綜述：激光拋光3D打印金屬部件（二）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：本綜述主要介紹激光拋光技術在3D打印鋼鐵材料上的應用現(xiàn)狀。接上篇：綜述：激光拋光3D打印金屬部件（一）http://www.lhkhtyz.com/thread-147626-1-1.html

2.2激光拋光技術在3D打印鋼鐵上的應用
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果，結果發(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%，這一結果是在簡單的線和激光表面拋光后得到的結果。在另外一個研究中，他們分析了激光燒結后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的時候實現(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構。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對激光增材制造的316L不銹鋼的薄壁且復雜形狀的構件的影響。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行了研究。通過這一可行性研究，注意到掃描多次時可以進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)域進行了分析，結果見下圖3所示。EDX面掃描結果揭示了在拋光區(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OPy減少到85%的時候，表面的精飾提高的程度達到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中觀察到跨過的標記。進一步的OPx和OPy的減少會導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) ，當激光能量Ed = 20 J/cm2的時候表面為黑色或者深褐色，而當激光能量為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工件的高度重復性。圖7 為一個拋光應用的實際案例。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行激光拋光之后的表面得到應用的一個案例：

▲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打印的工具鋼在進行激光拋光前后的表面光學輪廓圖：a沒有進行激光拋光的結果；b. 激光拋光之后的結果

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