余偉泳，肖志瑜，程玉婉，陳瑩瑩，高超峰，張衛(wèi)文

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成形角度對激光選區(qū)熔化成形CoCrMoW合金的影響

余偉泳，肖志瑜，程玉婉，陳瑩瑩，高超峰，張衛(wèi)文

(華南理工大學 國家金屬近凈成形工程技術研究中心，廣州 510640)

以自主制備的氣霧化CoCrMoW合金球形微細粉末為原料，采用激光選區(qū)熔化(SLM)工藝成形出與加工平面成不同角度的試樣，并研究其顯微組織與物理力學性能。結果表明：成形試樣主要由FCC的相和HCP的相組成。隨著成形傾斜角度的增大，試樣的相對密度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，傾斜角為90°時，試樣密度最高，相對密度達到99.2%；表面粗糙度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在0°時達到最小值7.84 μm，在15°時達到最大值19.85 μm；抗拉強度、伸長率及顯微硬度大致呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，抗拉強度和顯微硬度在60°時達到最大值，分別為1174MPa和412.5HV，伸長率在45°時達到最大值12.9%。

CoCrMoW合金；激光選區(qū)熔化；成形角度；力學性能

鈷鉻合金具有較好的力學性能、優(yōu)良的耐腐蝕性和生物相容性等優(yōu)點，廣泛應用于牙科修復、人工髖關節(jié)修復及膝關節(jié)修復等領域[1]。激光選區(qū)熔化(Selective laser melting，SLM)是一種運用分層制造逐層堆積理念的快速成形技術，利用金屬粉末直接制備出近全致密且性能優(yōu)異的金屬零件[2?4]。已有學者對該技術在骨科、整形外科、牙橋牙冠等方面的應用進行了研究[5]。

影響SLM成形的因素超過130個，其中工藝參數(shù)、材料特性等對成形性能有著較大的影響[6]。國內外學者的研究主要集中在掃描速度、激光功率、加工層厚和間距等工藝參數(shù)上[7?10]。也有部分學者研究了成形傾斜角度對零件性能的影響：VANDENBROUCKE等[11]和STRANO等[12]分別研究了傾斜角度對SLM成形純鈦和316L不銹鋼表面粗糙度的影響，結果表明，隨著傾斜角度的增加，試樣表面粗糙度呈先增大后減小的規(guī)律；WEN等[13]和王黎[14]利用SLM技術成形316L不銹鋼，研究了在水平方向(-平面)和垂直方向(軸方向)上不同擺放角度成形試樣的力學性能差異，研究結果發(fā)現(xiàn)：沿垂直方向擺放試樣的伸長率明顯高于沿水平方向擺放的試樣，這些研究說明傾斜角度是SLM成形過程中重要的影響因素。目前，尚無學者研究傾斜角從0°變化到90°過程中，CoCrMoW合金的物理及力學性能的變化規(guī)律，而不同成形傾斜角可能會對CoCrMoW合金的成形質量及顯微組織產生影響，進而影響到成形零件的物理力學性能，值得深入研究。因此，本文作者利用激光選區(qū)熔化設備DiMetal-100探討CoCrMoW合金SLM成形過程中傾斜角的變化對成形質量和性能的影響，以期對臨床醫(yī)療CoCrMoW合金的成形加工提供重要的技術指導，具有重要的意義。

1 實驗

1.1 實驗材料

本實驗采用氣霧化制備的CoCrMoW合金粉末為原材料，其化學成分如表1所列，粉末形貌和粒度分布如圖1所示。由圖1可知，所使用的鈷鉻鉬鎢合金粉末球形度較高，粉末粒度較集中，平均粒徑為 28.7 μm。

表1 CoCr合金粉末化學成分

圖1 CoCrMoW合金粉末特性

1.2 實驗方法

利用華南理工大學自主研發(fā)的Dimetal?100激光選區(qū)熔化設備進行成形。在三維建模軟件中設計并繪制出需要加工的拉伸試樣，導出STL格式文件后在Magics15.01中進行零件排布、添加支撐和切片處理。圖2所示為試樣尺寸及試樣擺放角度示意圖，7組試樣的擺放方向分別與成形平面成0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。經正交試驗優(yōu)化后，選用的成形工藝參數(shù)為激光功率=160 W，掃描速度=400 mm/s，掃描間距=0.08 mm，加工層厚=0.025 mm，掃描策略為正交層錯掃描方式。成形過程中采用316L不銹鋼作為基板材料，氬氣作為保護氣體。

