陳帥，劉建光，王衛(wèi)東，張嘉振，?？得?/p>

（1.北京科技大學(xué)，北京 100083；2.中國(guó)商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心，北京 102211；3.民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102211）

增材制造（Additive manufacturing，AM）技術(shù)俗稱3D 打印，是基于離散-堆積原理，采用材料“自下而上”逐層累加的方法，通過CAD 數(shù)據(jù)模型，制造三維立體零件的一種新型制造技術(shù)[1]。激光選區(qū)熔化（Selective laser melting，SLM）以激光作為熱源，按照預(yù)先設(shè)置的路徑，掃描鋪覆好的金屬粉末并將其完全熔化，經(jīng)冷卻凝固后成形。相比于傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)，激光選區(qū)熔化是一種近凈成形技術(shù)，融合了激光技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、制造技術(shù)以及新材料技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，從而快速精密制造復(fù)雜零件，實(shí)現(xiàn)真正的“自由制造”，它具有加工周期短、節(jié)省原材料、不受零件結(jié)構(gòu)和材料限制等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前在航天航空、生物醫(yī)學(xué)、汽車制造及軍事領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)用。激光選區(qū)熔化的諸多特點(diǎn)完全符合現(xiàn)代綠色制造業(yè)低碳、節(jié)能、高效的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，已成為制造業(yè)的研究熱點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外許多專家對(duì)其展開了深入細(xì)致的研究，甚至歐美某些專家認(rèn)為增材制造技術(shù)代表著制造業(yè)未來的發(fā)展方向，有望成為“第三次工業(yè)革命”代表性技術(shù)[2]。

由于激光選區(qū)熔化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)眾多，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，包括成形裝備技術(shù)[3]、增材制造變形控制技術(shù)[4]、質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)[5]等關(guān)鍵技術(shù)，通過不斷探索，激光選區(qū)熔化可以成形包括鋁合金[6]、鈦合金[7—8]、不銹鋼[9]及鎳基高溫合金[10—12]等多種材料，并不斷調(diào)整和優(yōu)化工藝參數(shù)，制備了高致密的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，具有良好的綜合力學(xué)性能。近年來，為滿足航天航空、汽車制造以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用而設(shè)計(jì)的輕質(zhì)薄壁件常常具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其厚度通常為1 mm 甚至更小，金屬薄壁件具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。采用傳統(tǒng)方法，包括鑄造、鍛造、機(jī)械加工等制備薄壁件，鑄造難以滿足大型復(fù)雜薄壁件制造的精度要求，剛性差、強(qiáng)度低；鍛造難以鍛出具有復(fù)雜形狀的薄壁件；機(jī)加工的薄壁件極易產(chǎn)生變形，且加工精度不能滿足實(shí)際要求，因此采用激光選區(qū)熔化加工復(fù)雜薄壁件雖接近于技術(shù)極限，但仍然具有可行性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了很多關(guān)于薄壁件的增材制造研究，獲得了滿足一定要求的加工工藝參數(shù)以及可加工薄壁件的最小厚度值。

文中綜述了激光選區(qū)熔化成形薄壁件的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了激光選區(qū)熔化成形薄壁件的成形工藝參數(shù)、熱處理工藝以及薄壁厚度對(duì)其表面形貌及力學(xué)性能的影響，提出了目前仍然存在的問題及未來的研究方向。

1 微觀組織

激光選區(qū)熔化相比于傳統(tǒng)鑄造技術(shù)，具有更高的冷卻速率，可達(dá)106℃/s。激光作用在金屬粉末上形成微小熔池，激光繼續(xù)按照設(shè)定路徑移動(dòng)，熔池快速冷卻，并且形成新熔池，依次反復(fù)從而累積材料，熔池的快速冷卻抑制了晶粒長(zhǎng)大和合金元素的偏析，從而使凝固后的組織晶粒細(xì)小，元素分布均勻[13]。SLM成形的薄壁件組織主要由等軸晶和柱狀晶組成，晶粒細(xì)小，組織致密。澳大利亞Shi 等[14]利用SLM 成形了2 mm 的薄板，研究了基板預(yù)熱對(duì)成形薄壁件組織的影響，結(jié)果如圖1 所示，柱狀晶集中于熔池中心，激光掃描的搭接區(qū)域有較多的等軸晶存在。預(yù)熱基板降低了溫度梯度，形成了更多的大尺寸等軸晶，為實(shí)現(xiàn)全等軸晶的薄壁件提供了可能。華中科技大學(xué)Shiwen Liu[15]等研究了不同基板材料對(duì)AlSi10Mg 薄壁件熔池特征的影響，基板材料為AlSi10Mg 和7075形成的熔池大于6065 鋁合金，但隨著高度增加，熔池尺寸趨向一致。

