綜述：激光拋光3D打印金屬部件（二）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本綜述主要介紹激光拋光技術(shù)在3D打印鋼鐵材料上的應(yīng)用現(xiàn)狀,。接上篇：綜述：激光拋光3D打印金屬部件（一）http://93item.com/thread-147626-1-1.html

2.2激光拋光技術(shù)在3D打印鋼鐵上的應(yīng)用
Lamikiz等人檢查了熱作回火工具鋼（DIN 1.2344）在激光相互作用時的結(jié)果,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不管3D打印時其原始形貌如何，得到的最終表面粗糙度幾乎是一樣的,。其平均表面粗糙度降低了76.45%到23.8%,，這一結(jié)果是在簡單的線和激光表面拋光后得到的結(jié)果,。在另外一個研究中,，他們分析了激光燒結(jié)后DIN C45鋼和DIN X40CrMoV51工具鋼的不同表面形貌,。前者在激光拋光后實施研磨和電火花加工，而后者則采用球磨作為最終的加工結(jié)果,。通過保持焦距和掃描速度不變,，表面粗糙度值最低的時候是在1500 W和1700 W的時候?qū)崿F(xiàn)。在加工DIN X40CrMoV51工具鋼的時候,，其表面粗糙度的最低值為0.356μm，激光功率為800 W,，激光焦距為33mm,。對X2CrNiMo17-2-2鋼（代號為1.4404）的表面形貌進(jìn)行研究,，發(fā)現(xiàn)其較低的表面粗糙度值為12.5μm到0.35μm，掃描速度為4cm2/min,，采用的是納米光纖激光。對激光拋光300級別的馬氏體時效鋼進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),，幾乎在所有的參數(shù)組合下均存在額外的飛濺、脈沖頻率為5 KHz,，當(dāng)這一頻率繼續(xù)增加時,，熔池的不穩(wěn)定性在功率超過12 W的時候觀察到的,。在激光功率為25W到50W的時候，其表面粗糙度隨著掃描速度的變化和掃描間距的變化的研究結(jié)果見下圖1,。從該圖中可以觀察到,，激光功率為25W的時候其表面粗糙度并沒有顯著的變化，在激光功率為50W,，掃描速度超過200 mm/s的時候其粗糙度低于1μm。

▲圖1 掃描速度和掃描間距在不同激光功率的作用下進(jìn)行激光拋光之后的粗糙度：(a) 25 W; (b) 50 W

Yasa等人對激光拋光SLM制造的316L不銹鋼時對提高其致密度,、表面質(zhì)量和顯微組織方面的變化開展了大量的研究,。為了完全消除SLM制造得到的氣孔，他們采用在SLM工藝過程中對每一層進(jìn)行重熔,，見下圖2所示,。這就意味著每一層沉積層經(jīng)歷了一次重熔，同一熔化層在鋪展下一層粉末的時候經(jīng)歷了一次重新掃描,。這一操作增加了產(chǎn)品的制造時間，但這是唯一一種可以將氣孔率控制在1%以內(nèi)且可以不易造成裂紋生成和擴展的辦法,。通過金相觀察，SLM制造的部件的氣孔率在激光重熔和沒有激光重熔的時候分別為0.036%（這幾乎相當(dāng)于為100%的致密度）和0.77%,。SLM制造的部件在沒有重熔前其表面粗糙度大約為12μm，而在經(jīng)歷激光重熔之后其表面粗糙度減少到1.5μm,，這有將近90%的提高,。為了提高SLM制造的微加工的能力,，該工藝結(jié)合選擇性激光燒蝕（Selective Laser Erosion,，SLE）來選擇性的燒蝕掉SLM部件中的材料,。采用SLE時材料的粗糙度的減少不如激光重熔，但也可以減少50%,，且其速度要快于激光重熔,。由于SLE和SLM整合在一起，就有可能采用SLM工藝制造出數(shù)值在50~100μm之間的微觀特征的結(jié)構(gòu),。同時發(fā)現(xiàn)由于這一策略的重熔是熔化的已經(jīng)凝固的材料，這樣就可以在每一層均得到細(xì)化的晶粒和幾乎接近100%的致密度,，因為得到的部件在即使只有1%的孔隙率的時候也會顯著的影響到機械性能。對LMD部件進(jìn)行研究,，其在制造方向上的平均粗糙度和在垂直于沉積方向上是不同的,。在高的激光功率和熱輸入條件下，注意到其表面粗糙度在沉積方向和垂直方向上在重熔之后均比較大,，這一狀況在激光功率為200 W和掃描速度為500 mm/min的時候沒有被觀察到。

