林璠 上海電機(jī)學(xué)院 文理學(xué)院

引言

激光選區(qū)熔化成型（selective laser melting， SLM）是通過高能束激光的熱效應(yīng)，使粉末選擇性焰化，實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜精密零部件的直接制造。由于粉末處于靜止?fàn)顟B(tài)可起到輔助支撐作用，幾乎可以制造任意復(fù)雜形狀金屬零部件，是最近熱門的新型激光成型技術(shù)。

影響SLM成型效果的影響因素很多，本文選取了激光掃描速度、離焦量和支撐設(shè)計(jì)三個(gè)重要工藝參數(shù)。參考國內(nèi)外學(xué)者發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)，分析這些工藝參數(shù)對(duì)SLM成型件的致密度、力學(xué)性能、缺陷以及尺寸精度的影響。

1 激光掃描速度的影響

Zhang L C等人對(duì)生物醫(yī)用合金Ti24Nb4Zr8Sn的SLM成型開展了研究。結(jié)果表明，隨著掃描速度的降低，成型件的致密度和顯微維氏硬度不斷增大。Sun D S等人的研究表明隨著掃描速度的增加，D6AI4V粉末成形件的表面形貌發(fā)生了明顯的變化。清晰均勻的凝固表面變得雜亂無序， 成型件的拉伸性能也隨之降低。這些結(jié)果顯示掃描速度較小時(shí)，金屬粉末基本上會(huì)充分熔化，無明顯缺陷產(chǎn)生，而由于金屬材料良好的導(dǎo)熱性，熔池的溫度梯度也會(huì)相應(yīng)較小，殘余應(yīng)力較小。而若掃描速度過大，粉體材料的加熱時(shí)間就會(huì)減少，導(dǎo)致吸收熱量不足，可能導(dǎo)致部分材料熔化不充分甚至未熔化，制備出的材料的就會(huì)有缺陷。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力較大時(shí)，會(huì)在缺陷處形成應(yīng)力集中，應(yīng)力過大就會(huì)產(chǎn)生裂紋。

張曉剛等人研究發(fā)現(xiàn)SLM純銅成型件尺寸的絕對(duì)誤差隨掃描速率的增大而減小。掃描速率決定了激光束與粉體的接觸時(shí)間。低速掃描時(shí)激光光斑與材料粉末表面的接觸時(shí)間長，使得粉末顆粒吸收較多熱量并被熔化，形成足夠的液相并向周圍蔓延，熔池尺寸大，熔道較寬，尺寸誤差大。掃描速率增加后，激光束與金屬粉層表面的接觸時(shí)間縮短，粉體熔化后，液相尚未向四周蔓延就迅速冷卻凝固，導(dǎo)致熔池尺寸小，熔道較窄，尺寸誤差小。這說明在影響材料結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的同時(shí)，掃描速度還會(huì)影響零件的誤差。

2 離焦量

錢雪立也分析了離焦量對(duì)SLM成型鎳基合金結(jié)構(gòu)的單道成形質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)定的離焦量從-3mm到+3mm，研究其對(duì)探究熔道尺寸的影響。當(dāng)離焦量為負(fù)值時(shí)，基體上有少量已熔化的合金粉末。當(dāng)離焦量由負(fù)轉(zhuǎn)正后，熔道成型效果也相應(yīng)轉(zhuǎn)好，當(dāng)離焦量為0 時(shí)，成型效果最佳。

Rashid等人研究了離焦量對(duì)于A1SH2粉末 SLM成形件表面質(zhì)量的影響，得到了不同的結(jié)果。在-7mm至+4mm的范圍內(nèi)，綜合表面粗糙度、維氏硬度以及表面孔隙率等三個(gè)參數(shù)，當(dāng)離焦量等于-3mm時(shí)，成型件的表面質(zhì)量最好。Gao等人研究了 SLM成形Ti40Al9V0.5Y合金時(shí)離焦量對(duì)單道成形質(zhì)量的影響。隨著離焦量由0增至2.3mm和3.4mm，單道熔道的寬度隨之增加，深度逐漸減少；由于激光體能量密度的降低，熔道中出現(xiàn)裂縫的可能性也隨之增大。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同材料其對(duì)應(yīng)的最佳離焦量值并不相同，要綜合多因素考量。

3 支撐設(shè)計(jì)

支撐設(shè)計(jì)可以保證加工過程的穩(wěn)定性和零件的精確定位，其功能可等同于傳統(tǒng)機(jī)械加工中的裝夾工具，同時(shí)也可提高零件成型精度，防止零件產(chǎn)生翹曲變形。支撐按照形狀一般分為諸多類型，不同類型的支撐對(duì)成型精度有不同的影響。操作過程中應(yīng)按照形狀選用不同的支撐類型。

那么在操作過程中支撐密度是不是越大越好呢？楊雄文等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)用于適圓形懸垂面的塊網(wǎng)格支撐而言：在進(jìn)行支撐添加時(shí)，要注意支撐添加的密度，太大或太小都不恰當(dāng)。支撐添加的太密，支撐強(qiáng)度過高，去除支撐的難度會(huì)加大，容易損傷成型件下表面質(zhì)量，使零件尺寸有偏差。而支撐密度不足，在支撐起不到定位支撐的作用，會(huì)影響到成型件的精度，容易導(dǎo)致零件翹曲甚至在加過過程中被拉斷。所以，合理的支撐密度，才能保證零件的精度。

4 總結(jié)

SLM通過高能束激光的熱效應(yīng)，使粉末選擇性焰化，可以直接制造復(fù)雜的精密零件，可廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。本文選取了激光掃描速度、離焦量和支撐設(shè)計(jì)三個(gè)重要工藝參數(shù)。參考國內(nèi)外學(xué)者發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)，分析這些工藝參數(shù)對(duì)SLM成型件的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得到的結(jié)論是（1）激光掃描的速度在影響材料結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的同時(shí)，還會(huì)影響零件的誤差；（2）從各個(gè)實(shí)驗(yàn)組的結(jié)果看，最佳離焦量值依材料而定，不會(huì)偏離0值太多；（3）合理的支撐設(shè)計(jì)和密度，才能保證零件的精度。