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(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shù)，正越來(lái)越被國(guó)內(nèi)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(zhì)量的新技術(shù)，它通過(guò)激光輻照金屬表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使得局部金屬熔化或蒸發(fā)，在毛細(xì)力或熱毛細(xì)力的作用下驅(qū)動(dòng)熔融金屬流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)凸峰填充凹谷，從而獲得光滑的表面。近年來(lái)關(guān)于激光拋光的相關(guān)研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)問(wèn)題，成果不斷涌現(xiàn)。

河北工業(yè)大學(xué)Chunyong Liang等人使用波長(zhǎng)1064nm的納秒脈沖光纖激光器，對(duì)SLM制備的Ti6Al4V零件表面進(jìn)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(shè)計(jì)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?cè)O(shè)計(jì)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(guò)熔。SSM效應(yīng)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(duì)表面粗糙度進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)原始樣品和拋光后樣品表面進(jìn)行了接觸角測(cè)試，如圖1所示。

圖1 (a)激光共聚焦測(cè)得的表面粗糙度圖，(b)接觸角測(cè)試圖

測(cè)試結(jié)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(qiáng)的親水性。用CT對(duì)樣品表面及內(nèi)部的孔隙率進(jìn)行測(cè)試，如圖2所示。激光拋光修復(fù)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(nèi)部深達(dá)100μm的熔池深度內(nèi)，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(duì)樣品表面進(jìn)行細(xì)胞黏附和增殖實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。發(fā)現(xiàn)在光滑的LP-2表面細(xì)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(xì)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(xì)胞的f -肌動(dòng)蛋白骨架(紅色)和細(xì)胞核(藍(lán)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(shù)相結(jié)合。本文的研究通過(guò)激光拋光降低了零件的表面粗糙度，修復(fù)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(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：
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