圖1 不同預(yù)熱溫度下薄壁件微觀組織[14]Fig.1 Microstructure of thin-walled parts at different platform temperature

2 成形缺陷

激光選區(qū)熔化涉及溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多物理場(chǎng)耦合，金屬粉末在極短的時(shí)間內(nèi)完成熔化和凝固，過程復(fù)雜且不穩(wěn)定性因素較多。激光選區(qū)熔化制備的薄壁件組織為非平衡態(tài)組織，相比于塊體零件，由于薄壁件厚度方向尺寸小，容易出現(xiàn)翹曲變形、尺寸精度低等宏觀缺陷，內(nèi)部也容易產(chǎn)生氣孔、夾雜、熔合不良等微觀缺陷。研究缺陷產(chǎn)生原因及控制方法可促進(jìn)SLM 成形薄壁件的技術(shù)發(fā)展。

2.1 宏觀缺陷

激光選區(qū)熔化成形薄壁件要求一次成形，宏觀缺陷如翹曲變形、尺寸精度低等嚴(yán)重限制了SLM 成形薄壁件的發(fā)展。減少翹曲變形、提高尺寸精度是成形薄壁件首要考慮的問題。薄壁件只有滿足變形以及精度要求，才能進(jìn)行后續(xù)的裝配或其他的應(yīng)用。SLM成形薄壁件產(chǎn)生宏觀缺陷有如下方面的原因：①成形過程中累積的熱應(yīng)力導(dǎo)致薄壁件發(fā)生翹曲變形；② 工藝參數(shù)設(shè)置不合理；③對(duì)于壁厚較薄的零件，鋪粉過程中，刮刀移動(dòng)破壞已燒結(jié)層，繼續(xù)掃描導(dǎo)致薄壁件變形并逐漸累積，這是薄壁件成形的特有問題。

針對(duì)薄壁件的翹曲變形等缺陷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過優(yōu)化工藝參數(shù)、預(yù)熱基板以及合理調(diào)整薄壁件的成形方向等來降低缺陷的產(chǎn)生。比利時(shí)的S.Clijsters 等[16]通過調(diào)整局部工藝參數(shù)，改變薄壁結(jié)構(gòu)局部的熱應(yīng)力分布，從而制備了無變形缺陷的35°和45°傾斜薄壁件。張冬云等[17]利用 SLM 技術(shù)成形了長(zhǎng)寬均為20 mm，不同厚度的純鎳薄壁結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)成形薄壁件的極限厚度為0.2 mm，當(dāng)厚度小于0.2 mm 時(shí)，薄壁結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重的翹曲變形，并且強(qiáng)度差，原因是由于刮刀刮粉時(shí)會(huì)刮壞已燒結(jié)層，粉末鋪展不均勻，繼續(xù)激光掃描會(huì)出現(xiàn)熔瘤或翹曲。王森[18]根據(jù)去應(yīng)力退火原理，提出SLM 成形過程中的原位退火方法，即對(duì)當(dāng)前打印層已凝固表面再次輸入能量，實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力大小調(diào)控，從而減小鈦合金薄壁件殘余應(yīng)力的積累。王俊飛等[19]制備了TC4 薄壁件，發(fā)現(xiàn)變形主要發(fā)生在薄壁件的兩側(cè)，最大殘余應(yīng)力分布在薄壁件中間，并且從基板向頂部有減少的趨勢(shì)。徐仁俊等[20]利用Ansys 軟件，通過熱-結(jié)構(gòu)耦合分析計(jì)算出加工件的應(yīng)力、應(yīng)變特征，同時(shí)對(duì)比不同掃描線長(zhǎng)度對(duì)薄壁件應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，表明薄壁件在SLM 加工工藝中產(chǎn)生的應(yīng)變與掃描長(zhǎng)度成正比關(guān)系，并且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果具有一致性。

