摘 要： 本文概述了激光選區(qū)熔化增材制造（SLM）的過(guò)程，從溫度控制、原料粉性質(zhì)和特性、工藝參數(shù)、掃描方法、后處理等因素進(jìn)行研究分析不致密化程度與激光缺陷的原因。

關(guān)鍵詞： 激光;增材制造;工藝參數(shù);影響

選區(qū)激光熔化（SLM）是在已有選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其中燒結(jié)或部分熔融是導(dǎo)致粉末快速凝固的唯一機(jī)制。SLM在材料表面形貌、致密化和微觀結(jié)構(gòu)均勻性方面的顯著改善。SLM金屬具有更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生具有更高屈服應(yīng)力的更強(qiáng)材料。通過(guò)改變加工參數(shù)可以顯著改變SLM零件的微觀結(jié)構(gòu)特征。

1 SLM技術(shù)的工作原理

SLM裝置的基本設(shè)置是建造活塞支撐建造平臺(tái)、加固部件和任何未固結(jié)金屬粉末。高功率激光跟蹤剖切構(gòu)成任何已建零件幾何圖形的曲面。然后將生成的切片焊接到先前繪制的零件截面。一旦該層的建造完成，建造活塞垂直向下移動(dòng)相當(dāng)于一層厚度的量，之后，通過(guò)在其上掃過(guò)的再水臂在建造平臺(tái)上沉積一層新的未固結(jié)粉末。此過(guò)程將繼續(xù)，直到零件完成。大多數(shù)SLM處理是在惰性保護(hù)氣體（如氮?dú)饣驓鍤猓┫逻M(jìn)行的，以減少建筑物的氧化、充電和孔隙率。零件完成后，卸下殘余粉末，并從機(jī)器上移除構(gòu)建平臺(tái)。有時(shí)需要進(jìn)行研磨，以便從構(gòu)建平臺(tái)和零件上移除支撐，以備使用。在某些情況下，SLM后可進(jìn)行額外的后處理，如熱處理、熱等靜壓（HIP）、拋光和噴丸處理，以改善致密化、表面特性和機(jī)械性能。

2 影響因素分析

2.1 溫度控制

在選擇SLM加工方式時(shí)必須考慮加工過(guò)程的冷卻—加熱循環(huán)，因?yàn)閷?duì)恒定熱循環(huán)敏感的材料可能表現(xiàn)出不同于最初在恒定溫度波動(dòng)下預(yù)期的特性。在SLM制造過(guò)程的熱循環(huán)過(guò)程中發(fā)生的熱膨脹和收縮效應(yīng)往往導(dǎo)致產(chǎn)品中產(chǎn)生比通過(guò)傳統(tǒng)制造過(guò)程獲得的產(chǎn)品更多的殘余應(yīng)力;這些應(yīng)力可能導(dǎo)致開(kāi)裂和分層的關(guān)鍵缺陷。此外，如果建造溫度控制不當(dāng)，熔融粉末可能會(huì)形成球狀，從而有效地破壞建造。如果允許粉末原料熔化，則顆粒的形成和取向變得不一致，從而對(duì)成型質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。因此，溫度控制是SLM建造成功的必要條件。

2.2 原料粉性質(zhì)和特性

粉體特性和性能對(duì)SLM工藝和致密化動(dòng)力學(xué)有重要影響，必須加以考慮。粉末粒度和粒度分布都會(huì)影響熔體的粘度和粉末的流速。較細(xì)的顆粒吸收更多的激光能量，從而提高了顆粒溫度和致密化動(dòng)力學(xué)，因?yàn)榉勰┍容^粗的顆粒呈現(xiàn)出更大的表面積。更細(xì)的顆粒也可以填充空隙，從而增加粉末密度，產(chǎn)生更高的凝固速率和更細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)。然而，納米粉體的流動(dòng)通常較差;納米粉體經(jīng)常團(tuán)聚，增加粉末床的光學(xué)反射率，從而降低能量吸收和致密化動(dòng)力學(xué)。粉末特性和特性性能、冶金和化學(xué)性能合金成分、氧和碳濃度、反應(yīng)焓、氧化電位顆粒形態(tài)特征粒徑和分布、顆粒形態(tài)、粗糙度、粉末流動(dòng)性流變性能粘度和表面張力機(jī)械性能彈性模量、屈服點(diǎn)、拉伸強(qiáng)度、熱導(dǎo)率、比熱、熔化溫度、熱膨脹、光學(xué)特性、反射/吸收比、光學(xué)穿透等等都會(huì)影響SLM工藝。

