綜述：激光拋光3D打印金屬部件（一）

來(lái)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LaserFormTM ST-100、鋼、鋁、Co-Cr合金、鎳基合金和鈦合金等表面的研究結(jié)果。重點(diǎn)在于表面完整性、機(jī)械性能和每一種材料的優(yōu)化的工藝參數(shù)。

摘要
3D打印是一種新興的技術(shù)，同傳統(tǒng)的制造工藝相比較的話，用來(lái)制造復(fù)雜的金屬部件且只需要少量的時(shí)間即可完成。3D打印可直接依據(jù)CAD模型通過層層堆積的辦法來(lái)制造金屬功能部件。制造的金屬部件通常具有非常粗糙的表面，從而要采用后續(xù)加工來(lái)消除，以滿足金屬打印部件的最終需求。由于采用傳統(tǒng)的后續(xù)加工工藝存在耗時(shí)、需要高技能工人和自動(dòng)化程度受到限制，造成傳統(tǒng)的后續(xù)加工工藝對(duì)自由成型部件的應(yīng)用受到極大的限制。激光拋光是一種產(chǎn)能高、無(wú)接觸和可以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的一種工藝，且可以使用3D打印的金屬部件表面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的一種工藝，且可以使3D打印的金屬部件表面獲得令人滿意的效果。在激光拋光時(shí)，當(dāng)物體表面被激光所輻照時(shí)，表面凸起的鋒頂會(huì)被熔化成薄層，然后在表面張力和重力的作用下重新分布在谷底中。激光拋光在拋光材料的能力上由于材料性能的變化而變化，如從高反材料鋁合金到高強(qiáng)度材料Inconel和鈦合金。在本文中，綜述了激光相互作用對(duì)采用3D打印技術(shù)制備的不同金屬部件的表面完整性和機(jī)械性能的變化進(jìn)行了報(bào)道。同時(shí)，優(yōu)化的工藝參數(shù)，如激光功率、光束直徑、掃描速度以及掃描間距的 影響也進(jìn)行了討論。

引言
第一個(gè)增材制造或3D打印的技術(shù)是用來(lái)制造可視化的概念或原型，出現(xiàn)在1990年年代的中期。由于持續(xù)不斷的研究和改進(jìn)完善，3D打印技術(shù)已經(jīng)從快速原型向快速制造轉(zhuǎn)變，這促進(jìn)了一步法制造終端部件的應(yīng)用的含義實(shí)現(xiàn)。3D打印技術(shù)可以直接依據(jù)CAD模型制造金屬部件。在這些技術(shù)當(dāng)中，部件通過層層熔化和或材料的沉積來(lái)實(shí)現(xiàn)。在所有的金屬打印技術(shù)中，SLM技術(shù)由于具有自由成型且具有獨(dú)特的機(jī)械性能，如韌性和強(qiáng)度等，而非常吸引人們的注意。除了SLM、LMD或LENS也非常引人注意，這是因?yàn)樵摷夹g(shù)的柔性比SLM要好，不像SLM，在LMD中，材料的層層沉積來(lái)制造出部件，不管材料是如何使用的，金屬3D打印部件經(jīng)常具有粗糙的表面，這是因?yàn)閷訉佣逊e、制造工藝和粉末直徑等原因造成的。同時(shí)，3D打印部件是材料熔化和材料同步冷卻、相變是有可能由于材料中存在的元素和制造時(shí)的氣氛而發(fā)生。這一類型的化學(xué)相變無(wú)疑會(huì)影響部件表面完整性（即表面形貌及其表面冶金）。傳統(tǒng)的拋光技術(shù)，如手動(dòng)拋光、噴砂、超聲拋光、電化學(xué)拋光、化學(xué)拋光等技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用多年。這些傳統(tǒng)的工藝拋光技術(shù)存在的問題是拋光有些材料時(shí)存在困難、費(fèi)時(shí)、對(duì)復(fù)雜形狀的適應(yīng)性差、自動(dòng)化程度差等缺點(diǎn)。

激光技術(shù)，在許多工程領(lǐng)域中如拋光中，毫不例外的得到了應(yīng)用。激光拋光技術(shù)同傳統(tǒng)的拋光技術(shù)相比較，幾乎舍棄了所有的缺點(diǎn)。柔性好、無(wú)接觸、環(huán)境友好和幾乎可以完全自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)吸引了人們應(yīng)用這一技術(shù)來(lái)處理金屬打印部件的表面。3D打印的部件，如SLS、SLM、LMD、LENS等，可以制造出致密度幾乎為98-99%的部件來(lái)。但直到今天，仍然有很多場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)存在即使是98%的致密度也不能滿足應(yīng)用，這是因?yàn)榇藭r(shí)部件的疲勞強(qiáng)度低和易于發(fā)生斷裂。為了實(shí)現(xiàn)100%的致密度，研究人員采用了策略來(lái)再熔化每一沉積層。這一辦法增加了制造的部件的致密度，但同時(shí)也增加了制造的時(shí)間，但這是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)100%致密度部件的制造途徑。然而，這一再熔技術(shù)可以直接應(yīng)用于部件表面來(lái)提高表面質(zhì)量和降低表現(xiàn)粗糙度，并將這一技術(shù)稱之為激光表面重熔。激光表面重熔同時(shí)還被稱之為表面掃描、激光表面拋光和激光拋光等。

