鋪粉厚度對選區激光熔化316L沉積層致密度與表面形貌的影響

張杰，楊高林，徐俠，姚建華，Volodymyr Kovalenko

激光表面改性技術

鋪粉厚度對選區激光熔化316L沉積層致密度與表面形貌的影響

張杰1a,1b,1c，楊高林1a,1b,1c，徐俠2，姚建華1a,1b,1c，Volodymyr Kovalenko3

（1.浙江工業大學 a.激光先進制造研究院 b.機械工程學院 c.高端激光制造裝備省部共建協同創新中心，杭州 310023；2.奔騰激光（溫州）有限公司，浙江 溫州 325000；3.烏克蘭國立科技大學激光技術研究所，烏克蘭 基輔 03056）

為了解決選區激光熔化增材再制造時出現的首層鋪粉粉層厚度不均的問題，研究首層粉層厚度為400 μm時選區激光熔化成形工藝。采用傾斜基板預置楔形粉層，在粉層上進行不同激光功率的激光掃描實驗，研究楔形粉層對沉積的影響規律。然后在水平放置的基板上分別預置50、100、200、300、400 μm厚度粉層，在粉層上進行激光掃描實驗，研究粉層厚度對沉積的影響規律。最后做首層400 μm層厚，后續5層每層50 μm的多層沉積實驗，研究厚粉層對后續SLM成形的影響規律。在傾斜上表面采用選區激光熔化技術進行修復，鋪粉厚度的增加會導致沉積層致密度變差且表面起伏增大。通過提高激光能量密度的方式，采用300 W、800 mm/s的工藝參數在400 μm大層厚下激光掃描，可改善沉積層與基板的結合情況并減小沉積層上表面的起伏輪廓，同時該參數也能在小層厚時得到致密的沉積層。在首層400 μm層厚的基礎上進行SLM成形時，需用首層沉積的工藝沉積5層作為過渡區，后續可按正常的SLM成形工藝進行沉積。用SLM技術進行零件修復時，雖然首層會出現厚度不均的楔形粉層。當粉層最厚區域不超過400 μm時，需提高激光功率密度進行沉積。在高功率密度參數下沉積5層后可以采用正常SLM工藝進行后續成形。

選區激光熔化；修復；沉積層；致密度；表面形貌

激光增材制造技術已廣泛應用于航空零部件制造，同軸送粉激光定向能量沉積技術不僅應用于航空零部件的整體成形，還應用于零部件的表面修復，而選區激光熔化技術主要應用于零部件的整體成形[1-3]?；诩す馊鄹渤尚魏图す饪焖俪尚蝃4-5]的激光增材再制造技術，具有修復層冶金結合強度、界面結合強度遠高于鍍膜和噴涂以及熱輸入量小于電弧堆焊的優勢，可滿足高強度零部件的再制造需求，是先進制造技術的重要前沿發展方向[6-8]。目前，大部分的激光修復基于同軸送粉或者側向送粉激光熔覆技術[9-12]，而選區激光熔化技術（SLM）具有較高的成形精度特點[13-14]，卻較少采用選區激光熔化技術進行零件的修復。有學者提出可以用選區激光熔化技術進行零件或牙齒的修復，打印出成形件進行使用[15-16]。少量學者對SLM進行修復過程中的結合情況進行探究，發現SLM修復與激光熔覆修復相比可減小修復后的加工余量[17]。鄭軍[18]通過采用激光重熔的方式可改善修復結合區的冶金結合質量，從而提高結合強度。祝彬彬等[19]研究得出拼接件的極限拉伸強度和延展性要優于完全SLM制造的零件，且經過熱處理后試件的拉伸性能得到了較大提高。

