选区激光熔化成形质量研究

兰　芳，梁艳娟，黄斌斌

（广西工业职业技术学院机械工程系，广西 南宁530001）

增材制造（AM），又称3D打印，是以三维模型数据为基础，通过软件与数控系统将材料按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层叠加，制造出实体的技术[1]。选区激光熔化（selective laser melting，SLM）是一种运用分层制造逐层堆积理念的快速成形技术，利用金属粉末直接制备出近全致密且性能优异的金属零件[2]。SLM技术是目前最广泛应用的金属3D打印技术，在航空航天、汽车、模具、医学等领域得到了应用。本文重点讨论SLM成形件表面质量、尺寸精度的研究状况，并展望了其发展趋势。

1　选区激光熔化（SLM）技术原理及特点

选区激光熔化（SLM）技术是利用高能量的激光束，按照预订的扫描路径，扫描预先铺覆好的金属粉末将其完全熔化，在经冷却凝固成形的一种技术[3]。其技术原理如图1所示。

图1　选区激光熔化技术原理图

具体成形过程：①根据层厚进行分层切片处理，并选择合适的扫描路径等工艺参数，生成相应的数据文件导入设备中；②铺粉装置在成形缸的基板铺上一层薄且均匀的金属粉末；③激光束按当前层的数据信息选择性地扫描熔化基板上的金属粉末；④当前层扫描完成后，成形缸下降，粉料缸上升，铺粉装置在成形缸上再铺上一层粉末，接着激光扫描下一层。如此循环往复，直至完成整个零件的成形。

选区激光熔化（SLM）技术的优点：

（1）成形精度较高，可直接制成终端金属零件，后续不需或仅需要简单的热处理或表面处理。

（2）可以直接成形几乎任意形状的零件，特别是内部有复杂异型结构的复杂零件。

（3）SLM成形件力学性能优于同等材料的铸造件。

（4）系统柔性高，成形零件与CAD模型直接关联，可随时修改，随时制造。

（5）材料利用率高，成形时，金属粉末被选择性地融化，未被熔化的粉末能反复利用，粉末利用率高。

SLM技术的缺点：成形效率较低；成形尺寸比较小；成形成本高；不同材料成形工艺参数不同，为获得金属材料最优成形工艺参数，需要前期进行大量实验，以获得最优工艺窗口。

2　SLM技术成形质量研究现状

SLM技术是工艺复杂的成形技术，成形质量受到诸多因素的影响，对成型效果具有重要影响的主要有六类：材料属性、激光与光路系统、扫描特征、成型氛围、成型几何特征和设备因素[4]。研究人员主要从这六个方面开展研究。

2.1　SLM成形件表面质量研究

由于SLM技术是层层叠加堆积成形金属零件的，目前其成形的金属零件表面质量往往不如传统精加工的表面质量。表面球化、飞溅、粉末粘附等都会影响成形表面质量，这些现象主要与成形过程中的粉末的能量摄入是否合适等有关，在成形过程中对扫描速度、激光功率、扫描策略、辅粉厚度等参数加以调控可以抑制甚至消除这些不良现象的产生，从而改善成形件表面质量。

能量密度等参数对SLM成形件表面质量的影响研究。赵曙明[5]研究了体能量密度对第一层表面粗糙度Ra的影响规律。研究结果表明，单层试验表面粗糙度Ra随着体能量密度的增大而呈减小趋势，当能量密度大于60.92 J/mm3时第一层表面粗糙度Ra保持在4 μm以下，其中线间距对单层试验表面粗糙度Ra影响最明显，随线间距的减小Ra值呈减小趋势。闫岸如[6]等用SLM技术成形IN718镍基超合金时，将零件分为心部与轮廓区，见图2，两个区域分别用不同的激光线输入量进行扫描，研究其对表面质量的影响。结果表明：心部激光线输入量变化对表面质量影响无明显规律；轮廓激光线输入量变化对表面质量影响明显，轮廓激光线输入量存在最优值，低于或超过该值，表面质量都会降低。

图2　激光扫描路线

扫描策略对成形件表面粗糙度有明显的影响。闫岸如等研究表明：“心部+后轮廓”扫描得到的表面质量明显优于“先轮廓+后心部”和“先轮廓+心部+后轮廓”扫描的方式。采用“心部+后轮廓”的扫描方式，轮廓激光线输入量为100 J/m时表面质量最优，粗糙度为3.1 μm[6]。吴根丽等研究表明岛形扫描策略下成形悬垂面的表面粗糙度值都比Z形扫描策略的大[7]。Wang D等[8]研究发现在SLM成形时，扫描策略和成形方向对成形表面粗糙度有很大的影响，X轴方向和Y轴方向各不相同。杨永强等[9]研究了SLM成形金属零件过程中的粉末粘附现象，分析粉末粘附现象对成形精度的影响机理，认为合适的扫描策略、薄的铺粉厚度以及严格控制成形室内的含氧量，都可以有效弱化飞溅，减轻飞溅对成形面的表面粗糙度影响，并采用多重勾边+内缩填充扫描策略，结合适合的扫描速度进行成形，获得了Rz=26.9 μm的侧壁表面粗糙度。麦淑珍等[10]以NiCr合金为对象，采用优化的工艺参数和S型正交层错扫描策略成形纵、横两种柱面体模型，研究SLM成形曲面特征的成形表面质量。研究表明：曲面特征表面形貌的变化对表面粗糙度Ra值有较大影响，减少甚至避免悬垂曲面的条虫状、粒球状等形貌，有利于降低曲面特征的表面粗糙度。