2.3 工藝參數(shù)

SLM處理參數(shù)，這些參數(shù)具有重大影響，必須加以考慮。工藝參數(shù)包括能量密度、激光功率、掃描速度、陰影間距、掃描層厚度等。此外，對(duì)激光器使用不同的掃描模式可以產(chǎn)生不同的微觀結(jié)構(gòu)和性能（例如密度、硬度、分辨率）。SLM所形成的微結(jié)構(gòu)可分為兩類(lèi)。其中一種類(lèi)型包含由外延生長(zhǎng)形成的排列成柱狀的大晶粒;當(dāng)晶粒按照最大熱梯度的方向生長(zhǎng)時(shí)發(fā)生這種情況。在SLM中，在連續(xù)的層沉積過(guò)程中，先前的層被重熔，這使得每一個(gè)新的層采用與下面相同的晶體學(xué)取向;這就是“外延生長(zhǎng)”另一種類(lèi)型包括合金金屬，其凝固前沿不穩(wěn)定，由前沿不協(xié)調(diào)引起。它們具有向熔池中心生長(zhǎng)的更細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變激光能量密度或掃描速度可以改變?nèi)垠w的凝固類(lèi)型。

2.4 掃描方法

SLM加工零件呈現(xiàn)定向凝固誘導(dǎo)的織構(gòu)。掃描方法決定了凝固方向，對(duì)織構(gòu)的影響很大。對(duì)于單向掃描的高合金立方金屬，垂直于掃描矢量形成更強(qiáng)的織構(gòu)。然而，當(dāng)應(yīng)用雙向掃描時(shí)，其中層以鋸齒形模式掃描，在掃描葉片之間旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，柱狀顆粒結(jié)構(gòu)被破壞，隨后產(chǎn)生較弱的紋理。然而，對(duì)于低合金鋼來(lái)說(shuō)，這種關(guān)系是不同的。

2.5 熱等靜壓處理

SLM加工零件的質(zhì)量有時(shí)低于傳統(tǒng)加工零件的質(zhì)量。后處理熱處理可以用來(lái)提高SLM零件的機(jī)械性能和消除多余的殘余應(yīng)力。熱處理也改變了微觀結(jié)構(gòu)，使材料具有更好的疲勞壽命和更高的抗蠕變性能。另一個(gè)有前途的后處理是熱等靜壓（HIP）。在這一過(guò)程中，樣品在壓力容器中經(jīng)受高壓和高溫，從而降低了孔隙率并增加了致密化。

3 結(jié)語(yǔ)

SLM工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠創(chuàng)建傳統(tǒng)制造工藝無(wú)法形成的復(fù)雜幾何圖形。從工業(yè)的角度來(lái)看，這些優(yōu)勢(shì)具有很重要的含義。單個(gè)部件通常在不同的工廠用特殊的工具制造，然后運(yùn)到裝配現(xiàn)場(chǎng)。有了SLM，零件就不需要專(zhuān)門(mén)的工具，就可以在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)許多零件，消除了對(duì)供應(yīng)鏈的需求。因此，SLM對(duì)于直接制造滿(mǎn)足航空航天、國(guó)防、汽車(chē)和生物醫(yī)學(xué)工業(yè)領(lǐng)域要求的功能性金屬工具和部件具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介： 劉曉飛（1979—），女，吉林延邊人，碩士，工程師，研究方向：激光加工技術(shù)。