由于將待修復零件夾具裝夾于成形腔內，不能保證待修復面與鋪粉平面完全水平，SLM修復由于需要考慮基體的狀態，首層鋪粉的不同區域有著不同的粉厚，這將對修復層結合產生影響，修復層與母材的界面結合以及修復層的表面質量是評價修復層質量的關鍵指標。目前，針對SLM不同鋪粉厚度對成形區質量的研究主要集中在激光增材制造領域，王朋等[20]通過調整SLM激光工藝，探究150 μm大層厚成形件的致密度及力學性能，得出在高功率激光下成形大層厚試件亦可獲得高致密度，且在高功率下成形大層厚試件成形效果更佳。閆岸如等[21]探究了選區激光熔化不同鋪粉層厚對成形試樣力學性能的影響，得出隨著鋪粉層厚的增加，拉伸強度、屈服強度、斷裂伸長率下降。

與激光增材制造中不同粉厚的研究略有區別，文中所要研究的是激光增材再制造過程中基板傾斜所帶來的鋪粉厚度不均對熔覆層的影響。目前，國內外針對傾斜面的修復均采用送粉式激光熔覆[22-24]，對SLM傾斜成形尚未有文獻報道。對于SLM傾斜基體成形，鋪粉厚度是對其成形工藝造成差異的最為關鍵的因素，探究鋪粉厚度對熔覆層結合及起伏規律，有助于進行持續的多層鋪粉成形，從而進一步推進選區激光熔化技術在零件修復領域的應用。

1 實驗

1.1 材料

實驗所用基板為316L基板，所用粉末為氣霧化316L球形粉末，粒徑為15～50 μm，316L不銹鋼是奧氏體不銹鋼，在工業領域和醫療領域有廣泛應用，其元素含量分布如表1所示。

表1 316L不銹鋼粉末成分

Tab.1 Powder composition of 316L stainless steel wt.%

1.2 方法

實驗使用SLM Solutons 280打印設備，使用的基板尺寸為90 mm×60 mm。第1組實驗為基板傾斜實驗，用鋪粉器在基板上鋪設粉末，于是出現如圖1a所示的鋪粉厚度由上至下逐漸增加，在粉床上進行掃描速度為800 mm/s，激光功率分別為200 W和300 W的掃描修復，實驗結果如圖1b所示，對不同粉厚處的熔覆層進行金相分析。第2組實驗為不同粉厚的實驗，通過精準測量，進行50、100、200、300、400 μm不同層厚的鋪粉，在基板表面的粉層上進行不同激光功率、不同掃描速度的激光實驗。設計激光修復成形工藝參數如表2所示，激光結果如圖2所示，在不同鋪粉層厚處制取沉積層金相，在每個試樣的金相圖中，以基板表面為基準，分別測量10個熔高值和10個熔深值，對測量結果做出箱線圖，得出各參數下熔高、熔深的平均高度及波動起伏程度，使用基恩士激光共聚焦顯微鏡測試不同層厚下鋪粉修復上表面輪廓數據，通過分析軟件得到表面粗糙度。第3組實驗為多層鋪粉成形實驗，在第1層鋪粉修復后，繼續下降平臺進行鋪粉掃描，平臺每次下降50 μm，設計5層鋪粉成形實驗，進行常規參數、大能量密度參數、重熔掃描參數及漸變參數的多層鋪粉成形區實驗，其中常規參數為200 W、800 mm/s，大能量密度參數為300 W、800 mm/s，重熔掃描參數為300 W、800 mm/s的參數掃描2次，漸變參數為300 W至200 W的逐漸遞減。使用基恩士激光共聚焦顯微鏡測試逐層鋪粉掃描后的上表面三維輪廓及表面粗糙度。第4組實驗為多層鋪粉成形實驗后轉換常規參數繼續進行鋪粉成形掃描，然后與常規200 W、800 mm/s下的成形區進行金相對比。