2.2 微觀缺陷

氣孔、夾雜以及熔池間未熔合是激光選區(qū)熔化的常見問題，球化現(xiàn)象是產(chǎn)生氣孔、夾雜等缺陷的重要原因，較高的激光能量導(dǎo)致熔池液態(tài)小球飛濺，當(dāng)其回落到熔池表面時(shí)已經(jīng)發(fā)生凝固，使新一層的合金粉末與熔池不連續(xù)，從而產(chǎn)生氣孔、夾雜等缺陷，并且降低致密度[21]；較低的激光能量導(dǎo)致金屬粉末不能完全熔化，凝固時(shí)會(huì)在未熔化顆粒周圍產(chǎn)生氣孔等缺陷，存在的氣孔會(huì)降低薄壁件的致密度，相比于塊體材料，薄壁件的氣孔、熔池間未熔合等缺陷對(duì)力學(xué)性能的影響更為嚴(yán)重。

圖2 SLM 成形塊體與仿生薄壁件金相[22]Fig.2 Metallographic phase of SLM-processed bulk and bionic thin-walled parts

目前主要通過改變工藝參數(shù)、預(yù)熱基板等方法來減少氣孔、夾雜，改善熔池間熔合。顧冬冬等[22]利用SLM 成形厚度為0.2 mm 的龍蝦眼仿生結(jié)構(gòu)，研究了激光功率對(duì)氣孔缺陷的影響（見圖2），在相同工藝條件下制備了5 mm 的正方體塊，仿生薄壁件的氣孔均少于正方體塊，激光功率為400 W 時(shí)，氣孔數(shù)量最少，分析原因可能是由于粉末的熱導(dǎo)率通常低于其成形件，相同的激光功率，導(dǎo)致薄壁件的熔池?zé)崃扛撸勰┤酆闲Ч?，從而減少了氣孔。德國(guó)Eberhard Abele 等[23]利用DoE 方法研究了激光功率、掃描速度以及掃描間距等工藝參數(shù)對(duì)薄壁件孔隙率的影響，其中掃描速度與掃描間距對(duì)氣孔的影響較大；除SLM工藝參數(shù)之外，基板預(yù)熱可以降低氣孔缺陷，提高不同層之間的熔合效果。澳大利亞莫納什大學(xué)Shi 等[14]利用SLM 成形2 mm 的薄板，研究了激光能量密度以及預(yù)熱溫度對(duì)氣孔的影響，如圖3 所示，結(jié)果表明氣孔的數(shù)量、尺寸隨激光功率的增加先減小后增多；預(yù)熱基板至200 ℃相比于室溫成形氣孔的數(shù)量少，但氣孔尺寸增大，分析原因是由于更高的預(yù)熱溫度使得新舊層的連接更加緊密，熔合效果更好；同時(shí)，高的預(yù)熱溫度也會(huì)加速氣體蒸發(fā)或膨脹，從而在激光能量值較低的情況下，氣體團(tuán)聚導(dǎo)致氣孔尺寸增大。西工大Arfan Majeed 等[24]成形了0.5～5 mm 之間不同厚度的薄板，并進(jìn)行了固溶和時(shí)效處理，結(jié)果如圖4 所示，薄板的孔隙率隨著厚度的增加先升高后降低，并且在厚度為1.5 mm 時(shí)薄板的氣孔率最高，時(shí)效可以在一定程度上減少氣孔數(shù)量，但沒有解釋出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因。

圖3 預(yù)熱35 ℃和200 ℃溫度下制備Al-Mg-Sc-Zr 合金孔隙面積百分比、數(shù)量和尺寸與能量密度的關(guān)系[14]Fig.3 Graphs showing area percentage,count and size of pores as a function of energy density for the Al-Mg-Sc-Zr alloy fabricated at platform temperatures of 35 ℃and 200 ℃