1.3 性能測試與分析

采用MASTERSIZER2000粒度分析儀對CoCrMoW合金粉末進行粒度分析。利用阿基米德排水法測量試樣密度；利用TALYSURF CLI1000表面輪廓儀測量試樣的表面粗糙度；利用XRD測試儀器D8 ADVANCE對SLM成形試樣進行物相分析。將成形試樣進行打磨拋光后，采用在鹽酸中浸泡8 h[15]的方法進行腐蝕，用Leica金相顯微鏡觀察其顯微組織；采用DHV?1000Z型顯微維氏硬度計測試試樣的顯微硬度。采用掃描電鏡(NOVA NANOSEM 430)觀察成形零件的表面形貌、顯微組織及拉伸斷口形貌。拉伸試驗在CMT5105型100 kN萬能試驗機上進行。

圖2 試樣尺寸和擺放示意圖

2 結果及討論

2.1 成形傾斜角對CoCrMoW合金相對密度的影響

成形角度對試樣的相對密度的影響如圖3所示，由圖3可見：隨著傾斜角的增大，成形試樣相對密度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，其中，傾斜角為90°時試樣密度最高，相對密度達到99.2%，傾斜角度為30°時密度最低，相對密度為98.4%。

不同傾斜角成形試樣密度存在差異主要受成形件相鄰兩層之間的懸垂長度影響，其示意圖如圖4所示。成形過程中，傾斜角度在15°~75°之間的樣品存在懸垂結構，長度為的懸垂部分在成形時，激光直接作用在僅有少量片體支撐的粉末上，粉末熔化后會在毛細管力和重力的作用下沉陷到下方粉末中，造成試樣密度降低。成形傾斜角度越小，懸垂長度越長，其落渣量越多，導致相對密度降低。但實驗結果表明，15°試樣的密度反而稍高于30°試樣的，這可能是因為15°試樣在加工時，由于其角度很低，需要添加的支撐數(shù)目比30°試樣的多，較多的支撐減少了15°試樣的落渣量，最終導致15°試樣的密度反而稍高于30°試樣的。

圖3 傾斜角對試樣相對密度的影響

圖4 懸垂長度示意圖

2.2 成形傾斜角對CoCrMoW合金表面粗糙度的 影響

成形傾斜角對試樣上表面粗糙度(表面輪廓算數(shù)平均偏差a)的影響如圖5所示。隨著傾斜角的增加，表面粗糙度大致呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在0°時為最小值7.84 μm，在15°時達到最大值19.85 μm，圖6即為0°和15°的表面區(qū)域形貌示意圖。

傾斜角在15°到90°間的試樣表面質量較0°試樣的差，主要是受成形過程中臺階現(xiàn)象以及表面顆粒粘附的影響。圖7所示為臺階效應及粉末粘附的示意圖，傾斜擺放的試樣在成形過程中，相鄰兩層之間相對錯開了一定距離，導致表面出現(xiàn)高低不平的現(xiàn)象。在層厚一定的前提下，傾斜角越小，相鄰兩層之間錯開距離越大，臺階現(xiàn)象越明顯，表面質量越差，這是15°~75°成形試樣表面質量相對較差的主要原因。

圖6 試樣表面區(qū)域形貌示意圖：

圖7 臺階現(xiàn)象及粉末粘附示意圖

SLM試樣表面質量還受到表面粘附顆粒的影響，圖8所示為不同傾斜角CoCrMoW合金試樣表面形貌SEM像，可以看到：成形零件表面熔道搭接較好，沒有明顯孔洞產生，同時，不同傾斜角度成形試樣的表面都粘附有部分顆粒，且0°試樣表面的粘附顆粒明顯少于其他成形角度試樣表面的。粘附顆粒主要分為粉末粘附及飛濺顆粒兩種形式。粉末粘附是指在每一層成形圖形的輪廓處，高溫的熔池與周圍非成形區(qū)域的粉末接觸，熔池冷卻凝固過程中粘連了部分粉末，形成粉末粘附，其示意圖如圖7所示，這種粘附現(xiàn)象在每一層的加工中都會發(fā)生，因此，15°~90°這6組成形試樣的表面均粘附了較多顆粒。0°試樣為水平擺放，其上表面在凝固過程中不與合金粉末接觸，但也有少量顆粒粘附，這些顆粒為飛濺顆粒，其形成的原因是在SLM成形過程中，高能量的激光作用金屬粉末上，使金屬粉末和熔池產生粉末飛濺和液滴飛濺，這些飛濺有一部分會散落并最終粘連在成形試樣表面。表面粘附顆粒較多是導致90°成形試樣表面粗糙度大于0°試樣的原因。