表2 激光工藝參數

Tab.2 Laser process parameters

圖1 基板傾斜激光成形工藝參數布局圖

圖2 不同層厚鋪粉成形實驗

2 結果與討論

2.1 傾斜基板修復沉積層結合問題

通過設計傾斜基板，模擬了零件修復時出現的首層鋪粉厚度變化情況，在不同粉厚處進行金相分析，如圖3所示。圖3a—c為激光功率為200 W、掃描速度為800 mm/s工藝參數下獲得的沉積層金相，圖3d—f為激光功率為300 W、掃描速度為800 mm/s工藝參數下獲得的沉積層金相。在選區激光熔化100 μm層厚下，200 W、800 mm/s掃描得到較好的結合區且結合線平緩，當層厚增大到400 μm時，已無法得到熔合完整的沉積層，鋪粉層厚嚴重影響了沉積層的成形。當工藝參數為激光功率為300 W、掃描速度為800 mm/s時，在400 μm層厚處沉積層結合問題得到改善，如圖3f所示，說明通過提高激光能量密度的方式可以改善鋪粉厚度變大所帶來的熔合不良問題，于是分別在不同鋪粉層厚下進行不同激光工藝參數的單層激光掃描實驗，探究不同層厚所帶來的沉積層的結合問題。

圖3 不同功率、不同層厚的沉積層結合金相

2.2 不同層厚下沉積層結合與表面起伏

不同鋪粉厚度下進行不同激光工藝參數掃描后的沉積層表現出高度、深度的差異，如圖4所示，分別為100 μm和400 μm層厚下的沉積層金相，可看出粉層厚度明顯影響沉積層高度、沉積層深度及其起伏波動，400 μm層厚下出現了明顯的沉積層結合不良現象。

圖4 200 W、800 mm/s下成形沉積層金相

圖5為不同鋪粉厚度下進行不同激光工藝參數掃描后的沉積層高度箱線圖，由圖5a可看出，在200 W的激光功率下沉積層高度隨著鋪粉層厚的增加而增加，相同層厚下沉積層高度隨著掃描速度的減小而增大。對比圖5b可看出，在300 W的功率下，隨著鋪粉層厚的增加，沉積層高度出現更大幅度的增加。同時，隨著鋪粉層厚的增加，沉積層表面起伏變大，同時觀察到在同一鋪粉層厚下，隨著掃描速度的提高，沉積層表面起伏也出現一定程度的增加。

由于粉末熱傳導較小，較多激光能量被粉末所吸收，在金屬蒸氣反沖壓力、Marangoni效應和熔池熱效應的作用下，部分粉末以飛濺的形式流失[25]。散裝粉末層中存在大量空氣，并且當金屬粉末受到激光束照射時，它們往往會以氣泡的形式被捕集。在低層厚下，激光束對底層的穿透也更大，使大部分能量熔化基板并形成較大的熔池，并且低層厚下的粉末飛濺較小，從而沉積層高度與粉層厚度大致對應。然而，粉層厚度的增加，會使粉末飛濺量增加，伴隨著混沌運動和熔池的不穩定性，較厚的散粉中存在大量的空氣，從而引起較高的飛濺[26]，因此所得沉積層的高度與鋪粉厚度并不完全對應。

圖5 不同掃描速度、不同層厚的沉積層高度箱線圖

圖6為不同鋪粉厚度下進行不同激光工藝參數掃描后的沉積層深度箱線圖。由圖6a可看出，在200 W的激光功率下，掃描速度為900 mm/s時，200 μm及以上的層厚已不能形成沉積層。在層厚為50 μm的常規厚度下，隨著掃描速度的提高，熔深呈規律性減小；在層厚為100 μm和200 μm時，隨著掃描速度的增加，沉積層深度大體上保持不變；在層厚為300 μm時，隨著掃描速度的增加，沉積層深度出現了一定程度的減小，在200 W、800 mm/s、300 μm參數下所形成的沉積層深度值明顯小于200 W、800 mm/s、200 μm參數下的深度；400 μm層厚的鋪粉，已不能形成良好的沉積層。

圖6b為300 W激光功率下沉積層深度的箱線圖，相對于圖6a，300 W功率下的整體沉積層深度明顯高于200 W。當層厚為400 μm時，較大的層厚使其沉積層深度明顯小于其他層厚下的深度。從圖6b可看出，在同樣的激光工藝參數下，沉積層深度趨勢大體是隨著層厚的增加而減小，因為層厚的增加導致能夠到達基板形成熔池的激光能量相應減少。層厚為 400 μm時，800 mm/s的掃描速度所形成的深度與600 mm/s和700 mm/s速度下形成的深度大致相當，且其熔池波動也略小于600 mm/s參數下的波動。當層厚為400 μm時，粉末熱傳導率較小，因其較大的層厚使粉末很容易產生氣化與飛濺，再加上相對較大的激光掃描速度，使熔池不穩定，最終導致了熔池的波動起伏較大，并且由于其波動較大，導致不同掃描速度時的深度并未出現明顯的變化。