圖4 不同厚度下薄壁試樣孔隙率[24]Fig.4 Porosity of thin-walled samples of different thickness

3 成形質(zhì)量

薄壁件的成形質(zhì)量主要包括尺寸精度和表面粗糙度兩個(gè)方面，成形質(zhì)量不僅影響零件的美觀程度，甚至?xí)谝欢ǔ潭壬嫌绊懥慵臋C(jī)械性能。成形零件的實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸誤差過大時(shí)，導(dǎo)致零件的定位或裝配困難，尤其是復(fù)雜薄壁件，很難通過后續(xù)的機(jī)械加工來消除尺寸誤差。此外，表面粗糙度與薄壁零件的接觸剛度、疲勞強(qiáng)度、耐磨性、振動(dòng)和噪聲等有密切關(guān)系，對(duì)薄壁零件的使用壽命和可靠性有重要影響。

3.1 尺寸精度

薄壁是復(fù)雜功能件中較為常見的結(jié)構(gòu)之一，SLM成形薄壁件的尺寸精度是一個(gè)重要指標(biāo)，但由于薄壁件的成形截面尺寸較小，故掃描策略較為單一，更多的以直線掃描為主，而塊體材料除此之外，還可以采用棋盤格式等多種方式，更有利于層間熔合，國(guó)內(nèi)外針對(duì)SLM 成形典型幾何特征的研究還比較少，且暫時(shí)沒有適用于SLM 的設(shè)計(jì)規(guī)則供工程師參考。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在工藝參數(shù)、鋪粉方向以及薄壁厚度等方面對(duì)成形精度的影響。張曉剛等[25]采用正交實(shí)驗(yàn)法研究了工藝參數(shù)對(duì)薄壁件尺寸的影響，影響尺寸精度的主要因素為掃描間距和掃描速率，尺寸誤差隨掃描間距、掃描速率的增加而減小；掃描策略對(duì)尺寸精度幾乎無影響。楊永強(qiáng)等[26—27]針對(duì)SLM 成形薄壁件的尺寸精度問題進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明SLM 成形的薄板極限壁厚為0.15 mm，10 mm 以內(nèi)薄壁件壁厚絕對(duì)誤差極限值在20 μm 左右，隨著壁厚的增加，絕對(duì)誤差增加但最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值40 μm，相對(duì)誤差不斷減小，故薄板越厚，成形精度越高。華中科技大學(xué)王黎[28]研究了SLM 成形不同壁厚零件的尺寸精度，結(jié)果表明薄壁越厚，相對(duì)誤差越小，當(dāng)成形壁厚為0.45 mm 時(shí)，實(shí)際成形尺寸與設(shè)定尺寸的誤差為2%；成形厚度小于0.2 mm 時(shí)，相對(duì)誤差大于20%，分析原因是由于壁厚與激光光斑直徑相近，按照設(shè)定的掃描間距成形時(shí)，凝固后的區(qū)域稍大于設(shè)定的尺寸，因此最終導(dǎo)致實(shí)際成形尺寸與設(shè)定尺寸誤差較大。北京大學(xué)宋昌輝等[29]采用SLM技術(shù)制備了鎢銅合金薄壁件，通過大量實(shí)驗(yàn)得到了單道壁厚與激光功率P、掃描速度v之間的關(guān)系（見圖5），研究發(fā)現(xiàn)單道壁的厚度隨能量輸入的增加而增加，當(dāng)P/v大于0.55 時(shí)，單道壁的厚度增加，速度逐漸變緩。原因是在一定范圍內(nèi)熔池的大小與能量輸入成正比，當(dāng)能量輸入進(jìn)一步增加時(shí)，粉末顆粒由于吸收過多的能量，導(dǎo)致熔池發(fā)生氣化，同時(shí)在沖擊力的作用下，部分粉末飛出熔池，以上原因?qū)е氯鄢夭伙柡?，并減緩了熔池兩側(cè)熔體的流動(dòng)，因此在能量輸入超過一定值后熔池的大小緩慢增加，甚至沒有增加。中北大學(xué)Zhonghua Li 等[30]利用Ansys 軟件模擬了不同長(zhǎng)度薄板的應(yīng)力分布情況，結(jié)果表明隨著長(zhǎng)度的增加，薄板更容易變形，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行證明，結(jié)果具有較好的一致性。Altaf Ahmed 等[31]利用SLM成形了0.5～5 mm 不同厚度的薄板，研究薄板厚度以及固溶、時(shí)效處理對(duì)尺寸精度的影響，結(jié)果如圖6 所示，隨著厚度增加，尺寸精度明顯提高，當(dāng)成形薄板的厚度超過2 mm 時(shí)，尺寸誤差降低，并維持在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，殘余應(yīng)力是導(dǎo)致薄板變形的主要原因，當(dāng)壁厚小于2 mm 時(shí)，激光熱循環(huán)更容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，導(dǎo)致大變形；固溶和時(shí)效處理不會(huì)提高薄壁件的尺寸精度，但對(duì)提高力學(xué)性能有積極作用。

