1 引言

金属选区激光熔化(SLM)通过激光逐层熔化粉末而立体成形^[1],由于其独特的成形理念与优势,近几年来在单件小批量难加工零件中有着越来越多的应用需求^[2-3]。但SLM工艺参数对产品性能具有直接影响,尤其是工艺参数之间的匹配要求比较高,否则会导致成形件的微观结构、致密度、力学性能等出现差异,甚至形成制造缺陷,如气隙^[4]、翘曲^[5]、裂纹^[6]、几何误差^[7-8]等,进而导致成形件的质量降低或成形失败。在目前的SLM应用中,工艺匹配选择难度大,很多生产应用中需要多次调配实验参数,甚至会出现难以匹配到合适的工艺序列而不得不放弃采用该制造工艺成形零件的情况。文献[ 9]指出,影响产品性能的工艺参数有130多个,但最主要的影响参数有激光功率、扫描速度、层厚、激光吸收率、搭接率。研究发现,这些工艺参数不匹配首先会形成不均衡的温度场,导致产生较大的温度梯度,进而引起较大的热应力或内应力,这些应力在成形件冷却凝固后即为残余应力,这是一般成形缺陷的主要起因。目前已有很多文献报道了工艺参数的选择及其对应的基本力学性能,但不同工艺参数对应的熔池状态及成形件中热应力的规律仍不明朗。

2009年,陈光霞等^[10]通过实验分析了激光功率、扫描速度、搭接率对SLM成形件表面粗糙度的影响,得到了搭接率对表面粗糙度影响最大,且在搭接率约为30%时表面粗糙度最小的结论。2012年,王黎等^[11]通过实验研究了316L粉末的物理性能对SLM成形件的影响,得到了小粒径粉末的成形性能更好的结论。2016年,王沛等^[12]对SLM成形316L不锈钢的组织进行了研究,结果发现:随着激光功率逐渐增大,孔洞缺陷和裂纹都明显减少,致密度逐渐提高;但随着扫描速度和扫描间距逐渐增大,孔洞及裂纹缺陷开始增多,致密度逐渐降低。2017年,闫程程等^[13]通过实验研究了采用SLM工艺成形316L不锈钢时激光功率、搭接率、扫描方式的选择,并认为在大激光功率下,采用搭接率为30%,且扫描方式为跳转变向加工的试样的组织更细小。2018年,黄建国等^[14]研究了激光功率、扫描速度和扫描间距等工艺参数对SLM成形TC4合金件微观组织及力学性能的影响,并得到了较优的一组工艺参数。

许多学者还通过实验对SLM工艺参数的选择进行研究,并尝试了不同工艺参数下的热应力仿真研究。2014年,Wu等^[15]通过实验研究了316 L不锈钢棋盘式扫描孤岛面积对残余应力的影响,并比较了激光功率和扫描速度的影响,得到了面积越大应力越大的结论。2016年,Liu等^[16]通过实验研究了SLM成形件的组织和残余应力,结果表明,在相同的激光功率下,扫描速度越慢,残余应力越大;扫描轨迹越长,残余应力越大。2017年,Yan等^[17]经过研究后发现,H13成形件具有较高的残余压应力,这与激光粉末沉积冷却的时间有关,冷却时间越长,残余应力越大。2010年,Zaeh等^[18]对单道多层试样进行了仿真,研究了4种扫描策略对温度场和残余应力的影响。2016年,Vastola等^[19]采用有限元模拟获得了光束尺寸、粉末密度、基板预热对应力的影响,认为基板预热可大幅降低SLM成形件中的残余应力。2017年,Somashekara等^[20]采用有限元APDL语言对三种填充方式的一层三道双丝焊接进行了数值模拟,然后采用X射线衍射实验测量了三种模式下成形件中的残余应力,并将其与仿真结果进行了对比,尽管测量结果与仿真结果存在较大误差,但仿真可以提供初步的预测。

