體能量密度對選區激光熔化鈦合金表面質量及致密度的影響

易 濤，成 靖，趙仲哲，榮 鵬

（航空工業成都飛機工業(集團)有限責任公司,四川 成都 610092）

0 引言

選區激光熔化（Selective Laser Melting）是金屬3D 打印領域中應用較廣、技術較為成熟的成型工藝之一，其發展經歷了低熔點非金屬粉末燒結、低熔點包覆高熔點粉末燒結、高熔點粉末直接熔化成型等階段[1]。選區激光熔化技術是在預先規定的掃描路徑下，利用高能量的激光束，將已平鋪好的金屬粉末完全熔化，經冷卻后凝固成形的一種技術。選區激光熔化成形技術可以直接制造幾乎是任意形狀的金屬零件，并且可以獲得具有完全冶金結合的組織，已成功應用到汽車、航空航天、工藝品、醫療及珠寶等行業領域。

粗糙度和致密度是影響選區激光熔化成型金屬零件性能的關鍵特征值，已有學者進行了研究。韓國梁[2]等人基于單熔道試驗的基礎參數研究了鈦合金3D 打印過程中成形工藝和表面成形質量，研究發現采用高功率、低掃描線間距及適當降低曝光時間可有效提高表面成形質量。安超[3]等人研究了工藝參數對鈷鉻合金致密度及粗糙度的影響，試驗表明，鋪粉厚度是影響SLM 成型件致密度大小的最重要因素，而激光功率是影響成型件上表面和側面粗糙度的最重要因素。潘露[4]等人研究了線能量密度對選區激光熔化316L 的缺陷影響分析，研究表明，當線能量密度較高時，裂紋缺陷及氣泡減少。

上述研究都側重于單個工藝參數對于金屬零件粗糙度和致密度的影響[5-6]，或將主要工藝參數統一成能量密度來研究[7]，但并未綜合考慮各工藝參數的影響。所以筆者分別對激光功率、掃描間距進行了分析，引入體能量密度來探究激光能量密度對于表面粗糙度及零件致密度的影響規律。

1 試驗材料及方法

試驗采用Concept Laser Mlab cusing 金屬快速成型機，其掃描層厚15～50 μm，激光器類型為100 W 光纖激光器，功率可調節范圍為10～100 W，掃描速度可調范圍為10～7 000 mm/s，掃描間距可調范圍為0.001 4～13.6 mm，其光斑直徑大小約為20～80 μm，使用的保護氣體為高純氬氣。所使用的打印材料是鈦合金球形粉末（Ti-6Al-4V，加拿大AP&C），該粉末是采用等離子霧化生產工藝生產的，球形度高，粉末粒徑分布在20～55 μm，中位徑為33.6 μm。

表面形貌采用Phenom ProX 掃描/能譜一體機和日本JSE-5900LV 掃描電子顯微鏡進行觀察。內部截面使用金相顯微鏡（Olympus GX51）進行觀察。使用基恩士非接觸式3D 輪廓測量儀VR-5000 進行表面輪廓和粗糙度的測量。測試的放大倍數為80倍，測量位置為樣品表面中部區域。基于阿基米德排水法采用分析天平測量樣品在空氣中和水中的質量，然后計算出樣品體積，從而計算出樣品的致密度ρ。

選區激光熔化成型技術主要關鍵參數為激光功率P、掃描速度v、掃描間距h和鋪粉厚度（切片高度）d。根據體能量密度公式VED=P/（vhd），主要調節激光功率和掃描間距兩個參數，從而獲得不同的體能量密度，其工藝參數設計方案如表1 所示。

表1 工藝參數設計方案Table 1 Selected technical parameters

2 結果與分析

2.1 表面粗糙度分析

2.1.1 激光功率對表面粗糙的影響

激光功率對表面粗糙度的影響圖1、2。從圖1可以看出，隨著激光功率的增加，表面粗糙度逐漸降低，從19.5 μm 降低到11.6 μm。其主要原因是激光功率決定能量輸入大小，決定了粉末熔化情況。當激光功率增加時，溶體的粘度降低，熔池流動性和潤濕性變好，不易造成球化現象，同時激光的熱影響區變大，更多的粉末由于受到了更多的能量加載，熔化情況變好，熔道寬度增加，熔道間搭接得更多，融合得更好。其中激光功率從70 W 增加到80 W，表面粗糙度降低得最快，從19.5 μm 降低到15.2 μm。

圖1 激光功率對表面粗糙的影響Fig.1 The effect of laser power on surface roughness

從圖2 可以看出，當激光功率為70 W 時，表面凸起物較多，凸起物峰值較高。其主要原因可能是激光功率70 W 對于鈦合金粉末而言能量較低，熔化不充分，出現熔池球化現象，再加上相鄰熔道之間產生的球化物不斷累積，最終形成較大的凸起物。

圖2 不同激光功率制備的表面形貌Fig.2 The 3D surface morphologies prepared at different laser powers