圖5 壁厚與P/v 的關(guān)系[29]Fig.5 Relationship between P/v and wall thickness

圖6 不同厚度薄板尺寸變形[31]Fig.6 Deformation of sheet metal of different thickness

3.2 表面粗糙度

SLM 成形薄壁件的表面質(zhì)量是影響其應(yīng)用的重要原因，表面質(zhì)量可以通過表面粗糙度來直觀體現(xiàn)，影響表面粗糙度的因素有很多，表面球化、飛濺、粉末粘附等現(xiàn)象都會(huì)增加表面粗糙度值[32]。通過調(diào)整掃描策略、激光功率、鋪粉厚度等參數(shù)可以降低甚至消除這些不良現(xiàn)象，降低表面粗糙度。美國(guó)Ben Brown等[33]研究了掃描策略對(duì)表面粗糙度的影響，通過調(diào)整勾邊和內(nèi)部填充的比例，并對(duì)勾邊和內(nèi)部設(shè)置了不同的工藝參數(shù)。對(duì)比調(diào)整勾邊比例及工藝參數(shù)前后的薄壁形貌（見圖7），調(diào)整之前薄壁表面連續(xù)性差，存在大量表面氣孔，而改變勾邊的比例及工藝參數(shù)能減少薄壁表面層的氣孔、增加表面連續(xù)性，減輕粉末黏附，從而降低表面粗糙度。Altaf Ahmed 在SLM 成形AlSi10Mg 薄壁件做了大量工作，認(rèn)為成形表面的粉末黏附是造成薄壁件表面質(zhì)量差的主要原因，并研究了不同壁厚以及固溶和時(shí)效處理對(duì)薄壁件表面粗糙度的影響，研究結(jié)果表明，當(dāng)激光功率為0.32 kW 時(shí)，薄壁件表面質(zhì)量最好，隨著激光功率的增加，薄板的表面粗糙度增加，固溶處理提高表面質(zhì)量，表面粗糙度相比于沉積態(tài)降低17%，時(shí)效處理的作用相反[34]。寧波大學(xué)Yang Liu[35]研究了工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度Ra的影響，建立了Ra與激光功率P、掃描速度v以及鋪粉厚度t的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，得出影響Ra因素的順序?yàn)閽呙杷俣?激光功率>鋪粉層厚。南航顧冬冬等[22]根據(jù)仿生學(xué)原理，利用SLM 技術(shù)制備了仿生龍蝦眼薄壁模型，結(jié)果表明粗糙度與沉積高度有關(guān)，中間位置明顯高于頂端和低端（如圖8 所示），分析原因可能是在底部靠近基板位置以及由于模型類似錐形的特殊結(jié)構(gòu)，頂部和底部熱傳導(dǎo)較快，從而局部溫度較低，而中間位置溫度高，導(dǎo)致更多的粉末黏附。

圖7 調(diào)整勾邊比例前后薄壁形貌[33]Fig.7 Morphology of thin-walled before and after adjusting the border proportion

圖8 龍蝦眼內(nèi)表面不同部位的粗糙度及表面形貌[22]Fig.8 Inner surface roughness and morphology of different positions in lobster-eye parts

4 力學(xué)性能

激光選區(qū)熔化是一種兼顧精確成形和高性能成形需求的一體化制造技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)具有綜合力學(xué)性能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件直接制造[36]。近些年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)激光選區(qū)熔化成形薄壁件的力學(xué)性能進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，在工藝參數(shù)、粉末特性以及熱處理工藝對(duì)力學(xué)性能的影響等方面展開探索，得到了包括鋁合金、鈦合金、不銹鋼以及高溫合金等金屬材料的最優(yōu)成形工藝參數(shù)。

