激光拋光選區(qū)激光熔化制備的Ti6Al4V零件

供稿人：孫嘯宇 張航 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

激光選區(qū)熔化(SLM)作為一種極具發(fā)展前景的增材制造技術,，正越來越被國內外研究人員所重視。但是,，基于SLM制備的金屬零件經(jīng)常表現(xiàn)出高表面粗糙度值和多種表面缺陷,。激光拋光是一種提高金屬表面質量的新技術，它通過激光輻照金屬表面產(chǎn)生的熱效應,，使得局部金屬熔化或蒸發(fā)，在毛細力或熱毛細力的作用下驅動熔融金屬流動,，實現(xiàn)凸峰填充凹谷,，從而獲得光滑的表面。近年來關于激光拋光的相關研究已經(jīng)成為熱點問題,，成果不斷涌現(xiàn),。

河北工業(yè)大學Chunyong Liang等人使用波長1064nm的納秒脈沖光纖激光器，對SLM制備的Ti6Al4V零件表面進行激光拋光,。作者保證激光在X和Y方向上的重疊率不變,，改變激光的能量密度設計了三組不同的激光拋光參數(shù)，如表1所示,。原始SLM制備的零件表面粗糙度Ra=10.2μm,。

表1 保證X和Y方向上激光重疊率不變設計的三組不同的激光拋光參數(shù)

三組激光參數(shù)拋光后，LP-2的粗糙度最低,，將原始Ra=10.2μm的表面,，拋光到2.1μm。原因是LP-1和LP-2均發(fā)生表面淺熔（SSM）,，而LP-3能量密度大,，發(fā)生了表面過熔。SSM效應可以有效降低表面粗糙度,，但是LP-1能量太小,，熔化不足，因此LP-2粗糙度最低,。用激光共聚焦顯微鏡對表面粗糙度進行測試,，并對原始樣品和拋光后樣品表面進行了接觸角測試，如圖1所示,。

圖1 (a)激光共聚焦測得的表面粗糙度圖,，(b)接觸角測試圖

測試結果表明LP-2參數(shù)下，表面粗糙度最低,，接觸角也最小,，有最強的親水性,。用CT對樣品表面及內部的孔隙率進行測試，如圖2所示,。激光拋光修復了原有SLM制件表面的裂紋,、孔隙和未熔顆粒等缺陷，并且在內部深達100μm的熔池深度內,，孔隙均有所減少,，觀察到更為致密的微觀組織。

圖2 (a),、(b)分別為SLM成型樣品和LP-2樣品重建的偽彩色圖像,，(c)為SLM樣品和LP-2樣品距離表面不同距離的孔隙體積率

對樣品表面進行細胞黏附和增殖實驗，如圖3所示,。發(fā)現(xiàn)在光滑的LP-2表面細胞的黏附和增值更好,。證明了激光拋光的光潔表面可以提高零件的生物相容性。

圖3 MC3T3-E1骨細胞在不同樣品表面的黏附和增殖,。(a)SLM樣品,，(b) LP-1樣品，(c) LP-2樣品,，(d) LP-3樣品,。圖a-d:播種1天后成骨細胞的f -肌動蛋白骨架(紅色)和細胞核(藍色)

Ti6Al4V是一種常用于骨科和牙科治療的材料，通常和SLM增材制造技術相結合,。本文的研究通過激光拋光降低了零件的表面粗糙度,，修復了孔隙等缺陷。提高了親水性和生物相容性,，有利于Ti6Al4V的推廣和應用,。

參考文獻：
Liang C, Hu Y, Liu N, et al. Laser Polishing of Ti6Al4V Fabricated by Selective Laser Melting[J]. Metals, 2020, 10(2).https://www.mdpi.com/2075-4701/10/2/191