2.1.2 掃描間距對表面粗糙度的影響

掃描間距對表面粗糙度的影響如圖3、4 所示。從圖3 中可以看出，隨著掃描間距的增大，表面粗糙度呈逐漸增加的趨勢，從11.4 μm 逐漸增加到18.0 μm。經測量該工藝參數下的單熔道尺寸發現，單熔道的寬度約為0.104 mm，意味著當掃描間距大于0.10 mm 時，熔道間的間距逐漸拉大，存在的間隙逐漸增加，搭接率為0。搭接率較低，會產生大小不一、分布隨機的缺陷孔隙，經過不斷的累積，最終所產生的缺陷會越來越多。從圖4（a)-（d）可以看到，隨著掃描間距的增加，單熔道的邊界輪廓也越來越明顯，再加上相鄰層是垂直掃描策略，致使相鄰層熔道垂直交叉部位累積了更多的熔化物，表面輪廓極值差變大，最終導致表面粗糙度增大。從圖4（d）中可以觀察到，當掃描間距為0.13 mm 時，表面開始產生孔隙，致使表面輪廓極值差變大，表面粗糙度值變大。

圖3 掃描間距對表面粗糙的影響Fig.3 The effect of scanning distance on surface roughness

圖4 不同掃描間距制備的表面形貌Fig.4 The 3D surface morphologies prepared at different scanning distance

2.1.3 體能量密度對表面粗糙度的影響

激光的體能量密度是綜合考慮激光功率和掃描間距對表面粗糙度的影響值，它反映的是在單位體積下激光所輸入的能量值。將激光功率和掃描間距的試驗數據換算為體能量密度，其體能量密度對表面粗糙度的影響規律如圖5 所示，隨著體能量密度的增加，表面粗糙度整體上呈現下降趨勢，可以說明，只要滿足體能量密度呈一定趨勢，在任意變換激光功率和掃描間距時所得到的表面粗糙度值也存在一定趨勢。而當體能量密度在30.8 J/mm3和31.1 J/mm3時，其能量密度值相差0.3 J/mm3，而表面粗糙度相差1.6 μm，通過降低激光功率使體能量密度降低的方式，表面粗糙度更大。其主要原因可能是通過降低激光功率使體能量密度降低的方式會使粉未熔化，球化嚴重，使得表面粗糙度加大，經逐層累加后，表面質量更差；而通過增加掃描間距使體能量密度降低的方式，粉末熔化不受影響，熔道成形正常，僅存在一定的熔道間隙，經逐層打印后，部分間隙可能會被填補，表面粗糙度相對較小。

圖5 體能量密度對表面粗糙的影響Fig.5 The effect of volumetric energy density on surface roughness

2.2 致密度分析

不同工藝參數下制備的樣品內部情況如圖6 所示。由圖6 可知，隨著激光功率的降低，內部孔隙逐漸增多；隨著掃描間距的增加，內部孔隙也逐漸增加。同時從圖7 可以看到，隨著體能量密度的增加，致密度呈現非線性增加，是不穩定的波動。通過分別觀察激光功率和掃描速度調節的體能量密度對致密度的影響，可以看到，單因素調節的體能量密度對致密度的影響具有一定的規律，隨著激光功率的增加或掃描間距的降低，體能量密度隨之增加，致密度呈穩定增長趨勢。同時，從圖7 中也可以看到，在激光體能量密度為31 J/mm3和36 J/mm3左右時，通過激光功率調節的比通過掃描間距調節的體能量密度所加工的樣品的致密度高。其原因在于這兩個因素對打印的主要影響不一樣。激光功率主要決定的是粉末和熔道所吸收的能量大小，對粉末的熔化及熔池的狀態有直接影響。當激光功率較小時，雖然熔道的狀態不好，但在適當的掃描間距下，相鄰熔道相互彌補缺陷，并且再經過下一層激光的再熔化，累積過程中產生的缺陷就會越少。而掃描間距主要影響的是熔道之間的搭接及熔道溫度場的影響范圍，是打印體致密度的直接影響因素。當掃描間距較大時，熔道間間隙增大，在較大的激光功率下所產生的熱影響區可能不足以對相鄰熔道的間隙進行填補與修飾，表面粗糙度增加，累積過程中產生的缺陷也越來越多，最終導致致密度越來越低。

圖6 不同工藝參數制備的樣品內部截面示意Fig.6 The internal cross section of samples prepared with different process parameters

圖7 體能量密度對致密度的影響Fig.7 The effect of volumetric energy density on sample density

3 結論

1）增大激光功率和降低掃描間距有助于表面粗糙度的降低。隨著體能量密度的增大，所加工出的金屬樣件的表面粗糙度呈減小趨勢。

2）體能量密度的增加，會使樣品內部孔隙降低，致密度增加。通過調節激光功率使體能量密度增大的方式更有利于加工出更高致密度的樣品。掃描間距對致密度的影響較大。