4.1 強(qiáng)度

強(qiáng)度是影響薄壁件應(yīng)用的重要指標(biāo)，針對(duì)塊體材料，力學(xué)性能取決于材料的本質(zhì)屬性，并且可以通過SLM 工藝以及熱處理進(jìn)行改變。薄壁件除此之外，其厚度也影響強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過優(yōu)化工藝參數(shù)、調(diào)整打印方向以及后續(xù)熱處理來提高薄壁件綜合性能。美國(guó)Ben Brown 等[33]采用SLM 和EBM 技術(shù)分別制備了不同厚度的薄壁件，結(jié)果表明抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨著板厚的增加而增加，伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)（如圖9 所示）；針對(duì)SLM技術(shù)，通過調(diào)整勾邊和內(nèi)部填充比例，并設(shè)置不同工藝參數(shù)，可以將板厚的閾值從1 mm 降低到0.7 mm。澳大利亞莫納什大學(xué)Shi 等[14]研究了預(yù)熱溫度和時(shí)效處理對(duì)薄板性能的影響，研究結(jié)果表明，時(shí)效處理能夠提高成形試樣的強(qiáng)度，但會(huì)降低伸長(zhǎng)率?；孱A(yù)熱200 ℃成形的薄板力學(xué)性能和沉積高度有關(guān)，從底部到頂部成形試樣的強(qiáng)度逐漸降低，但仍然高于室溫下成形的薄板（見圖10），分析原因是由于200 ℃預(yù)熱條件下，不同成形高度處的試樣經(jīng)歷的熱歷史不同，相比于頂部試樣，底部試樣由于經(jīng)歷來自上層的熱傳導(dǎo)作用時(shí)間更長(zhǎng)，導(dǎo)致其受到的時(shí)效作用時(shí)間更長(zhǎng)，因此強(qiáng)度更高，伸長(zhǎng)率較低。羅子藝[37]采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)制備了薄壁試樣，與鑄造件相比，屈服強(qiáng)度顯著提高，抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)較少，伸長(zhǎng)率較低，分析原因是SLM 成形導(dǎo)致薄壁主要由柱狀晶和等軸晶組成，超高的凝固速率導(dǎo)致成形試樣的晶粒細(xì)小，顯著提高了屈服強(qiáng)度，但由于內(nèi)應(yīng)力很大，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低。梁曉康等[38]系統(tǒng)研究了TC4 薄壁結(jié)構(gòu)的斷裂行為，研究結(jié)果如圖11 所示，薄壁件的力學(xué)性能存在各向異性，橫向姿態(tài)拉伸力學(xué)性能優(yōu)于縱向姿態(tài)，分析原因是沉積方向溫度梯度大，導(dǎo)致定向凝固生成柱狀晶，并且粗化、不均勻程度遠(yuǎn)大于同層激光相鄰熔道所引起的組織粗化與不均勻，從而造成各向異性。

圖9 SLM 和EBM 成形不同厚度薄板的力學(xué)性能[33]Fig.9 Mechanical characteristics of SLM and EBM forming thin plates of different thickness

圖10 Al-Mg-Sc-Zr 合金在室溫和在200 ℃下預(yù)熱條件下制備薄壁件的拉伸性能[14]Fig.10 Tensile properties of the Al-Mg-Sc-Zr alloy in fabricating thin-walled parts at room temperature and platform temperature of 200 ℃

圖11 不同方向的TC4 薄板拉伸力學(xué)性能[38]Fig.11 Mechanical characteristics of TC4 thin-walled in different directions