熔池是影響沉積層質量的重要影響因素，因為在該區域內發生了熔融金屬的流動和擴散。在激光輻照期間形成的熔池面積相對大于激光束的光斑尺寸，熔池的大小隨著激光功率的增加而增加，而隨著掃描速度的增加而減小。隨著層厚的增加，飛濺會更加明顯，熔池運動更加混亂和不穩定，并且不能與基體良好潤濕。當層厚過大時，熔融金屬將不會浸濕到基材表面，從而沒有熔池產生[26]。

圖6 不同掃描速度、不同層厚的沉積層深度箱線圖

2.3 沉積層上表面形貌

圖7為不同鋪粉層厚下沉積層表面三維輪廓圖，圖7a、c、e為200 W功率時不同鋪粉層厚下的沉積層上表面，圖7b、d、f為300 W功率時不同鋪粉層厚下的沉積層上表面，鋪粉層厚由上至下依次增加，可明顯觀察到隨著層厚的增加，沉積層表面起伏逐漸增大。對照左右圖起伏狀況，功率提高所帶來的更多能量輸入使單位面積的球化數量減少[27]，使相同鋪粉層厚下的沉積層表面起伏減小。

圖7 不同層厚沉積層上表面輪廓圖

圖8為不同層厚下沉積層表面粗糙度值，可以看出其整體趨勢變化，在任一激光工藝參數下，其粗糙度會隨著鋪粉層厚的增加而增大。在層厚為50 μm和100 μm等較小層厚時，激光工藝的改變并未使沉積層表面粗糙度產生很大的變化；但隨著鋪粉層厚的增加，不同的能量輸入使表面粗糙度產生明顯的差距，在掃描速度相同的條件下，300 W的表面粗糙度明顯小于200 W的粗糙度；同理，其他參數保持不變，隨著掃描速度的提高，粗糙度值整體呈增大的趨勢。

圖8 沉積層上表面粗糙度值

激光選區掃描過程中，粉末最先被激光輻照，且粉層厚度過大使熔融金屬將不會浸濕到基材表面，粉末形成的熔滴很容易氣化飛濺或者在粉床上球化，使上表面起伏輪廓較大。所以在鋪粉層厚較大時，層厚是影響表面粗糙度的重要影響因素，出現了如圖8所示的結果。在層厚較小時，粉末熔化所形成的熔滴可以很快浸濕到基材中，此時激光功率、掃描速度主要以改變激光能量密度的形式影響熔池流動、溫度梯度及冷卻速率，從而影響表面粗糙度的改變，但小層厚下的表面粗糙度變化幅度相對較小。

2.4 多層鋪粉修復表面形貌及粗糙度

多層鋪粉修復實驗中，在第1層鋪粉后進行激光掃描，會留下波動起伏較大的沉積層上表面，在此基礎上進行常規參數200 W、800 mm/s持續鋪粉掃描修復。圖9展示出隨著持續的多層鋪粉修復，從第1—5層上表面起伏程度逐漸減小。

在400 μm層厚鋪粉后進行激光掃描，大量粉末會氣化或飛濺，結合前文實驗結果圖5b中沉積層高度箱線圖可知，沉積層高度值在60～140 μm內波動。平臺下降50 μm進行第2次鋪粉時，所鋪覆的粉層厚度在300 μm左右，所以激光掃描后得到如圖9b所示的輪廓起伏依然較大的成形結果，由于其粉層厚度小于第1層的400 μm層厚，其表面輪廓質量略好于第1層。按照同樣的原理進行多層鋪粉成形打印，由于實際鋪粉層厚的逐層減小，逐層修復上表面三維輪廓質量逐漸好轉。

