藝參量對(duì)成型件表面粗糙度的影響。華南理工大學(xué)SUN［7］等人對(duì)SLM成型件進(jìn)行了表面形貌分析，采用大間距層間錯(cuò)開的掃描方式，獲得了表面質(zhì)量較好的實(shí)體方塊。華南理工大學(xué)WANG［8］研究了不同的線能量輸入下成型的不同表面形態(tài)的成型件，并將其分為條蟲狀、過(guò)熔狀、粒球狀等6種典型表面形貌。MUMTAZ和HOPKINSON［4］采用脈沖激光器熔化鎳基合金粉末，研究了激光功率、掃描速率和搭接率等參量對(duì)成型件上表面和側(cè)表面粗糙度的影響，并獲得了較優(yōu)的工藝參量組合。SONG［9］等人研究了工藝參量對(duì)SLM成型鈦合金件的微觀組織和機(jī)械性能的影響，獲得了激光功率和掃描速率對(duì)于表面粗糙度的影響關(guān)系。DADBAKHSH［10］等人研究了激光功率和掃描速率對(duì)于SLM成型鋁合金件的致密度、表面粗糙度和表面硬度的影響。BRINKSMEIER［11］等人研究了層定位、加工工藝和SLM成型件之間的關(guān)系，還證明了后續(xù)機(jī)加工處理對(duì)于提升成型件表面質(zhì)量的作用。YASA［12-13］等人研究了激光表面重熔對(duì)成型件表面粗糙度改善的作用和影響，并提出了將SLM和表面重熔像結(jié)合的制造方法，制造出了高表面質(zhì)量的成型件。KRUTH［14］等人將選區(qū)激光侵蝕和激光重熔處理應(yīng)用在選區(qū)激光熔化過(guò)程中，研究了這些處理方法對(duì)于提升成型件表面質(zhì)量的作用，并提出了一些改善表面粗糙度的掃描策略。

以上研究主要從宏觀角度針對(duì)改善成型件表面質(zhì)量進(jìn)行了工藝優(yōu)化。本文中從激光熔化粉末形成熔道、熔道搭接形成面、面疊加形成體的微觀成型角度對(duì)表面粗糙度進(jìn)行理論研究，并對(duì)理論研究結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本研究能夠?yàn)楦纳芐LM成型件表面粗糙度提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為自主研發(fā)的Dimetal-280 SLM快速成型設(shè)備，如圖1所示，其主要由光纖激光器、光路傳輸單元、密封成型室（包括鋪粉裝置）、控制系統(tǒng)、工藝軟件等幾個(gè)部分組成。系統(tǒng)最大優(yōu)勢(shì)是使用英國(guó)SPI 200W波長(zhǎng)1075nm摻鐿雙包層連續(xù)式光纖激光器；激光由掃描振鏡導(dǎo)向，然后通過(guò)f-Θ透鏡聚焦，掃描速率10mm/s～5000mm/s，加工層厚20μm～100μm，激光聚焦光斑直徑70μm。

Fig.1 SLM fabrication equipment Dimetal-280

粗糙度測(cè)量采用JB-8C型觸針式精密粗糙度儀，該粗糙度儀采用天然鉆石觸針，每評(píng)定段水平取樣達(dá)1600點(diǎn)，有效靈敏度高達(dá)0.001μm。可以測(cè)量包括Ra和微觀不平度十點(diǎn)高度Rz在內(nèi)的20多項(xiàng)參量，直線度測(cè)量精度為0.4μm，操作簡(jiǎn)單快捷。

實(shí)驗(yàn)材料為氣霧化方法制得的500目球形316L不銹鋼粉末，其組成成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)w）為：C（0.0003），Cr（0.175），Ni（0.1206），Mo（0.0206），Si（0.0086），Mn（0.003），O（0.0009），F(xiàn)e（其余）；粒度分布（質(zhì)量分?jǐn)?shù)w）為：小于15μm（0.50），小于30μm（0.90），平均粒徑是17.11μm；粉末的松裝密度是4.42g/cm3。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程

（1）研究單熔道的成型原理。進(jìn)行單熔道成型實(shí)驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整工藝參量獲得連續(xù)、光滑的單熔道，在掃描電鏡下觀察單熔道的形狀，分析激光能量輸入對(duì)單熔道寬度的影響。