4.2 硬度

激光選區(qū)熔化成形薄壁件的硬度也是影響其廣泛應(yīng)用的重要原因，為了改善薄壁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，需要更高的硬度指標(biāo)，研究人員主要通過調(diào)整工藝參數(shù)、改變粉層厚度并且分析顯微組織特征進(jìn)行分析驗(yàn)證，除此之外，成形薄壁件的厚度也對(duì)其存在影響。寧波大學(xué)Yang Liu 等[35]采用DoE 的方法，研究了工藝參數(shù)對(duì)硬度的影響，建立了硬度與激光功率P、掃描速度v以及鋪粉厚度t的數(shù)學(xué)模型，掃描速度是影響硬度的主要因素，其次是激光功率和粉層厚度，低激光功率配合較高的掃描速度可以獲得更高的硬度，原因是該成形條件下的薄壁具有細(xì)小的柱狀晶組織，有利于硬度的提高。西北工業(yè)大學(xué)Arfan Majeed 等[39]研究了板厚對(duì)其硬度的影響，結(jié)果表明隨著厚度的增加，成形薄板的硬度先減小后增加，在0.8～2 mm 厚度范圍內(nèi)的薄板硬度值較低（見圖12），不同厚度的薄壁件橫縱截面的硬度無明顯區(qū)別，但并沒有解釋原因。

圖12 不同厚度薄壁件的硬度[39]Fig.12 Hardness of thin-walled parts of different thickness

5 存在問題及發(fā)展方向

激光選區(qū)熔化集成了信息技術(shù)、光電技術(shù)、新材料技術(shù)及先進(jìn)制造技術(shù)等多項(xiàng)科技成果，是一項(xiàng)重大的突破，近年來得到了迅猛的發(fā)展。雖然部分成形件已經(jīng)用于航天航空、生物醫(yī)學(xué)以及汽車交通等領(lǐng)域，但是卻未見關(guān)于薄壁結(jié)構(gòu)件的報(bào)道，相比于傳統(tǒng)的金屬減材或等材制造，激光選區(qū)熔化成形薄壁件仍存在很多問題：①在尺寸精度方面，薄壁結(jié)構(gòu)成形過程中應(yīng)力、應(yīng)變導(dǎo)致變形嚴(yán)重，尤其成形厚度在1.5 mm以下的薄壁件，變形量大，難以滿足后續(xù)加工、裝配要求；② 在表面質(zhì)量方面，相比于傳統(tǒng)機(jī)加工藝，薄壁件表面質(zhì)量較差，很難滿足當(dāng)前機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從而難以應(yīng)用于高精密設(shè)備；③在力學(xué)性能方面，采用激光選區(qū)熔化成形零件部分可達(dá)鍛件水平，強(qiáng)度硬度較高，但其各向異性問題限制了薄壁件的發(fā)展應(yīng)用。

針對(duì)于以上SLM 成形薄壁件存在的3 個(gè)問題，利用激光選區(qū)熔化成形薄壁件的研究方向主要集中在控形和控性兩個(gè)方面，即保證成形件精度要求以及控制成形件的性能。

1）建立工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。通過對(duì)工藝參數(shù)與成形薄壁件精度和性能間的關(guān)系展開深入細(xì)致研究，從而建立完善的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄壁件成形精度、微觀組織和性能等進(jìn)行準(zhǔn)確控制。

2）成形過程中的數(shù)值模擬研究。激光選區(qū)熔化成形是多場(chǎng)耦合的復(fù)雜過程，通過大量試驗(yàn)研究各因素間的相互作用關(guān)系，耗費(fèi)大量的時(shí)間、經(jīng)濟(jì)成本，通過采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，節(jié)省成本，并且可以更加直觀、系統(tǒng)地研究相關(guān)因素的變化過程，為工藝參數(shù)優(yōu)化提供有效支持。

3）成形理論分析。通過試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合，研究成形過程中熱源與粉末相互作用時(shí)發(fā)生的復(fù)雜物理、化學(xué)變化，以及溫度場(chǎng)對(duì)成形薄壁件微觀組織及性能的影響。

6 結(jié)語(yǔ)

激光選區(qū)熔化是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，可成形傳統(tǒng)技術(shù)無法加工的復(fù)雜薄壁構(gòu)型，減少加工周期，降低成本，具有廣闊的發(fā)展前景。輕質(zhì)復(fù)雜薄壁件在航天航空領(lǐng)域應(yīng)用廣闊，采用激光選區(qū)熔化成形薄壁件極具優(yōu)勢(shì)。目前對(duì)于激光選區(qū)熔化成形薄壁件缺乏系統(tǒng)性研究，指出了工藝參數(shù)、熱處理工藝以及薄壁厚度影響其尺寸精度、表面質(zhì)量以及力學(xué)性能，但缺乏機(jī)理研究，阻礙了薄壁件的應(yīng)用。