圖9 常規參數下逐層修復上表面三維輪廓

圖10為不同激光工藝參數下逐層鋪粉修復的上表面粗糙度變化趨勢，200 W下的表面粗糙度明顯高于其他參數下的粗糙度，由于其能量密度較低，粉末不能進入熔池充分熔化。300 W大能量密度參數由于其功率始終高于常規參數200 W的激光功率，所以其表面粗糙度在每一層都要低于200 W常規參數下的表面粗糙度。其中重熔參數下的表面粗糙度最小且每層大致相同，因為每次鋪粉后的2次激光掃描中，其第2次掃描就起到基體重熔的作用，所以其表面粗糙度最小且保持不變。其次是漸進參數的表面粗糙度，隨著逐層鋪粉，其鋪粉層厚逐漸減小，所以即使激光功率逐層遞減，較小的粉厚使其上表面粗糙度具有逐層減小的趨勢，但因為其功率始終低于300 W，所以其表面粗糙度在每一層都要高于300 W大能量密度參數下的表面粗糙度。

圖10 逐層鋪粉掃描表面粗糙度變化趨勢

圖11為不同參數下多層修復的成形區金相，圖11a顯示在常規參數下，由于第1層鋪粉掃描后，上表面起伏較大，常規參數的能量密度相對較小，從而內部出現結合不良的情況；圖11b為大能量密度參數功率為300 W、掃描速度為800 mm/s下得到的無空隙致密成形區；圖11c中試樣是以較大能量密度的激光工藝參數在單次掃描結束后進行再次掃描重熔所得，可發現較為致密的成形區且上表面起伏波動較小；圖11d采用激光功率逐漸減小的過渡方式，頂部起伏波動略高于圖11b中300 W功率下的成形區，但此處也較為致密無空隙出現。對比圖11a—d可知，常規參數無法得到無缺陷的成形區，而通過提高能量密度的方式，可以得到無缺陷成形區。

在多層鋪粉成形實驗后使用常規參數繼續鋪粉成形掃描，金相如圖12a所示，上部3層為常規參數下的成形實驗，與下部高能量密度參數成形區進行對比，其熔池深寬比明顯減小。雖切換常規參數，依然得到良好的結合，實現了向常規參數成形的切換。圖12b為常規SLM成形區，對比圖12a與圖12b，從金相冶金結合方面觀察，二者已無明顯差異。通過提高激光能量密度的方式實現了選區激光熔化技術在修復領域的應用。

圖11 不同參數下的多層修復成形區金相

圖12 不同成形策略下的選區激光熔化成形區金相

3 結論

1）在多層鋪粉成形打印中，由于第1層粉厚較大，隨著持續的鋪粉掃描，不同參數下的激光掃描都呈現出沉積層表面起伏逐層平緩的趨勢。200 W常規參數下的表面粗糙度明顯高于其他參數，其次是漸變參數的表面粗糙度，其中重熔參數下的表面粗糙度最低且每層大致相同。

2）對多層鋪粉沉積層金相分析發現，常規參數修復會出現部分空隙，300 W功率下由于較高的能量輸入獲得了致密的結合區，采用大能量密度參數向常規能量密度參數過渡的方式，可實現選區激光熔化技術在零件修復領域的應用。

3）在待修復件表面鋪粉不均的情況下，通過對工藝參數進行探索，發現大能量密度參數可以實現單層厚度不大于400 μm的選區激光熔化成形，成形區域無孔隙且表面起伏不大，并且該激光工藝參數在粉層厚度較薄處依然適用。

[1] 郭雙全, 羅奎林, 劉瑞, 等. 3D打印技術在航空發動機維修中的應用[J]. 航空制造技術, 2015, 58(S1): 18-19.

GUO Shuang-quan, LUO Kui-lin, LIU Rui, et al. Applic-ation of 3D Printing Technology in Aeroengine Maintai-nance[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2015, 58(S1): 18-19.

[2] 鄭金輝, 門正興, 孟毅, 等. 航空發動機小型超薄葉片激光選區熔化成形質量分析[J]. 應用激光, 2020, 40(4): 605-609.

ZHENG Jin-hui, MEN Zheng-xing, MENG Yi, et al. For-ming Quality Analysis of Small Blades for Aeroengines by Selective Laser Melting[J]. Applied Laser, 2020, 40(4): 605-609.