2.3 成形傾斜角對CoCrMoW合金相組成及顯微組織的影響

圖9所示為CoCrMoW合金粉末和成形試樣的XRD分析結果，可以看出，CoCrMoW合金粉末由FCC的相組成，而SLM成形的CoCrMoW合金由FCC結構的相和HCP結構的相組成。在SLM成形過程中，粉末在激光的作用下快速熔化形成熔池，激光移開后，熔池急速冷卻形成相，同時抑制了凝固過程中相的形成。但SLM是一個逐層成形的過程，在每一層的成形過程中，激光以較高能量同時作用在粉末和實體上，使粉末熔化的同時也對粉末底部的實體進行加熱和熔化，這個過程等同于對已成形區(qū)域中受加熱而未重新熔化的區(qū)域進行了熱處理，為相的形成提供了條件。從XRD分析結果還可以看出，不同角度所包含的兩種相含量有所不同，但差距不明顯。

圖8 不同成形角度試樣表面形貌的SEM像

圖9 試樣的XRD譜

圖10所示為光學顯微鏡下不同傾斜角度成形試樣的上表面金相組織，可以看到：0°試樣的熔道方向為水平方向，而15°到90°的試樣出現(xiàn)兩個方向上的熔道，且隨著傾斜角度增加，熔道深度大致上呈遞減趨勢，熔接線數(shù)量呈增加趨勢，這是由成形樣品的擺放傾斜角不同引起的。不同角度的熔道邊界大致可以看成將三維堆積的熔道剖切后露出的熔道之間的熔接線，其示意圖如圖11所示，可以看出，其熔道深度及熔接線數(shù)量隨角度變化的變化規(guī)律與得到的金相組織一致。

圖12所示為成形零件在掃描電鏡下的柱狀晶和等軸晶兩種不同組織，不同成形角度試樣中都含有這兩種組織。由圖12(b)可以看出，其等軸晶組織晶粒細小均勻，晶粒尺寸在1 μm以下。在SLM成形過程中，高能量的激光束作用在粉末上并快速離開，使粉末在短時間內熔化并快速冷卻，因而形成的晶粒細小。從圖12(a)中還可以看出，晶體沿多個方向生長(圖中箭頭為晶粒生長方向)，這是由于SLM成形過程中，激光的掃描路徑受計算機系統(tǒng)控制形成移動的熱源，同時激光掃描時也會使已成形的實體發(fā)生重熔，使傳熱過程產生復雜的變化，從而使晶體沿著多個方向散熱，最終導致試樣內部出現(xiàn)非平衡的微觀結構。

圖10 不同成形角度試樣的顯微組織

圖11 不同成形角度熔接線示意圖

圖12 CoCrMoW合金顯微組織的SEM像

2.4 成形角度對CoCrMoW合金力學性能的影響

不同傾斜角對抗拉強度、顯微硬度及伸長率的影響如圖13所示。隨傾斜角度增大，試樣的抗拉強度及顯微硬度大致呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在60°時出現(xiàn)一個峰值，此時的抗拉強度達到1174 MPa，顯微硬度達到412.5HV。試樣的伸長率在45°時達到最高值12.9%。

圖13 傾斜角對抗拉強度及顯微維氏硬度的影響

不同傾斜角度的試樣力學性能出現(xiàn)不同，可能是由內部缺陷不同造成的。在SLM成形過程中，試樣內部主要的缺陷為熔道搭接缺陷、殘余應力以及微觀孔洞。由不同成形角度的光學顯微組織(見圖10)可知：7組成形試樣的熔道搭接情況不同，這可能是造成其力學性能不同的原因。SLM成形工藝中，熔道搭接主要包含兩種形式，即沿軸或軸方向上相鄰熔道的搭接(即“道-道”搭接)和沿軸方向上的搭接(即“層-層”搭接)。“道-道”搭接與“層-層”搭接的搭接效果可以通過熔道附近的晶粒生長情況來判斷，圖14所示為“層-層”搭接與“道-道”搭接處的顯微組織，可以看出，“層-層”搭接的熔道邊界兩邊的晶粒取向基本一致(圖中箭頭方向為晶粒取向)，熔道搭接效果較好，而“道-道”搭接的熔道邊界兩邊的晶粒取向不一致，其搭接效果不如“層-層”搭接好。

“層-層”搭接與“道-道”搭接在熔池附近出現(xiàn)這種晶粒取向不同的現(xiàn)象，是由SLM特殊的成形工藝造成的。本實驗中平行于軸或軸方向上，同一層內熔道之間的搭接距離(即“道?道”搭接距離)為80 μm，而平行于Z軸的熔道搭接距離(即“層?層”搭接距離)為25 μm；在一定范圍內，搭接距離越小，熔道之間的結合越好，因此層與層之間搭接比同一層內熔道間的搭接效果更好。同時，激光在加工完一層之后，需要經過鋪粉才進行下一層的加工，已加工層有足夠的時間冷卻，在加工下一層時，“層-層”之間的溫度差大于“道-道”之間的溫度差，而晶粒沿著散熱最快的方向生長，所以晶粒生長方向大都為垂直方向，使得“層-層”搭接的熔道邊界兩邊的晶粒取向基本一致。熔道兩側晶粒取向一致，在拉伸時試樣受力更均勻，拉伸性能更好。