Strano G等[11]和余伟泳等[12]的研究结果都表明，随着倾斜角度的增加，SLM成形件表面粗糙度呈先增大后减小规律。Strano G等在研究倾斜悬垂面表面质量基础上，建立了SLM成形倾斜悬垂面的表面粗糙度计算模型。吴根丽等[7]研究指出：倾斜角度是影响悬垂面表面质量的关键因素，倾斜角度越小表面质量越差。认为倾斜角度较小时，悬垂面出现严重粉末黏结是悬垂面的表面粗糙度增大的原因。王迪等[13]认为倾斜面的表面粗糙度（Ra）理论上由倾斜角和切片厚度两个因素决定，倾斜角越大，铺粉厚度越小，倾斜面的表面粗糙度越小；成形倾斜零件时下侧面的表面粗糙度比上侧面差很多；激光表面重熔工艺，能改善表面粗糙度。他们把万向节免组装机构放置成45°，采用以上优化方法和相应优化参数顺利成形出了该免组装机构，其外表面 Ra=8.25 μm，间隙表面 Ra=12.47 μm.

2.2　SLM成形件尺寸精度的研究

尺寸精度是SLM成形质量另一个重要指标，研究人员从扫描速度、扫描策略等进行了研究。

张晓刚等[14]通过正交实验，确定出影响 SLM铜粉成形件尺寸精度因素的主次顺序为：扫描间距＞扫描速率＞激光功率＞扫描路径。指出成形件尺寸绝对误差随激光功率的增大而增大，随扫描速率、扫描间距的增大而减小；不同扫描路径对尺寸绝对误差的影响差别较小；并得出了体能量密度与尺寸绝对误差的线性关系函数，认为小的体能量密度能获得的尺寸绝对误差较小。吴根丽[7]发现倾斜角度越小，悬垂面的边缘线宽度误差和成形角度误差都越大，当倾斜角度大于40°时，岛形扫描策略比Z形扫描策略能更明显改善成形角度误差，悬垂角度越大，岛形扫描策略对成形角度和悬垂边缘精度改善越大。杨雄文等[15]用SLM技术成形316L不锈钢粉末制备薄板、尖角、圆柱体、圆孔、方孔等典型几何，发现激光光斑约束、台阶效应、粉末粘附、激光深穿透等因素是影响零件尺寸精度的主要原因；成形方向不同，成形精度也不同，沿X轴摆放成形出的薄板精度和尖角精度都比沿Y轴摆放成形出的精度高。他们指出为获等理想的精度，零件设计时，要避免厚度小于0.15 mm的薄板，直径小于0.1 mm的圆柱体，直径小于0.4 mm的平行于成形方向的圆孔，直径小于0.5 mm的悬垂圆孔，边长小于0.5 mm的悬垂方孔以及跨度大于3 mm的水平悬垂结构。徐仰立等[16]采用SLM技术成形Ti6Al4V合金薄壁和小孔，研究最小成形壁厚和孔径及其成形误差。发现实际制作的薄壁尺寸都比设计大而小孔都比设计的小，尺寸误差与未融化粉末粘结有关。吴伟辉等[17]分析了粉末粘附、飞溅现象、翘曲变形现象对成形精度的影响机理。提出从扫描路径规划、薄的铺粉层厚、含氧量控制及支撑设计等方面弱化这些现象对成形精度的影响，并用SLM技术成形出尺寸精度达±0.0 5 mm/10 mm的齿轮零件。

3　SLM技术成形质量研究趋势

从上面的归纳分析可知，目前对SLM成形质量的研究主要专注在激光参数、扫描参数及几何位置这几个方面，随着先进技术手段的不断发展，SLM成形件质量的研究将会向广深发展。

（1）SLM成形过程中，金属熔池内部存在着强烈的物理、化学变化，在加工过程中熔池状态直接影响着成形质量。Chu Lun Alex Leung等[18]采用同步加速器X射线成像来调查和量化缺陷和熔池动力学，揭示了激光熔融技术背后的物理学规律。因此寻求更先进的技术、方法，对熔池状态进行监测，深入研究SLM成形冶金本质及机理，揭示孔隙及疏松、残余应力及变形等缺陷的形成机制，为控制SLM成形质量和性能提供科学理论基础。这将依然是研究的热点之一。在此基础上，进一步研究熔池实时监测并获取熔池实时数据，进而根据熔池实时数据调控工艺参数来控制熔池达到实时最佳质量状态，实现智能化控制SLM成形质量，达到成形件控形和控性的制造，将是研究的重要内容。

（2）用试验试错法改变工艺参数等来控制SLM成形质量效率低、成本高。采用计算机模拟仿真技术，模拟SLM成形工艺参数间的相互作用，揭示熔化、凝固行为等微观物理机制，为工艺优化，质量控制提供科学依据，成为重要且有效的研究手段，多尺度多场耦合等的模拟仿真将是今后重要研究方向。

（3）重视金属粉体对改善SLM成形质量的作用，深入定量研究粉体成分、粒度、球形度、松装密度、流动性、含氧量等对成形质量的影响是SLM成形技术研究中值得关注的问题。

（4）在设计中考虑SLM成形技术特点，研究新的设计规范、设计软件来实现零件的功能和成形质量最优等的研究也将会等到业界更广泛的关注。

4　结束语

随着研究的深入和技术的发展，SLM技术成形件的质量会更优，SLM技术的优势会更加的凸显，SLM技术将会得到更广泛的工业应用。