[3] TAO Pan, LI Huai-xue, HUANG Bai-ying, et al. Tensile Behavior of Ti-6Al-4V Alloy Fabricated by Selective Laser Melting: Effects of Microstructures and As-Built Surface Quality[J]. China Foundry, 2018, 15(4): 243-252.

[4] 林鑫, 黃衛東. 高性能金屬構件的激光增材制造[J]. 中國科學: 信息科學, 2015, 45(9): 1111-1126.

LIN Xin, HUANG Wei-dong. Laser Additive Manufac-turing of High-Performance Metal Components[J]. Scie-ntia Sinica: Informationis, 2015, 45(9): 1111-1126.

[5] SIDDIQUI A A, DUBEY A K. Recent Trends in Laser Cladding and Surface Alloying[J]. Optics & Laser Techn-ology, 2021, 134: 106619.

[6] 姚喆赫, 姚建華, 向巧. 激光再制造技術與應用發展研究[J]. 中國工程科學, 2020, 22(3): 63-70.

YAO Zhe-he, YAO Jian-hua, XIANG Qiao. Development of Laser Remanufacturing Technology and Application[J]. Strategic Study of CAE, 2020, 22(3): 63-70.

[7] 徐進, 陽義. 水輪機過流部件現場激光熔覆修復和表面強化涂層應用研究[J]. 大電機技術, 2020(6): 55-61.

XU Jin, YANG Yi. The Application Research of Field Laser Cladding Repair and Surface Strengthening Coating in the Flow Passage Parts of Hydraulic Turbine[J]. Large Electric Machine and Hydraulic Turbine, 2020(6): 55-61.

[8] 李秋歌, 林鑫, 王杏華, 等. 激光增材修復K465高溫合金裂紋控制研究[J]. 稀有金屬材料與工程, 2017, 46(4): 955-960.

LI Qiu-ge, LIN Xin, WANG Xing-hua, et al. Research on the Cracking Control of Laser Additive Repaired K465 Superalloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2017, 46(4): 955-960.

[9] SONG Li-jun, ZENG Guang-cheng, XIAO Hui, et al. Repair of 304 Stainless Steel by Laser Cladding with 316L Stainless Steel Powders Followed by Laser Surface Alloying with WC Powders[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2016, 24: 116-124.

[10] HU Yong, WANG Liang, YAO Jian-hua, et al. Effects of Electromagnetic Compound Field on the Escape Behavior of Pores in Molten Pool during Laser Cladding[J]. Surface and Coatings Technology, 2020, 383: 125198.

[11] 張群莉, 李棟, 張杰, 等. 預制坡口角度對激光增材再制造IN718合金組織與性能的影響[J]. 表面技術, 2019, 48(5): 90-96.

ZHANG Qun-li, LI Dong, ZHANG Jie, et al. Influence of Pre-Fabricated Groove Angle on Microstructure and Pro-perties of Laser Additive Remanufactured IN718 Alloy[J]. Surface Technology, 2019, 48(5): 90-96.

[12] 余敏, 張鴻羽, 曹開, 等. 激光熔覆在高速列車上的應用研究現狀[J]. 表面技術, 2020, 49(10): 12-20.

YU Min, ZHANG Hong-yu, CAO Kai, et al. Application Status of Laser Cladding in High-Speed Trains[J]. Surface Technology, 2020, 49(10): 12-20.

[13] 楊雄文, 楊永強, 劉洋, 等. 激光選區熔化成型典型幾何特征尺寸精度研究[J]. 中國激光, 2015, 42(3): 0303004.

YANG Xiong-wen, YANG Yong-qiang, LIU Yang, et al. Study on Dimensional Accuracy of Typical Geometric Features Manufactured by Selective Laser Melting[J]. Chinese Journal of Lasers, 2015, 42(3): 0303004.

[14] 陳帥, 劉建光, 王衛東, 等. 激光選區熔化成形薄壁件研究進展[J]. 精密成形工程, 2020, 12(5): 122-131.

