GH3536合金的激光增減材復合3D打印工藝試驗研究＊

2022-09-25 06:38:28杜新未王敏杰魏兆成郭明龍戚文軍王金海

模具制造 2022年8期

杜新未，王敏杰，魏兆成，郭明龍，戚文軍，王金海

（1.大連理工大學模塑制品教育部工程研究中心，遼寧大連 116024；2.廣東漢邦激光科技有限公司，廣東中山 528427）

1 引言

激光選區熔化（SLM）打印零件過程中，存在部分未完全熔化的粉末粘附在側表面形成掛渣的現象[1～3]。這些掛渣會影響零件的尺寸精度和表面粗糙度值，一般只能通過噴砂、拋光等后處理工序進行去除，而部分結構復雜的零件內部的掛渣，即使采用后處理工序也無法去除。這不僅影響零件的生產效率和打印成本，而且也限制了SLM的應用范圍[4]。

為解決此類問題，研究者提出了將SLM與數控銑削加工相結合的增減材復合制造技術。Du等結合SLM與精密銑削技術[5]，對18Ni300馬氏體時效鋼進行增減材復合制造，發現與鍛造和SLM相比，增減材復合制造的零件具有更好的表面質量和更高的硬度。Philipp Wüst等采用正交法[6]，優化了增減材復合制造銑削過程中的切削速度、每齒進給量和徑向切削深度等工藝參數，認為徑向切削深度是對表面質量影響最大的參數，優化后的側表面粗糙度值降低了23.1%。Bai等研究了6511馬氏體不銹鋼的增減材復合制造工藝[7]，發現當軸向銑削深度為0.1mm時，表面粗糙度值達到最低值0.32μm，此時刀具會對試件表面產生超過500MPa的壓應力。SLM與數控銑削加工相結合的增減材復合制造技術，盡管已經應用于實際生產[8]，但由于刀具尺寸的限制及銑削力的存在，使其難以加工具有薄壁和微孔等結構的零件。

Yasa等提出了一種新的增減材復合制造思路[9]，即在SLM設備上，采用Nd：YAG激光器的連續模式進行增材打印，采用脈沖模式進行減材加工，這種增減材復合3D打印工藝可以提高SLM的精細加工能力，但是長脈沖激光對零件側表面的加工存在一定的局限性。

因此，本文采用SLM與皮秒激光切割相結合的激光增減材復合3D打印工藝，針對GH3536合金，研究了皮秒激光工藝參數對打印零件尺寸精度和表面粗糙度值的影響規律，并采用這種工藝打印了薄壁、圓孔等典型幾何特征結構，以解決SLM打印零件側表面的粘附掛渣問題，提高3D打印零件的尺寸精度和表面質量。

2 激光增減材復合3D打印過程

激光增減材復合3D打印過程如圖1所示，打印設備配備兩種激光器，一種是用于SLM增材打印的連續激光器，另一種是用于減材加工的皮秒激光器。打印時采用圖2所示“實體+輪廓”的掃描策略，先使用連續激光依次打印實體和輪廓兩部分，再使用皮秒激光對打印層邊緣進行高精度切割，去除粘附在側表面上的掛渣，如圖3所示。然后升降平臺下降，鋪粉輥進行鋪粉，重復上述過程，直至零件打印完成。

圖1 激光增減材復合3D打印過程示意圖

圖2 SLM掃描策略示意圖

圖3 皮秒激光切割示意圖

3 實驗條件

3.1 實驗設備

實驗設備采用廣東漢邦激光科技有限公司自主研發的LACM-100T打印機，如圖4所示。設備配備有200W功率連續激光器，激光器發射波長為1,070nm；平均功率為50W的皮秒激光器，激光器發射波長為1,030nm，脈沖持續時間為1～3ps，重復頻率為1,800KHz，最大單脈沖能量為25μJ。設備的最大打印尺寸為105×105×100mm。

3.2 實驗材料

實驗材料選用中天上材制造有限公司制備的氣霧化GH3536合金粉末，粉末的微觀形貌如圖5所示，化學成分如表1所示。粉末的粒徑分布為φ15～φ65 μm，成球形或近球形狀，表面有少量衛星球。

圖4 LACM-100T打印機

圖5 GH3536合金粉末形貌

表1 GH3536合金粉末的化學成分 %

3.3 工藝參數設置

在SLM打印過程中，影響零件打印尺寸精度和側表面粗糙度值的因素，主要有輪廓打印的激光功率、光斑補償、掃描速度、鋪粉厚度和輪廓掃描次數。而皮秒激光切割的激光單脈沖能量、掃描速度、掃描次數和重復頻率等工藝參數，才是影響激光增減材復合3D打印最終尺寸精度和側表面粗糙度值的重要因素。已有研究表明[10～11]，通過優化輪廓打印的工藝參數，難以解決零件表面掛渣對打印尺寸和側表面質量的影響問題。

因此，本研究首先確定如表2所示的SLM打印工藝參數。主要研究皮秒激光切割過程中單脈沖能量、掃描速度和掃描次數對打印尺寸和側表面粗糙度值的影響，具體工藝參數設置如表3所示。打印試樣尺寸為10×10×10mm。