（2）進(jìn)行SLM成型件表面粗糙度理論研究，在平面坐標(biāo)系中建立熔道搭接模型，得出表面粗糙度參量對(duì)應(yīng)的表達(dá)式。選取特定工藝參量對(duì)應(yīng)的熔道尺寸，計(jì)算出表面粗糙度的理論數(shù)值。作者計(jì)算了兩個(gè)最具代表性的表面粗糙度數(shù)值：輪廓的算術(shù)平均偏差R和微觀不平度十點(diǎn)高度。

a

（3）加工出相應(yīng)工藝參量下的成型件，測(cè)量成型件表面粗糙度，驗(yàn)證理論計(jì)算值；對(duì)結(jié)果進(jìn)行討論，對(duì)比理論計(jì)算值和實(shí)測(cè)值，分析造成兩者差異的原因。最后，對(duì)SLM成型件進(jìn)行電解拋光處理，測(cè)量其粗糙度，研究該處理對(duì)于提高表面質(zhì)量的作用。

對(duì)成型件表面進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)該垂直于掃描線的方向測(cè)量其表面粗糙度，以使Ra或Rz值為最大。如果被測(cè)表面不能明顯地確定掃描線方向，則應(yīng)該在幾個(gè)方向上進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)得的最大值作為該表面粗糙度的數(shù)值。其中取樣長(zhǎng)度為0.8mm，評(píng)定長(zhǎng)度為4mm，測(cè)量速率為0.32mm/s。

2 理論分析

2.1 單熔道成型原理及實(shí)驗(yàn)

圖2為單道熔道成型截面示意圖，在SLM成型單道熔池過(guò)程中，通過(guò)基體將熔池分別上、下兩部分。在基體上方，由于粉末固體質(zhì)點(diǎn)對(duì)液體質(zhì)點(diǎn)的作用力小于液體質(zhì)點(diǎn)之間的作用力，潤(rùn)濕角傾向?yàn)殁g角，熔池的形狀傾向?yàn)閳A形。

Fig.2 Cross-section diagram of singlemelting track

進(jìn)行單熔道成型實(shí)驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整工藝參量，獲得連續(xù)、光滑的單道熔道，觀察熔道的形狀。研究發(fā)現(xiàn)，熔道的形態(tài)與單位時(shí)間內(nèi)能量輸入ω（單位為J·cm-3）的大小最密切，ω可以通過(guò)下式獲得：

式中，P為激光功率，D為光斑直徑，v為掃描速率。

在單熔道實(shí)驗(yàn)中，獲得圖3所示的兩類連續(xù)光滑的單熔道。

（1）當(dāng)ω＞2.6×105J·cm-3時(shí)，特別是掃描速率很低而激光功率很高的情況下，獲得第1種熔道形態(tài)，如圖3a所示。第1種熔道形態(tài)規(guī)則而連續(xù)，熔道寬度為180μm，但是在熔道附近存在大范圍的無(wú)粉末區(qū)。

Fig.3 Two patterns of the continuous singlemelting tracks and the corresponding cross-sections

（2）當(dāng)1.3×105J·cm-3＜ω＜2.6×105J· cm-3時(shí)，可獲得第2種熔道形態(tài)，如圖3b所示。第2種熔道形態(tài)仍然規(guī)則而連續(xù)，熔道寬度為120μm，熔道周圍粉末仍在原來(lái)的位置。

綜合考慮，第2種熔道形態(tài)更有利于成型表面質(zhì)量好的SLM成型件。觀察第2種熔道橫截面的形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，基體上方熔道的形狀為圓形曲線，與單熔道成型原理分析結(jié)果相一致。

單道熔道的寬度在實(shí)際的成型過(guò)程中是重要的指標(biāo)參照值，對(duì)零件的表面粗糙度有較大影響，同時(shí)也是進(jìn)行SLM成型件表面粗糙度理論研究的依據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同功率密度下，掃描速率對(duì)熔道寬度的影響。

圖4中總結(jié)了激光功率密度、掃描速率對(duì)熔道寬度的影響。從圖中可以看出，熔池寬度隨著激光功率密度的下降、掃描速率的增加而減小。

Fig.4 Relationship between scanning speed，melt poolwidth and laser power（layer thickness：35μm）

2.2 表面粗糙度理論計(jì)算

為了計(jì)算上表面的表面粗糙度理論值，需要做以下的假設(shè)：（1）基體上方熔道橫截形狀為圓形曲線；（2）每一條單熔道的形狀都相同；（3）熔道搭接時(shí)忽略重熔區(qū)的熱膨脹。

2.2.1 粗糙度輪廓曲線建模 圖5是單熔道在基體上方的橫截面熔道形態(tài)，其中熔道形狀是半徑為r的圓形曲線，熔道寬度為a，基體上方的熔道高度為d。從圖中可以算出r=a2/（8d）+d/2。