圖14 熔道搭接處的顯微組織

在不同成形角度試樣中，0°試樣沿著拉伸方向的熔道搭接方式為“道-道”搭接，而90°試樣則為 “層-層”搭接，15°~75°試樣的熔道搭接方式為兩種搭接相結合，且角度越大，“層-層”搭接所占的比例越高，因此，傾斜角度越大，拉伸方向上的熔道搭接效果越好，試樣的拉伸性能越好。但實驗結果表明，75°和90°成形試樣的性能反而下降，這可能是由試樣內部的殘余應力造成的。有研究發(fā)現(xiàn)：隨著加工層數(shù)的增加，零件內部的殘余應力也相應增加[16]，本實驗中，75°和90°試樣的成形高度較高，加工層數(shù)較多，最終試樣內部的殘余應力也相應增加，這可能是75°和90°試樣的拉伸性能有所下降的原因。60°試樣的高度比75°和90°試樣的低，且以“層-層”搭接為主，熔道搭接的效果和殘余應力之間存在最優(yōu)的組合狀態(tài)，導致其抗拉強度最高。

不同成形傾斜角的拉伸斷口形貌基本一致，圖15所示為試樣的拉伸斷口形貌，從圖15(a)可以看出，其斷面具有明顯的解理小平面和撕裂棱，具有凹凸不平的層錯臺階，解理面的放大圖可以觀察到斷口含有大量細小韌窩，如圖15(b)所示，表明材料具有一定的韌性，材料的斷裂特性屬于準解理斷裂。

3 結論

1)隨著成形角度的增大，試樣的相對密度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，傾斜角為90°時試樣密度最高，相對密度達到99.2%；表面粗糙度呈先增加后減小的趨勢，在0°時為最小值7.84 μm，在15°時達到最大值19.85 μm。

2)經激光選區(qū)熔化成形的鈷鉻鉬鎢合金試樣晶粒細小，其等軸晶的晶粒尺寸在1 μm以下；試樣主要由FCC的相和HCP的相組成。

3) 隨著成形角度的增大，試樣的抗拉強度及顯微硬度大致呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在60°時達到最大值，抗拉強度和硬度分別達到1174 MPa和412.5HV，在45°時伸長率達到最大值12.9%，拉伸斷口呈準解理斷裂。

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(編輯 王 超)

Effect of sloping angle on forming ofCoCrMoW alloy by selective laser melting

YU Wei-yong, XIAO Zhi-yu, CHENG Yu-wan, CHEN Ying-ying, GAO Chao-feng, ZHANG Wei-wen

(National Engineering Research Center of Near-Net-Shape Forming for Metallic Material, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

CoCrMoW alloy was formed by selective laser melting with different sloping angles using self-prepared spherical fine powder, its microstructure and mechanical properties were studied. The results indicate that microstructures of SLM samples are composed ofphase in FCC structure andphase in HCP structure. With the increase of sloping angle, the alloy density decreases firstly and then increases gradually, and reaches at a maximum of 99.2% when the sloping angle is 90°. On the contrary, the surface roughness of the specimens increases initially and then decreases. A minimum roughness of 7.84 μm and a maximum roughness of 19.85 μm appear at 0° and 15°. Meanwhile, the ultimate tensile strength, elongation and microhardness arise initially, then drop afterward. The ultimate tensile strength and microhardness reach at a maximum of 1174 MPa and 412.5 HV, respectively, when the sloping angle is 60°. The elongation reaches at a maximum of 12.9% at an angle of 45°.

CoCrMoW alloy; selective laser melting; sloping angle; mechanical property

Project(51627805) supported by the National Natural Science Foundation for Scientific Instrument Development Project, China; Project(2015A030312003) supported by the Guangdong Natural Science Foundation for Research Team, China; Projects(2014B010129003, 2016B030302006) supported by Science and Technology Program of Guangdong Province, China; Project(201604016049) supported by Science and Technology Research Program of Guangzhou, China

2016-10-12;

2017-04-26

XIAO Zhi-yu; Tel: +86-13922266121; E-mail: zhyxiao@scut.edu.cn

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.11.09

1004-0609(2017)-11-2251-09

TF125.2

A

國家自然科學基金重大儀器專項(51627805)；廣東省自然科學基金團隊項目(2015A030312003)；廣東省科技攻關項目(2014B010129003，2016B030302006)；廣州市科技計劃項目(201604016049)

2016-10-12；

2017-04-26

肖志瑜，教授，博士；電話：13922266121；E-mail：zhyxiao@scut.edu.cn