综上可见,对于工艺参数的研究,从单一参数分析发展到了多参数混合分析,而且残余应力分析也从实验研究发展到了仿真研究^[21]。采用实验研究工艺参数对成形件中残余应力的影响时,不会系统地给出各参数的影响规律,只是单一地考虑某一因素,或者将多个参数混合在一起进行实验,得到的是较为有限的几组工艺参数的笼统分析,只能在有限的实验方案下选择较优的一组工艺参数,不能清楚地分析其各参数对性能的影响。而有限元仿真限于目前的仿真模型网格粗大、仿真模型的层道数有限,很难进行多工艺参数的匹配仿真,而且仿真试样计算精度较低,不能较为准确地反映工艺参数的实际热力影响。基于此,本文首先通过分组实验方案,在三种激光功率下以不同的扫描速度和扫描方式制备SLM试样,并分别对三种功率参数下成形的试样按梯度进行多层残余应力的测量,并分别对三种功率参数下的成形试样按梯度进行残余应力多层测量、熔池形貌观察,以及激光功率的热力学理论分析,从而为实际生产提供理论借鉴。

2 实验方法

2.1 成形方式及工艺参数

以316L不锈钢粉末为原料,采用成形设备SLM 280进行SLM成形实验。316L不锈钢粉末颗粒如图1所示,粒度为20~50 μm,主要的成形工艺参数如表1所示。在3种激光功率参数下搭配不同的扫描速度和扫描方式,以使实验结果具有普适性,共设计了6组可变参数的工艺方案。不变参数设置如下:层厚统一为50 μm,激光搭接率为20%,光斑直径为0.1 mm,激光吸收率为0.7,基板初始温度为室温。成形后的试样连同基板如图2所示,为了保证后续测量结果的可靠性,在每一组工艺参数下制备三个试样,每组参数下的试样有两种尺寸,其中两个试样的尺寸为6 mm×4 mm×2 mm,另一个试样尺寸为Ф 5 mm×2 mm。

图 1. 316不锈钢粉末颗粒

Fig. 1. 316 stainless steel powder

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图 2. SLM成形试样(在基板上)

Fig. 2. Samples after SLM forming (on the substrate)

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2.2 测试方法

试样的微观形貌测试采用HIROX KH-1300 3D光学显微镜进行,对成形截面进行熔池形貌的采集(图3中的xoz平面)。应力测试实验采用XSTRESS3000 X射线残余应力分析仪(Mn靶)进行。为了保证试样成形后的残余应力不受影响,并且对成形后热应力测量的一致性,试样在基板上成形后直接进行残余应力测试,以避免应力的释放与变化。图4所示为残余应力测试平台,测试偏转角为20°~160°。采用饱和NaCl溶液自动腐蚀的方法,从试样表面向下剥层测试(图3中xoy平面),在层厚方向上每间隔0.1 mm剥离一层,共剥离6层,即每个试样从上表面向下共计7个测试点。测试方法及坐标方向标记如图3所示,每个试样在中心位置进行测试,反复测试3次取平均值,将平均值作为当前层的残余应力值。因同一测试点在0°(x向)与90°(y向)有近似的规律^[16],所以本文多点剥层测试值主要对0°方向的应力进行统计。

