激光選區(qū)熔化/干式銑削復(fù)合加工實驗研究

唐成銘,趙吉賓,趙宇輝,王志國,周 波

(1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所,遼寧 沈陽 110016;2.中國科學(xué)院機器人與智能制造創(chuàng)新研究院,遼寧 沈陽 110169;3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引 言

激光選區(qū)熔化(selective laser melting,SLM)是一種重要的增材制造技術(shù),適用于單件小批量的復(fù)雜零件加工[1],由于其特有的技術(shù)優(yōu)勢正越來越多地應(yīng)用于航空、醫(yī)療、模具等領(lǐng)域[2]。與其他增材制造方法相比,激光選區(qū)熔化制造出的零件具有相對高的精度和較好的表面粗糙度,通常尺寸精度可達(dá)0.150/100 mm,表面粗糙度可達(dá)Ra 5 μm[3],然而與傳統(tǒng)切削減材加工相比仍有較大差距[4],因此在使用SLM技術(shù)進(jìn)行幾近成形加工后,一般還需要對零件進(jìn)行減材加工后處理,以獲得更高的幾何精度和表面質(zhì)量。通常增材加工與減材加工要在不同的加工設(shè)備上完成,零件經(jīng)歷多次裝夾找正,影響了加工質(zhì)量與效率[5]。為此,有學(xué)者提出了增減材復(fù)合加工機床與復(fù)合加工技術(shù),即通過一臺同時具有增材成形和減材加工功能的復(fù)合機床實現(xiàn)一站式的零件加工[6]。增減材復(fù)合制造(hybrid additive and subtractive manufacturing,HASM)可以克服單一工藝的局限性,帶來更多的技術(shù)優(yōu)勢,如縮短整體制造時間、降低原材料和能源的消耗[7],而且還有助于材料的再利用,從而減少對環(huán)境的負(fù)面影響[8]。采用增減材機床及復(fù)合加工工藝將會為復(fù)雜零件的高效制造提供極大的便利。

為了能將增減材復(fù)合加工工藝的理論優(yōu)勢應(yīng)用到實際中,一些學(xué)者展開了探索性的研究。Karunakaran等[9]在一臺數(shù)控銑床上集成了增材制造模塊,并進(jìn)行了金屬模具的增減材復(fù)合加工實驗,研究結(jié)果表明采用復(fù)合加工消耗的時間比傳統(tǒng)減材加工減少了37.5 %,成本降低了22.3 %。Joshi等[10]提出了一種針對增減材復(fù)合加工的工藝規(guī)劃算法,用于降低零件加工時的幾何復(fù)雜性。Wang等[11]提出采用基于計算機視覺和激光掃描的綜合測量方法進(jìn)行增減材加工的在線過程監(jiān)控[11]。現(xiàn)有的針對增減材加工的研究主要集中在硬件集成、復(fù)合工藝規(guī)劃、過程檢測與控制方面,而在復(fù)合加工工藝對零件質(zhì)量性能的影響方面研究較少,因此本文在自主研發(fā)的基于激光選區(qū)熔化增材/高速干式銑削減材技術(shù)的增減材復(fù)合加工平臺上,以316L奧氏體不銹鋼粉末為研究對象,分別采用單一增材工藝和“增材-減材”交替復(fù)合加工工藝制備試樣,研究分析了在不同激光能量密度下增減工藝間的交互作用對樣件致密度、殘余應(yīng)力的影響,為金屬零件的增減材復(fù)合加工制造提供參考。

2 實驗設(shè)備與材料

實驗在中國科學(xué)院沈陽自動化研究所自主研發(fā)的增減材復(fù)合加工平臺上完成。如圖1所示,它主要由SLM增材加工模塊和三軸數(shù)控干式銑削模塊組成,控制系統(tǒng)可以自動切換兩個模塊進(jìn)行增材/減材加工。實驗平臺配有密封外罩和氣體循環(huán)過濾系統(tǒng),保證加工過程能在惰性氣體氛圍中進(jìn)行。待加工零件模型以STL格式導(dǎo)入到專門開發(fā)的預(yù)處理軟件中,該軟件對模型進(jìn)行切片,然后生成包含激光掃描方案、銑削刀具路徑和其他信息的加工文件序列。復(fù)合加工平臺的控制系統(tǒng)可以讀取這些切片文件,并按序號執(zhí)行實現(xiàn)復(fù)合加工。