CHEN Shuai, LIU Jian-guang, WANG Wei-dong, et al. Research Progress in Thin-Walled Parts Formed by Selective Laser Melting[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2020, 12(5): 122-131.

[15] 許建波, 張慶茂, 郭亮, 等. 口腔修復中選區激光熔化工藝及性能研究[J]. 應用激光, 2017, 37(1): 42-50.

XU Jian-bo, ZHANG Qing-mao, GUO Liang, et al. The Study of Technology and Properties of Selective Laser Melting in Prosthodontics[J]. Applied Laser, 2017, 37(1): 42-50.

[16] BUICAN G R, OANCEA G, MANOLESCU A. Rema-nufacturing of Damaged Parts Using Selective Laser Mel-ting Technology[J]. Applied Mechanics and Materials, 2014, 693: 285-290.

[17] SMELOV V G, SOTOV A V, AGAPOVICHEV A V. Research on the Possibility of Restoring Blades while Repairing Gas Turbine Engines Parts by Selective Laser Melting[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2016, 140: 012019.

[18] 鄭軍. 基于選區激光熔化的拼接復合成形基礎工藝研究[D]. 杭州: 浙江工業大學, 2016: 58-59.

ZHENG Jun. Studies on Splicing Composite Forming Process of Selective Laser Melting[D]. Hangzhou: Zheji-ang University of Technology, 2016: 58-59.

[19] 祝彬彬, 巴勁偉, 鄭軍, 等. 選區激光熔化拼接復合成型基礎工藝研究[J]. 應用激光, 2016, 36(6): 663-669.

ZHU Bin-bin, BA Jin-wei, ZHENG Jun, et al. Study on Splicing Composite Forming Foundation Process of Sele-ctive Laser Melting[J]. Applied Laser, 2016, 36(6): 663- 669.

[20] 王朋, 石文天, 劉玉德, 等. 選區激光熔化316L不銹鋼大層厚成形質量研究[J]. 特種鑄造及有色合金, 2019, 39(5): 501-505.

WANG Peng, SHI Wen-tian, LIU Yu-de, et al. Forming Quality of High Layer Thickness of 316L Stainless Steel by Selective Laser Melting[J]. Special Casting & Nonfe-rrous Alloys, 2019, 39(5): 501-505.

[21] 閆岸如, 楊恬恬, 王燕靈, 等. 選區激光熔化不同層厚鎳的熱特性與機械性能[J]. 中國激光, 2016, 43(2): 0203004.

YAN An-ru, YANG Tian-tian, WANG Yan-ling, et al. The--rmal Properties and Mechanical Properties of Selec-tive Laser Melting Different Layer Thicknesses of Ni Powder[J]. Chinese Journal of Lasers, 2016, 43(2): 0203004.

[22] HAO Jing-bin, MENG Qing-dong, LI Cong-cong, et al. Effects of Tilt Angle between Laser Nozzle and Substrate on Bead Morphology in Multi-Axis Laser Cladding[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2019, 43: 311-322.

[23] 尹一君, 楊偉, 劉建永, 等. 基體傾斜和熔覆頭偏轉對激光熔覆層形貌與粉末利用率影響的研究[J]. 應用激光, 2020, 40(5): 800-805.

YIN Yi-jun, YANG Wei, LIU Jian-yong, et al. The Effects of Substrate Tilt and Coaxial Nozzle Deflection on Laser Cladding Morphology and Powder Utilization Rate[J]. Applied Laser, 2020, 40(5): 800-805.

[24] LI Xiang-bo, LI Tao, SHI Bo-wen, et al. The Influence of Substrate Tilt Angle on the Morphology of Laser Clad-ding Layer[J]. Surface and Coatings Technology, 2020, 391: 125706.

[25] WANG Di, WU Shi-biao, FU Fan, et al. Mechanisms and Characteristics of Spatter Generation in SLM Processing and Its Effect on the Properties[J]. Materials & Design, 2017, 117: 121-130.

[26] ALKAHARI M R, FURUMOTO T, UEDA T, et al. Melt Pool and Single Track Formation in Selective Laser Sintering/Selective Laser Melting[J]. Advanced Materials Research, 2014, 933: 196-201.