图 3. 测试方法CAD图

Fig. 3. Test methods represented by CAD drawings

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图 4. 残余应力测试平台

Fig. 4. Residual stress test platform

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3 实验结果及讨论

每组工艺参数下成形三个试样,对其中的一个进行线切割,观察熔池形貌,其他两个试样不作任何处理,直接进行残余应力的测试。

3.1 激光功率对凝固熔池的影响

6组参数下成形的试样在截面方向上的熔池形貌如图5所示,可见:各参数下成形的试样的熔池都为随着逐层沉积而累积的鱼鳞状分布,但熔池的尺寸相差比较明显。在分析激光功率对熔池尺寸影响时,将No.1和No.5参数、No.2和No.4参数、No.3和No.6参数下的成形试样进行对比。从图5(a)、(e)可以看出,在相同的扫描速度和扫描方式下,No.1参数(160 W)下成形试样的熔池直径约为100 μm,No.5参数(200 W)下成形试样的熔池直径约为180 μm,而且从整幅图片来看,后者的熔池直径明显大于前者。此外,从图5(b)、(d)的对比以及(c)、(f)的对比也可以明显看到,大功率下成形试样的熔池直径在相同的扫描速度和扫描方式下都大于小功率下成形试样的熔池直径,即三种功率下成形试样的熔池直径R具有如下规律:R(240 W)>R(200 W)>R(160 W)。此外,随着熔池直径增大,按照原设置的扫描间距的激光搭接率已经随熔池直径的大小发生了改变:随着功率变大,熔池的直径变大,激光搭接率也相应变大。

图 5. 不同工艺参数下SLM成形试样在截面方向上的熔池形貌。(a) P=160 W,v=600 mm/s, 棋盘式扫描(No.1);(b) P=160 W,v=600 mm/s, 条纹扫描(No.2);(c) P=200 W,v=800 mm/s, 条纹扫描(No.3);(d) P=200 W,v=600 mm/s, 条纹扫描(No.4);(e) P=200 W,v=600 mm/s, 棋盘式扫描(No.5);(f) P=240 W,v=800 mm/s, 条纹扫描(No.6)

Fig. 5. Morphologies of molten pool cross section of SLM formed samples for different process parameters. (a)P=160 W, v=600 mm/s, chess scanning (No.1);(b) P=160 W, v=600 mm/s, stripe scanning (No.2); (c) P=200 W, v=800 mm/s, stripe scanning (No.3); (d) P=200 W, v=600 mm/s, stripe scanning (No.4); (e) P=200 W, v=600 mm/s, chess scanning (No.5); (f) P=240 W, v=800 mm/s, stripe scanning (No.6)

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3.2 激光功率对残余应力的影响

在分析激光功率对残余应力影响时,也将No.1和No.5参数、No.2和No.4参数、No.3和No.6参数下的成形试样进行对比,对不同剥层高度下的测试结果分别进行统计,结果如图6所示。曲线图中的横坐标为从表面层2.0 mm高度位置向里每间隔0.1 mm的剥层位置,共计7个测试点;纵坐标反映当前测量层残余应力的测量平均值(每层取3个测试点进行测量,见图3中带圆圈数字的标记)。

由图6(a)可知,No.1和No.5这两组参数具有相同的扫描速度(v=600 mm/s),均为棋盘式扫描路径,功率分别为160 W和200 W,后者(200 W)成形试样各层的残余应力的均值均大于前者(160 W)。进一步分析图6(b)可以看出,在相同的扫描速度(v=600 mm/s)和相同的扫描路径(条纹式)下,No.4参数(200 W)成形试样各层的残余应力均大于No.2参数(160 W)下成形试样各层的残余应力。从图6(c)可以看出,在相同的扫描速度(v=800 mm/s)和相同的扫描路径(条纹式)下,No.6参数(240 W)成形试样各层的残余应力均大于No.3参数(200 W)下成形试样各层的残余应力。由此可以得到一个一般性的规律:在其他工艺参数相同的条件下,较大的激光功率成形的SLM试样中的残余应力越大。从不同参数下SLM成形试样中多层残余应力平均值的箱线(图7)可以看出,功率越大,对应的残余应力也越大。

将6组参数下成形试样的熔池直径与平均残余应力统计于表2,可见:160,200,240 W这三种激光功率在不同的参数方式下都有相近的变化规律,这充分证明了实验结果的一致性。

图 6. 不同工艺参数下SLM成形试样中的残余应力比较。(a) No.1与No.5;(b) No.2与No.4;(c) No.3与No.6

Fig. 6. Comparison of residual stresses in SLM formed samples with different process parameters. (a) No. 1 and No. 5; (b) No. 2 and No. 4; (c) No. 3 and No. 6

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图 7. 不同工艺参数下SLM成形试样中平均残余应力的箱线图