圖1 增減材復(fù)合加工設(shè)備與增減材工藝

實驗原料選用沈陽有色金屬研究院有限公司生產(chǎn)的316L氣霧化球性粉末,其粒度分布在15～45 μm之間,平均粒度為30 μm,化學(xué)成分如表1所示。原料在使用前,放入加熱爐中在110 ℃真空環(huán)境烘干保溫10 h去除水分。實驗所用基板為316L不銹鋼板,表面磨光,在使用前用無水乙醇進(jìn)行清潔處理。實驗前向設(shè)備內(nèi)通入氬氣,在氧氣體積分?jǐn)?shù)降至0.05 %后開始加工。

表1 316L不銹鋼粉末化學(xué)成分(wt.%)

3 實驗方法

如圖2所示,所有試樣的SLM工藝均采用雙向掃描策略,每增材一層后掃描方向旋轉(zhuǎn)90°,激光掃描間距設(shè)定在0.05 mm,層厚設(shè)置為0.04 mm,掃描速度設(shè)定在1000 mm/s,共增材150層。在基板上共制備6個水平尺寸為15 mm×15 mm的試樣,其中編號1至3的試樣采用單SLM工藝,編號4至6的試樣采用SLM與干式銑削相結(jié)合的HASM工藝,具體為每增材15層后進(jìn)行一次上表面銑削加工,銑削平面設(shè)定為基板的初始高度,即刮粉刀下沿所處位置。減材加工選用6 mm直徑硬質(zhì)合金涂層立銑刀,銑削主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為15000 r/min,進(jìn)給速度為每齒0.08 mm。激光功率設(shè)定值具體如表2所示。表2中的能量密度用文獻(xiàn)[12]給出的算式計算得出,用于綜合表征作用到粉床上的輸入能量強度。

圖2 SLM加工設(shè)置

表2 工藝參數(shù)

加工完成后,使用光學(xué)顯微鏡及三維輪廓儀 (Contour GT,Bruker) 觀測復(fù)合加工工藝制造出試樣的上表面。使用線切割將試樣從基板上沿高度方向切下并采用阿基米德法測量試樣的致密度,對每個試樣進(jìn)行3次測量并取平均值。在試樣鑲嵌和打磨拋光后,使用光學(xué)顯微鏡 (Axio Vert.A1,Zeiss) 觀測缺陷形貌。使用X射線衍射儀 (LXRD,PROTO) 對試樣進(jìn)行殘余應(yīng)力的測量:選擇Mn靶,測量起始角度為155°,終止角度為150°。測量位置如圖3所示,分別在每個試樣的截面上從距離基板上表面1 mm的高度開始,沿成形方向每間隔1 mm各取一個測量點。為了減小誤差,每個點測量3次取平均值作為結(jié)果。

圖3 殘余應(yīng)力測量方式示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 致密度

SLM加工的致密度主要受粉末質(zhì)量和工藝參數(shù)影響,它是評判SLM工藝質(zhì)量的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。試樣致密度的測量結(jié)果如圖4所示,在不同激光能量密度下,SLM工藝制件致密度分別為94.7 %、97.1 %和99.3 %,而HASM工藝制件致密度分別為96.9 %、98.6 %和99.2 %。一方面,在本實驗的取值范圍內(nèi),致密度隨著激光能量密度的增加而增大。另一方面,增減材復(fù)合加工中的減材銑削工藝對試樣的致密度同樣存在影響?？梢娫诩す饽芰棵芏确謩e為100 J/mm3和125 J/mm3的條件下,對于采用了相同的SLM工藝參數(shù)的兩試樣,使用復(fù)合加工工藝獲得的樣件致密度比采用單一SLM工藝有較明顯的提升,分別高出2.2 %和1.5 %；而在能量密度為150 J/mm3條件下,采用這兩種工藝方法所獲得的樣件致密度十分接近,且均可以達(dá)到99 %以上。