[27] 馮一琦, 謝國印, 張璧, 等. 激光功率與底面狀態對選區激光熔化球化的影響[J]. 航空學報, 2019, 40(12): 423089.

FENG Yi-qi, XIE Guo-yin, ZHANG Bi, et al. Influence of Laser Power and Surface Condition on Balling Behavior in Selective Laser Melting[J]. Acta Aeronautica et Astron-autica Sinica, 2019, 40(12): 423089.

The Influence of Powder Coating Thickness on the Density and Surface Morphology of 316L Deposited Layer by Selective Laser Melting

1a,1b,1c,1a,1b,1c,2,1a,1b,1c,3

(1. a. Institute of Laser Advanced Manufacturing, b. College of Mechanical Engineering, c. Collaborative Innovation Center of High-End Laser Manufacturing Equipment, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China; 2. Penta Laser (Wenzhou) Co., Ltd., Wenzhou 325000, China;3. Laser Technology Research Institute, National Technical University of Ukraine, Kiev 03056, Ukraine)

The work aims to study a selective laser melting forming process when the thickness of the first powder layer is 400 μm to solve the uneven thickness of the first powder layer during selective laser melting in additive remanufacturing. The wedge-shaped powder layer was preset on the inclined substrate, and laser scanning experiments with different laser powers were performed on the powder layer to study the effect of the wedge-shaped powder layer on the deposition. Then, powder layers of 50, 100, 200, 300, and 400 μm were preset on the horizontally placed substrates. Laser scanning experiments were performed on the powder layer to study the effects of the thickness of the powder layer on the deposition. Finally, a multi-layer deposition experiment with the first layer of 400 μm thick and the subsequent 5 layers of 50 μm each was done to study the effect of the thick powder layer on the subsequent SLM forming. Selective laser melting technology was used to repair the inclined upper surface. The increase in the thickness of the powder would cause the density of the deposited layer to become worse and the surface fluctuations increase. By increasing the laser energy density, using 300 W, 800 mm/s process parameters and laser scanning at a large layer thickness of 400 μm, the combination of the deposited layer and the substrate can be improved and the undulating contour of the upper surface of the deposited layer can be reduced. This parameter can also get a dense deposition layer when the layer thickness was small. When performing SLM scanning on the basis of the first layer with a thickness of 400 μm, the first layer deposition process should be used to deposit 5 layers as a transition zone, and the subsequent deposition can be carried out according to the normal SLM forming process. When repairing parts with SLM technology, a wedge-shaped powder layer with uneven thickness will appear on the first layer. When the thickest area of the powder layer does not exceed 400 μm, the laser power density needs to be increased for deposition. After 5 layers are deposited under high power density parameters, the normal SLM process can be used for subsequent forming.

selected laser melting; repair; deposited layer; density; surface morphology

2021-03-18；

2021-05-09

ZHANG Jie (1994—), Male, Postgraduate, Research focus: laser advanced manufacturing.

楊高林（1980—），男，博士，講師，主要研究方向為激光增材制造。

YANG Gao-lin (1980—), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: laser additive manufacturing.

張杰, 楊高林, 徐俠, 等.鋪粉厚度對選區激光熔化316L沉積層致密度與表面形貌的影響[J]. 表面技術, 2022, 51(3): 286-295.

TN249

A

1001-3660(2022)03-0286-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.031

2021-03-18；

2021-05-09

國家重點研發計劃（2017YFB1103600）；國家自然科學基金（52035014）；浙江省基礎公益研究計劃（LGG22E050036）

Fund：The National Key Research and Development Plan (2017YFB1103600); the National Natural Science Foundation of China (52035014); the Basic Public Welfare Research Project of Zhejiang Province (LGG22E050036)

張杰（1994—），男，碩士研究生，主要研究方向為選區激光熔化。

ZHANG Jie, YANG Gao-lin, XU Xia, et al. The Influence of Powder Coating Thickness on the Density and Surface Morphology of 316L Deposited Layer by Selective Laser Melting[J]. Surface Technology, 2022, 51(3): 286-295.