Fig.5 Singlemelting track’s patterns

將該單熔道的形狀曲線放入平面直角坐標(biāo)系中進(jìn)行建模，得到單熔道形狀方程如下所示：

圖6是不同的熔道之間的搭接圖，b為掃描間距，重熔區(qū)的深度為

Fig.6 Lapping diagram ofmelting tracks

圖7是成型件上表面的粗糙度曲線圖，將圖5和圖6在平面坐標(biāo)系中向下平移h個(gè)單位，向左平移（a-b）/2個(gè)單位，即可得到當(dāng)前的粗糙度曲線。

Fig.7 Profile of upper surface

表面粗糙度曲線是周期為b的周期函數(shù)，即f′（x+b）=f′（x），單個(gè)周期內(nèi)的函數(shù)方程如下式所示：

2.2.2 表面粗糙度理論值計(jì)算 由于建模出來(lái)表面粗糙度曲線是周期性的曲線，故進(jìn)行理論計(jì)算時(shí)，不需要考慮取樣長(zhǎng)度和評(píng)定長(zhǎng)度，只需要選取一個(gè)周期內(nèi)的曲線進(jìn)行計(jì)算即可。

（1）表面粗糙度輪廓的算術(shù)平均偏差Ra。Ra指在一個(gè)取樣長(zhǎng)度內(nèi)，輪廓上各點(diǎn)到最小二乘中線縱坐標(biāo)絕對(duì)值的算術(shù)平均值［3］。

最后推出Ra的表達(dá)式：

（2）表面粗糙度輪廓的最大高度Rz。Rz指在一個(gè)取樣長(zhǎng)度內(nèi)，最大輪廓峰高和最大輪廓谷深之和［3］。推出Rz的表達(dá)式：

從（4）式和（5）式可以看出，Ra和Rz都是由變量a，b和d表示的式子，即成型件的上表面粗糙度理論上受到熔道寬度、掃描間距和鋪粉層厚3個(gè)因素的共同影響。而熔道寬度主要由激光功率和掃描速率控制，因此，為了改善成型件的表面粗糙度，應(yīng)該綜合考慮激光功率、掃描速率、掃描間距和鋪粉層厚4個(gè)因素。

聯(lián)系對(duì)連續(xù)單熔道形態(tài)參量的測(cè)量值，這里取熔道寬度a=120μm，掃描間距b=80μm，鋪粉層厚（與熔道高度相等）d=35μm。將計(jì)算公式和參量值輸入到MATLAB中進(jìn)行計(jì)算，得到表面粗糙度的理論計(jì)算值為：Ra=3.21μm，Rz=12.79μm。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果討論

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

聯(lián)系圖4中掃描速率、激光功率密度與熔池寬度之間的關(guān)系，選用與第2.2節(jié)中粗糙度理論分析所對(duì)應(yīng)的工藝參量（激光功率150W，掃描速率600mm/s，鋪粉厚度35μm，掃描間距80μm），用SLM成型機(jī)加工出10mm×10mm×10mm的小方塊，進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量。

加工出的SLM成型小方塊如圖8所示，表面質(zhì)量較好，呈現(xiàn)規(guī)則細(xì)線狀。其成型件表面輪廓線如圖9所示。

Fig.8 Macroscopicsurfacemorphologyoffabricatingparts

Fig.9 Surfaceprofileoffabricatingparts

對(duì)該SLM成型件進(jìn)行噴砂和電解拋光處理，處理之后表面質(zhì)量有明顯的提升，如圖10所示，從處理后的成型件宏觀形貌可以看出，表面變得很光滑，原來(lái)的細(xì)線狀形貌消失了。

Fig.10 Macroscopicsurfacemorphologyaftershotblastingandelectrolyticpolishingtreatment

粗糙度測(cè)量值如表1所示。

Table1 Thetheoreticalvalueandthemeasuredvalueofsurfaceroughnesscomparison

3.2 結(jié)果討論

將表1中的表面粗糙度統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)值要比理論值大，實(shí)測(cè)值大概是理論值的兩倍。

造成成型件表面粗糙度理論值和實(shí)測(cè)值有差異的原因是：（1）SLM成型是一個(gè)復(fù)雜多變的過(guò)程，進(jìn)行粗糙度理論分析時(shí)，不可能完全模擬出成型過(guò)程中的單熔道形態(tài)和熔道搭接，只能做出較為接近實(shí)際過(guò)程的理想化假設(shè)；理論計(jì)算時(shí)假設(shè)熔道形狀為規(guī)則的圓形曲線，而實(shí)際加工過(guò)程中，熔池是不穩(wěn)定的，熔道兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)細(xì)微的小球（如圖11所示）；理論計(jì)算時(shí)忽略了重熔區(qū)的熱影響，而實(shí)際加工過(guò)程中，重熔區(qū)會(huì)存在熱膨脹，從而影響理論計(jì)算的精度；（2）從成型件的表面微觀放大圖11可以看出，熔道的搭接區(qū)域表面質(zhì)量較差，熔道兩側(cè)有小球和凸起，這是粘附在熔道表面未能完全融化的粉末顆粒，這些缺陷影響了后一熔道的質(zhì)量，使得后續(xù)熔道出現(xiàn)不連續(xù)，球化，熔道表面呈現(xiàn)起伏狀；（3）SLM實(shí)際加工過(guò)程中會(huì)存在球化和翹曲等缺陷，這些缺陷會(huì)隨著加工層數(shù)的增加而累積，使得成型件的表面粗糙度隨著加工層數(shù)的增加而不斷惡化。