Fig. 7. Average residual stress boxplots of SLM formed samples for different process parameters

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3.3 激光功率影响的热力学分析

因为SLM激光热源是高斯热源模型,根据高斯热源热流密度的定义^[22],从中心向外的最大热流密度以指数形式衰减,即

q=q0exp-2r2ω2,(1)

式中:q为热流密度,单位为J/(m²·s);q₀为光束中心位置处的最大能流密度(r=0);r为到光束中心的距离;ω为光束半径。

根据最大能流密度的定义

q0=2PAπω2,(2)

可知

q(r)=2APπω2exp-2r2ω2,(3)

式中:P为激光功率,单位为W;A为粉末材料的吸收率,用1减去材料的反射率和光的透射率即可得到(一般情况下取316L不锈钢粉末的吸收率为0.7)。

根据能流密度的定义(单位时间t内通过物体单位横截面积上的热量Q),可得到

q(r)=QS·t=kΔTdr,(4)

式中:k为热导率,单位为W/(m·K);ΔT为高温端到低温端的温度差,单位为K;d_r为当前层的材料厚度,单位为m; ΔTdr为温度梯度;S为热量流通的面积。因此, ΔTdr= 2APkπω2×exp -2r2ω2,即

ΔTdr∝P。(5)

在温度场分布已知的情况下,根据热应变的描述^[23]

εth=αeΔT,(6)

对于整个热弹塑性体有

{εii}={εf}+{εth},(7)

即

εii∝σii∝T,(8)

式中:ε^th为热应变;α_e为热膨胀系数;ε^f为受力应变;ε_ii为三维弹塑性应变。由此可以得到,在激光熔融时,在相同的扫描速度下(即在相同的时间内),功率大,则产生的热量传导与辐射等的范围大,即熔池的尺寸大。此外,在材料热导率一定的情况下,功率大,则温度梯度大,温度更高,这会使得在相同的散热速率下,金属颗粒熔融持续的时间略长,故而金属原子的运动更加充分剧烈,不同的原子运动速率导致晶体排列的晶面夹角及晶界间距差异大^[23],快速冷却后,较高的温度梯度使金属原子来不及到达一种新的平衡位置,所以凝固后的晶面夹角及晶界间距是一种杂乱无章的状态^[24],导致在热作用下残留了内应力,即热应力^[23]。因为激光运动的速度远大于冷却速率,所以当前一个整层接近于整体熔融再冷却,又由于边缘较中间位置的冷却速度大,故而最终形成了以最慢传热点为中心、边缘受拉、中心受压的应力分布^[20],待整体试样冷却后即为残余应力。棋盘式扫描路径的长度为2 mm,而条纹式扫描路径的长度为4~6 mm,进一步结合图6与图7可知,在相同的功率和扫描速度下,短扫描路径下成形试样的残余应力明显小于长扫描路径下成形试样的残余应力,可见,在满足SLM成形温度的前提下,应优先选择低功率与短扫描路径的工艺方案,以减小热应力。

4 结论

对6组SLM工艺参数下成形试样的熔池形貌与残余应力进行了分析。为了保存应力的完准性,在不去除基板的情况下直接进行自动腐蚀剥层的残余应力测试。得到的主要结论如下:1)随着激光功率增大,热流密度增大,单位体积内的温度梯度增加,温度升高,形成的熔池尺寸较大,从而影响了熔池的实际搭接率。2)残余应力是由熔池温度和熔池大小等熔池特性的过大温度梯度造成的,激光功率越大,试样中的残余应力越大;可以通过合理的工艺参数匹配有效减小残余应力,在实际的SLM成形中,应根据粉末材料的属性,以达到熔池特性参数为参照进行合理的工艺参数设计。3)在满足材料属性的熔池条件下,SLM工艺参数的设计应尽可能选择较低的激光功率,提高扫描速度,缩短扫描轨迹,只要参数相互匹配使熔池的温度梯度合理,就不会出现应力过大或成形缺陷,也不会出现熔融不透、组织球化等现象。