▲圖2. (a) 激光重熔的示意圖和 (b) 激光輻照對表面粗糙度的影響

Rosa等人研究了激光拋光技術(shù)對激光增材制造的316L不銹鋼的薄壁且復(fù)雜形狀的構(gòu)件的影響,。激光功率,、送粉速度、搭接率和激光拋光策略對部件的影響均進(jìn)行了研究,。通過這一可行性研究,，注意到掃描多次時可以進(jìn)一步的減少表面的粗糙度。在優(yōu)化的工藝參數(shù)條件下,，在重復(fù)5次掃描的時候,，激光拋光可以將初始粗糙度為（Sa）21μm減少到最終為1μm，減少達(dá)到了96%,。激光能量和脈沖重疊對SLM制造的316L 不銹鋼的表面影響使用Yb增強的納秒光纖激光進(jìn)行了研究,。在優(yōu)化的參數(shù)如激光能量為9J/cm2，掃描方向的搭接率為95%和掃描間距方向的搭接率為88~91%的時候,，其表面粗糙度從3.8μm降低到0.2μm，在大氣條件下進(jìn)行激光拋光時,，其氧化膜的厚度大約為0.5μm,。在Ar氣氛和同N2氣氛條件下相比較，激光拋光時,，在Ar氣氛下得到的氧化膜厚度最薄,。為了證實氧化膜的存在,，采用EDX面掃描以及線掃描對激光拋光和未拋光的接頭區(qū)域進(jìn)行了分析,，結(jié)果見下圖3所示。EDX面掃描結(jié)果揭示了在拋光區(qū)域存在26.3wt%的氧,，這一數(shù)值在未拋光區(qū)域為0.8wt%,。在高能輸入時,，其顯微硬度在拋光區(qū)域會有60%的增加。

▲圖3. (a) 激光拋光區(qū)域和激光未拋光區(qū)域的連接區(qū)的微觀接頭,；(b)EDX 成分面掃描結(jié)果

▲圖4. 表面的形貌圖：(a) 原始的材料表面; (b)激光拋光之后的表面,，激光參數(shù)為 : 5 J/cm2, OPx: 95%, OPy: 95%; (c) Ed: 5 J/cm2, OPx: 95%, OPy: 85%, (d) Ed: 5 J/cm2, OPx: 82%, OPy: 85%

圖5所示為沉積的3D打印樣品在不同的工藝參數(shù)組合下進(jìn)行激光拋光后得到的3D表面形貌。在圖5b中可以觀察到激光拋光之后存在小腫塊,，這表明微小消融和表面的重熔在X和Y方形同時存在95%的搭接率的時候發(fā)生,。這可以用來解釋在這些參數(shù)條件下熱能的高度聚集。當(dāng)OPy減少到85%的時候,，表面的精飾提高的程度達(dá)到96%,，同原來的材料相比較，Sa從原來的3.78 μm下降到0.14 μm,。然而,，在圖5c中觀察到跨過的標(biāo)記。進(jìn)一步的OPx和OPy的減少會導(dǎo)致坑和孔在表面形成,，見圖5d所示,，此時的較高的表面粗糙度Sa為1.73 μm，顯示出較低的熱吸收和隨后材料的不充分的熔化,。

▲圖5. 激光增材制造的立方體 S1, S2a and S2b在空氣中進(jìn)行激光拋光之后得到的表面形貌圖,，激光能量分別為：(a) 20 J/cm2, (b)-(c) 9 J/cm2 和 (d) S3，此時的保護氣氛為Ar氣 ,，激光能量為 9 J/cm2

激光增材制造的部件在激光拋光時,，在空氣條件下 (S1) ，當(dāng)激光能量Ed = 20 J/cm2的時候表面為黑色或者深褐色,，而當(dāng)激光能量為9 J/cm2 的時候,，激光拋光的表面 (S2a and S2b) 則為光亮的褐色，而在Ar氣氛下 (S3)則呈現(xiàn)出銀色或者明亮的金屬色澤,。綜合的輻照和SOM區(qū)域的時候,，在S1條件下其表面粗糙度增加，變化范圍為 5.9 到 6.4 μm,，同沉積態(tài)的表面相比較為3.2 μm Sa,，而SSM區(qū)域，對 S2a和 S2b來說,，其粗糙度則減少了82-92%,，Sa數(shù)值從0.23到0.52 μm變化。S3樣品也呈現(xiàn)出相似的粗糙度降低,，Sa降低到90–92%,，其數(shù)值為0.25 到 0.29 μm。下圖7為激光拋光后的Alicona圖像,，由此,，可見激光拋光處理之后可以觀察到直接制造SS316L工件的高度重復(fù)性,。圖7 為一個拋光應(yīng)用的實際案例。圖8 為激光拋光3D打印的工具鋼前后的表面光學(xué)形貌的對比圖,。

▲圖6 (a) 激光拋光的時候在DM SS316L部件中的區(qū)域; (b) 沉積態(tài)的SS316L部件,；(c)激光拋光后的金屬表面 (處理面積為: 287 × 218 μm)

圖7. 3D打印的自由成型表面進(jìn)行激光拋光之后的表面得到應(yīng)用的一個案例：

▲圖解：a. 3D 模型和層的分解, b. 機械臂控制系統(tǒng)和 c. 3D 打印的原型在激光拋光前后的實物圖的對比

▲圖8. 對3D打印的工具鋼在進(jìn)行激光拋光前后的表面光學(xué)輪廓圖：a沒有進(jìn)行激光拋光的結(jié)果；b. 激光拋光之后的結(jié)果

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