表2 SLM打印工藝參數

表3 皮秒激光切割工藝參數

3.4 測試方法

采用游標卡尺，測量打印試樣水平X方向的打印尺寸，每個試樣測量3次求平均值。

采用Dumon TR200粗糙度測量儀，測量打印試樣的側表面粗糙度值，每個試樣測量5次求平均值。

采用SOBEKK EPS500影像儀，觀察薄壁和小孔結構的形貌并測量尺寸。

4 激光增減材復合3D打印的尺寸變化

通過SLM打印和激光增減材復合3D打印的試樣如圖6所示，SLM打印試樣的側表面粘附有一層掛渣，而激光增減材復合3D打印試樣側表面粘附的掛渣則已經被去除。

圖6 打印試樣上表面及邊緣

4.1 單脈沖能量對打印尺寸的影響

當皮秒激光的掃描速度為1,000mm/s和掃描次數為10次時，單脈沖能量對打印尺寸影響的試驗結果如圖7所示。隨著單脈沖能量的提高，打印尺寸減小。當單脈沖能量較低時，切割后的尺寸無明顯減小，這是因為過低的單脈沖能量，并未使皮秒激光的能量密度達到材料的燒蝕閾值，無法去除側表面表粘附的掛渣。當單脈沖能量≥7.5μJ時，即達到了材料的燒蝕閾值，粘附在側表面的掛渣可以被去除，打印尺寸減小。隨著單脈沖能量的進一步提高，當單脈沖能量≥17.5μJ時，燒蝕反應增強，材料去除量變大，打印尺寸進一步減小。

圖7 單脈沖能量對打印尺寸的影響

4.2 掃描速度對打印尺寸的影響

當皮秒激光的單脈沖能量為17.5μJ和掃描次數為10次時，掃描速度對打印尺寸影響的試驗結果如圖8所示。隨著掃描速度的提高，打印尺寸增大。掃描速度大于1,500mm/s之后，試樣尺寸無明顯變化。這是因為掃描速度較低時，激光對單位面積內材料的燒蝕時間較長，材料去除量較大。掃描速度超過一定值后，掃描速度對材料去除量的影響減小，所以尺寸無明顯變化。

圖8 掃描速度對打印尺寸的影響

4.3 掃描次數對打印尺寸的影響

當皮秒激光的單脈沖能量為17.5μJ和掃描速度為1,000mm/s時，掃描次數對打印尺寸影響的試驗結果如圖9所示，打印尺寸隨著掃描次數的增加略有減小。

圖9 掃描次數對打印尺寸的影響

5 激光增減材復合3D打印的側表面粗糙度值

通過SLM打印和激光增減材復合3D打印試樣的側表面形貌如圖10所示，SLM打印的試樣側表面因粘附有未完全熔化的粉末顆粒形成掛渣,導致其表面質量較差。采用激光增減材復合3D打印，試樣側表面粘附的掛渣被去除，表面質量提高。

圖10 打印試樣側表面形貌

5.1 單脈沖能量對側表面粗糙度值的影響

當皮秒激光的掃描速度為1,000mm/s和掃描次數為10次時，單脈沖能量對側表面粗糙度值影響的試驗結果如圖11所示。隨著單脈沖能量的提高，側表面粗糙度值減小。當單脈沖能量較低時，與SLM相比，表面粗糙度值變化不大。一方面是因為單脈沖能量過低，未達到材料燒蝕閾值，無法去除側表面粘附的掛渣；另一方面是因為即使達到材料的燒蝕閾值，較低的單脈沖能量燒蝕能力較弱，殘留掛渣較多。隨著單脈沖能量的提高，激光燒蝕能力加強，大量掛渣被去

圖11 單脈沖能量對側表面粗糙度值的影響

5.2 掃描速度對側表面粗糙度值的影響

當皮秒激光的單脈沖能量為22.5μJ和掃描次數為10次時，掃描速度對側表面粗糙度值影響的試驗結果如圖12所示。隨著掃描速度的提高，側表面粗糙度值呈先降低后升高趨勢。這是因為當掃描速度較低時，激光燒蝕掛渣時間較長，熱影響區變大，使得切割后的部分金屬熔化形成小液滴粘附在側表面，表面粗糙度值較大。隨著掃描速度的提高，激光與側表面接觸時間變短，熱影響區減小，切割表面較平整，表面粗糙度值降低。當掃描速度為1,000mm/s時，表面粗糙度值達到最低。隨著掃描速度的進一步提高，激光對側表面掛渣的燒蝕時間進一步縮短，表面殘留掛渣變多，表面粗糙度值隨之增加。

圖12 掃描速度對側表面粗糙度值的影響

5.3 掃描次數對側表面粗糙度值的影響

當皮秒激光的單脈沖能量為22.5μJ和掃描速度為1,000mm/s時，掃描次數對試樣側表面粗糙度值影響的試驗結果如圖13所示。隨著掃描次數的增加，側表面粗糙度值先減小，達到一定的掃描次數之后，側表面粗糙度值趨于穩定。SLM是逐層打印，每打印完一層，輪廓邊緣都會粘附掛渣。隨著掃描次數的增加，皮秒激光切割不僅可以去除當前打印層邊緣的掛渣，還可以去除相鄰層新附著的掛渣，從而降低表面粗糙度值，直至穩定。