圖4 不同能量密度下的樣品致密度

影響試樣致密度的主要因素是在加工過程中形成的孔隙缺陷。圖5是在光學(xué)顯微鏡下的試樣縱向截面,可以看出,在能量密度僅為100 J/mm3的條件下,采用單一SLM工藝制造的樣件組織內(nèi)有較多的未熔合缺陷。這些缺陷呈隨機分布,沿高度成形方向的長度約在幾微米至100 μm之間。產(chǎn)生孔隙缺陷的原因是激光能量密度低,導(dǎo)致鋪粉層中的粉末無法完全熔化,與粉層下的材料無法形成充分的熔接[13]。另外,由于輸入激光能量不足,每一層成形表面的質(zhì)量也較差,導(dǎo)致一部分成形后的材料和球化物等加工副產(chǎn)物的位置高于刮粉刀下沿。這種SLM工藝參數(shù)偏差引起的表面不平度使下一次鋪粉時局部的粉層厚度偏離設(shè)定值,并且不平度隨著堆積層數(shù)累加,造成工藝條件逐漸惡化,刮粉刀磨損,甚至導(dǎo)致加工的失敗[14]。而在同樣的能量密度下,HASM工藝得到的試樣內(nèi)缺陷數(shù)量更少,缺陷平均尺寸更小。造成這種現(xiàn)象的一個原因是銑削加工去除了高出刮粉刀下沿的那部分材料和球化物等加工副產(chǎn)物(圖6(a),使下一次的鋪粉過程能從一個相對平整的基材表面開始,從而改善了接下來的SLM加工條件,提高了整個工藝過程的穩(wěn)定性。

圖5 光學(xué)顯微鏡下的孔隙缺陷

另一個可能原因是銑削工藝去除了一部分近表面孔隙缺陷,直接提高了樣件的致密度。在激光能量密度升高到125 J/mm3時,銑削工藝對致密度的影響效果降低,兩種加工方法制造的樣件缺陷尺寸、數(shù)量的差異不如激光能量密度在100 J/mm3時明顯。而在激光能量密度設(shè)置為150 J/mm3情況下,采用兩種加工方法獲得的致密度幾乎相同,但是在HASM試樣的切削層附近位置觀察到了少量的未熔合缺陷。此時兩種工藝所制造的樣件致密度接近的原因是在足夠高的激光能量密度下,成形過程中試樣表面平整,只有少量的成形表面通過銑削被去除,因此減材工藝對樣件致密度影響很小,這種情況下致密度主要受能量密度影響。而在150 J/mm3的激光能量密度下HASM工藝樣件在切削層產(chǎn)生了少量未熔合缺陷的原因如下:一方面,一小部分高于基準(zhǔn)面的成形表面經(jīng)銑削加工后粗糙度降低(圖6(b)),導(dǎo)致流動時粉末與試樣已經(jīng)成形的上表面之間的摩擦力減小,下一次鋪粉時粉末不容易駐留在這些光滑區(qū)域。另一方面,刮粉刀在每次鋪粉過程中產(chǎn)生微量的磨損,造成與流動粉末之間的摩擦力增加,粉末逐漸傾向于與刮刀粘連?，F(xiàn)有的針對SLM鋪粉過程的工藝研究表明,摩擦力的這種變化趨勢會對鋪粉層質(zhì)量造成負(fù)面影響[15]。還有一個可能的原因是刮刀與試樣的局部突出表面之間、與金屬粉末之間的摩擦作用使刮刀下表面產(chǎn)生不均勻的磨損,銑削試樣上表面至基準(zhǔn)面高度后,在下一次鋪粉時這些刮刀磨損位置下的局部粉層厚度會高于設(shè)定值,此時工藝條件出現(xiàn)偏離,激光能量不足以完全融化這些位置的粉末,導(dǎo)致銑削層附近產(chǎn)生孔隙缺陷。值得注意的是在能量密度較低的情況下,由于缺陷較多,上述因素對致密度的影響不易觀察到,而如何避免或消除這些因素的不利影響,需要進(jìn)一步的研究。

(a)光學(xué)顯微鏡下的圖像

3.2 殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力的測試結(jié)果如圖7所示,采用單一SLM工藝的試樣的殘余應(yīng)力沿高度方向整體呈現(xiàn)出“拉-壓-拉”的分布方式,而且頂部的拉應(yīng)力水平稍高于底部。在相同的能量密度下,HASM工藝制件的應(yīng)力水平要低于SLM工藝,具體為:SLM應(yīng)力范圍分別為(-18.28～+52.25)MPa、(-38.81～+75.77)MPa和(-65.17～+64.89)MPa,而HASM工藝制件的應(yīng)力范圍分別為(-12.37～+42.75)MPa,(-21.24～+62.70)MPa,(-52.65～+85.10)MPa。