激光拋光的原理是表面薄層的重熔和快速凝固。在過去的幾十年里，激光表面拋光由于其本身能力的持續(xù)改進(jìn)而得到持續(xù)的提高，從而可以實(shí)現(xiàn)金屬、陶瓷、聚合物等材料表面粗糙度的降低。不像傳統(tǒng)的表面拋光技術(shù)，激光拋光時(shí)使用熱能，通過熔化表面層材料而形成光滑的表面。在激光拋光時(shí)，精確的控制激光束直接輻照材料表面實(shí)現(xiàn)拋光。激光束的能量/強(qiáng)度進(jìn)行控制以便剛好熔化表面的峰頂且熔化的材料剛好可以由于多個(gè)方向的表面張力和重力而造成均勻的分布在谷底。當(dāng)熔化的材料分布在谷底時(shí)，由此在激光拋光時(shí)就不存在材料的浪費(fèi)。激光功率、光斑尺寸和掃描速度是獲得光滑表面的主要控制參數(shù)。激光表面拋光的示意圖見下圖1所示。

▲圖1. 激光表面拋光示意圖

取決于重熔層的深度，激光拋光存在兩個(gè)區(qū)域：表面窄熔化區(qū)(Surface shallow melting，SSM)和表面過熔化區(qū)域（Surface over melting，SOM）。在SSM區(qū)域，如上所示，峰頂熔化和填充谷底以減少表面的粗糙度。如果激光束的強(qiáng)度進(jìn)一步的加強(qiáng)，熔化層的深度繼續(xù)增加。如果這一層的深度超過了谷底的深度，造成了SOM。在SOM中，低頻率和表面波的高幅度是有可能的這是因?yàn)榫薮蟮娜鄢貏?dòng)力學(xué)和造成的表面較高粗糙度，同SSM相比較。在小幅的增加時(shí)存在一個(gè)優(yōu)化的激光能量值，它對(duì)形成不利的區(qū)域如SOM負(fù)責(zé)。研究表明激光拋光通常造成SSM和SOM的組合，但最終表面粗糙度取決于每一區(qū)域何種機(jī)制占據(jù)主導(dǎo)。激光拋光工藝是一個(gè)基于微觀層的熔化和熔化材料隨后的快速凝固造成的。受到影響的層深度取決于熔化的峰值的粗糙度，但它的深度必須超過谷底。因此，激光束的能量必須小心的控制來(lái)熔化這一微觀的層，見下圖2所示，為激光拋光的工藝示意圖。

▲圖2. 激光拋光工藝的示意圖

當(dāng)前的激光拋光研究現(xiàn)狀
大量的關(guān)于金屬部件3D打印的激光拋光技術(shù)研究和應(yīng)用開始涌現(xiàn)，依據(jù)材料類型可以進(jìn)行分類。研究人員使用LaserFormTM ST-100、鋼、鋁、Co-Cr合金、鎳基合金和鈦合金等用來(lái)研究拋光。表面完整性、機(jī)械性能和每一種材料的優(yōu)化的工藝參數(shù)在接下來(lái)的篇幅進(jìn)行介紹。

2.1 激光拋光LaserForm TM ST-100

▲圖3. 上圖采用SLS技術(shù)制備的用于擬進(jìn)行激光拋光測(cè)試的LaserForm ST-100©部件；下圖為激光拋光實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

采用SLS（selective laser sintering）工藝制造的3D打印樣品進(jìn)行了激光拋光處理。其中SLS技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)是其成形部件表面的粗糙度較差，部件必須進(jìn)行拋光處理之后才能滿足應(yīng)用。拋光工藝在以前通常采用的是手工打磨的方式。然后，在這里，研究人員采用基于激光輻照的辦法對(duì)SLS制品進(jìn)行了表面拋光。激光束熔化微觀的表面層，同時(shí)在保護(hù)氣體的條件下，熔化層進(jìn)行凝固，造成光滑的表面。

▲圖4. 激光拋光 LaserForm ST-100©時(shí)的研究結(jié)果：左圖為SLS燒結(jié)部件的原始表面形貌圖；右圖為激光拋光之后的形貌圖

激光拋光實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了線掃描、平面掃描處理和傾斜的表面三種情況下的處理，所有情況下均得到了滿意的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)是在SLS制備的部件上進(jìn)行的，部件的表面粗糙度為7.5–7.8 μm Ra。測(cè)試的材料是商業(yè)上常用的占據(jù)主導(dǎo)地位的LaserForm ST-100©，其組成為燒結(jié)的不銹鋼和過濾的Cu，該合金主要應(yīng)用在諸如模具上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明激光拋光后其表面粗糙度低于1.49 μm Ra，這一數(shù)值比原始的粗糙表面降低了80.1%。最后，對(duì)測(cè)試的樣品的完整的分析和其冶金成分也進(jìn)行了分析。考慮到材料是一種非均勻的結(jié)構(gòu)，拋光的材料表面呈現(xiàn)出比原始表面的硬度要高和更加均勻。因此，拋光的表面并不會(huì)出現(xiàn)熱影響區(qū)或裂紋，熱影響區(qū)和裂紋的存在會(huì)造成最終部件在使用的過程中出現(xiàn)失效。

▲圖5. 左圖為原始的表面形貌；右圖為激光表面拋光后的一種結(jié)果

▲圖6. SLS成形的LaserForm ST-100©在激光拋光線型區(qū)域時(shí)的橫截面的兩種結(jié)果

▲圖7. 3D test part built up by SLS in LaserForm ST-100©.用于在三個(gè)不同的方位進(jìn)行激光拋光測(cè)試之后得到的激光，制造工藝為SLS，成形材料為L(zhǎng)aserForm ST-100©

未完待續(xù)，江蘇激光聯(lián)盟激光紅熱忱歡迎您的持續(xù)關(guān)注！