Fig.11 EnlargeddiagramofSLMpart’ssurface

Fig.12 Surfaceprofileaftershotblastingandelectrolyticpolishing treatment

從表1還可以看出，成型件經(jīng)過(guò)噴砂和電解拋光處理之后，粗糙度極大地降低。對(duì)比圖9和圖12可以看出，經(jīng)過(guò)噴砂和電解拋光處理之后，成型件表面輪廓更加平滑，輪廓單元里的峰高和峰谷距離減小，輪廓也更規(guī)則。處理之后，Ra，Rz分別減小了71.43％，72.85％。

噴砂和電解拋光處理后的成型件Ra= 2.34μm，表面質(zhì)量可以達(dá)到普通機(jī)加工的表面質(zhì)量水平。從中也可以看出，SLM成型件表面質(zhì)量有很大的提升空間，優(yōu)化的工藝參量和合理和后處理步驟都能大幅度改善其表面質(zhì)量，降低表面粗糙度，使其能夠應(yīng)用在工業(yè)、航空和醫(yī)學(xué)等場(chǎng)合。

4 結(jié) 論

（1）當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)激光能量輸入ω＞1.3×105J· cm-3時(shí)，可以獲得連續(xù)光滑的單熔道，熔道橫截面形狀為圓形曲線。單熔道的寬度在120μm到180μm之間，隨著激光功率密度的下降、掃描速率的增加而減小。

（2）成型件的上表面粗糙度理論上受到熔道寬度、掃描間距和鋪粉層厚3個(gè)因素的共同影響。取熔道寬度120μm，掃描間距80μm，鋪粉層厚35μm，計(jì)算出粗糙度理論數(shù)值為：Ra=3.21μm，Rz= 12.79μm。

（3）對(duì)應(yīng)參量下加工出的成型件粗糙度實(shí)測(cè)值為：Ra=7.36μm，Rz=40.01μm。實(shí)測(cè)值大概是理論值的兩倍。理論計(jì)算所做的假設(shè)與實(shí)際過(guò)程有偏差、熔道不穩(wěn)定、表面會(huì)出現(xiàn)球化、粉末粘附缺陷等是造成實(shí)測(cè)值與理論值偏差的主要原因。

（4）SLM成型件經(jīng)過(guò)噴砂和電解拋光處理后，Ra=2.34μm，Rz=10.86μm，表面質(zhì)量有較大的改善。

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Research of upper surface roughness ofmetal parts fabricated by selective laser melting

LIU Rui-cheng，YANG Yong-qiang，WANG Di
（School of Mechanical＆Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

In order to provide the theory basis to improve the surface quality，the main factors affecting the upper surface roughness ofmetal parts fabricated by selective laser melting（SLM）were studied.By studying the single track melting，the upper surface roughness of SLM parts was analyzed from the view ofmelting track lapping.Themetal parts were fabricated by using the self-developed fabrication equipment Dimetal-280 and themeasure roughness parameters were compared with the theoretical value.The theoretical value of arithmeticalmean deviation of the profile Rawas3.21μm and the theoretical value of ten-point height of irregulartlies Rzwas 12.79μm.The actual value was Ra=7.36μm and Rz= 40.01μm.After electrochemical polishing，the surface roughness was reduced to Ra=2.34μm and Rz=10.86μm.The results prove that upper surface roughness of themetal partwas influenced bymelting track width，scanning space and layer thickness altogether.The reason of the discrepancy between theoretical value and actual value was some defects such as instability in melting track，spheroidization on the surface and dust adhesiveness.The quality of surface roughness was greatly improved after electrochemical polishing.Themetal parts processed by selective lasermelting could obtain satisfied surface roughness in this experiment.The results provide guidance to surface research and industrial application in the future.

laser technique；selective lasermelting；theoretical analysis and verification；surface roughness；single track；electrochemical polishing

TG665

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.003

1001-3806（2013）04-0425-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275179）；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（S2012040007516）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目（2012ZB0014）

劉睿誠(chéng)（1989-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榧す饧庸ぜ跋冗M(jìn)材料成型技術(shù)。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：meyqyang＠scut.edu.cn

2012-11-13；

2012-11-20