(a)能量密度100 J/mm3

目前有兩種機理可以解釋SLM加工中零件上層呈現(xiàn)拉應(yīng)力而下層呈現(xiàn)壓應(yīng)力的成因,一種是熔道形成和快速冷卻引起的溫度梯度(temperature gradient mechanism),激光掃描過的區(qū)域在冷卻收縮過程中受到先前已成形固態(tài)材料的約束,從而在這些近表面區(qū)域產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力,而同時在激光掃描路徑上一定深度內(nèi)的已成形材料將經(jīng)歷一個重新熔化和重新凝固的過程。經(jīng)歷多層成形后,壓應(yīng)力在樣件內(nèi)部出現(xiàn)并累積,與近表面附近分布的拉應(yīng)力形成平衡；另一種機理是相鄰層之間在完全冷卻前存在的溫度差(cool-down mechanism),由于下層的初始溫度要低于上層,在共同冷卻過程中,上層的自由收縮受到下層限制而形成拉應(yīng)力,而下層也同時受到上層的影響而趨于形成壓應(yīng)力[16]。另外,試樣底部也呈現(xiàn)出了拉應(yīng)力狀態(tài),這是由于冷卻和約束條件的影響,基板的熱傳導(dǎo)作用使試樣底部在成形過程中的冷卻速度比起頂部更快,而且基板的剛性約束作用也更強,因此在成形試樣底部時會比在成形頂部時產(chǎn)生更高的拉應(yīng)力,這時雖然存在著前述的應(yīng)力隨層數(shù)累積并重新平衡的效應(yīng),但并最終沒能使試樣底部的拉應(yīng)力完全轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。

實驗結(jié)果還表明,對于單一SLM工藝成形的樣件,致密度較低的樣件殘余應(yīng)力水平也較低。這是由于在組織孔隙缺陷較多的情況下,試樣的內(nèi)部材料相互約束作用小,更容易變形,從而降低了殘余應(yīng)力水平[17]。此外,在相同的能量密度下,采用HASM工藝的樣件的應(yīng)力水平更低,主要原因是銑削工藝的加入引入了新的應(yīng)力[18]。干式銑削加工對加工表面的影響包括機械效應(yīng)和熱效應(yīng),機械效應(yīng)一般形成壓應(yīng)力,熱效應(yīng)一般形成拉應(yīng)力,具體加工條件決定了哪種效應(yīng)占優(yōu)勢。另一個可能原因是SLM成形的金屬材料在銑削時引起零件部分變形而釋放了部分內(nèi)應(yīng)力[19],從而降低了殘余應(yīng)力水平。減材加工時的這兩種機理引起了試樣應(yīng)力分布的改變,在本實驗條件下,兩者的綜合作用降低了殘余應(yīng)力水平。

4 結(jié) 論

在激光選區(qū)熔化/干式銑削復(fù)合加工平臺上分別采用單增材工藝和增減材復(fù)合加工工藝制備了316L不銹鋼試樣,研究了在不同能量密度下增減工藝交互作用對試樣致密度、殘余應(yīng)力的影響。

兩種工藝制件致密度均受到激光能量密度的影響。能量密度在100～150 J/mm3的取值范圍內(nèi),致密度隨能量密度的增加而提高。在激光能量密度取值為100 J/mm3和125 J/mm3時,增減材復(fù)合工藝比單SLM工藝制件致密度分別高出2.2 %和1.5 %,此時在增材過程中加入減材工藝減少了試樣孔隙缺陷；在激光能量密度取值為150 J/mm3時,兩種工藝制件的致密度十分接近。

采用兩種加工方法制造的試樣在高度方向上整體均呈現(xiàn)“拉-壓-拉”的應(yīng)力分布形態(tài)。在激光能量取值125 J/mm3的情況下,兩種工藝制件的殘余應(yīng)力水平相差最大,此時增減材復(fù)合加工的最大殘余壓應(yīng)力比單SLM工藝低17.57 MPa,最大殘余拉應(yīng)力低13.07 MPa。