1　引言

选择性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）用于成型3D复杂结构金属部件，具有设计自由度高、生产工序短且不需要多组件拼装等显著优势^［1-18］，在航空、航天、医疗、工业模具等行业中有广泛的应用。热作模具钢H13在高温工作条件下具有高强度、高硬度和可靠的热疲劳性能^［3-10］，在工业模具尤其是压铸领域发挥着重要作用。一体化的内部随形冷却结构贴近工作表面，可以提高冷却效率，通过精确控制冷却时序，从而得到较好性能的终端产品，适用于压铸模具^［3-6］。但是，传统加工方式，例如数控加工和电火花加工，对于制造内部含有弯曲冷却流道的模具是无能为力的^［4］。

SLM技术为成型复杂结构的H13随形冷却模具提供了独特的解决方案，特别是对于含有~mm量级直径的复杂流道的模具。国内外学者针对模具钢H13材料的SLM成型进行了大量研究^［3-10］。Mertens等^［3］自主开发了具有100~400 °C基板预热功能的SLM系统，400 °C预热产生了均匀的贝氏体结构，且成型试样具有较好的力学性能。Wang等^［4］使用EOS SLM-M280设备，系统性地研究了SLM成型H13样块，结果显示，SLM成型样块在热加工应用中的抗软化变形的能力相当好。Kurzynowski等^［5］研究了扫描面积、扫描策略及支撑结构对成型H13样块相对致密度的影响，发现小面积（4 mm×5 mm）棋盘式扫描有助于防止柱状孔隙的发展。Lee等^［6］研究了SLM成型H13样块在不同扫描速度（200~800 mm·s^-1）情况下，硬度、内部缺陷、微观结构、拉伸性能和疲劳性能之间的关系，发现在较慢的扫描速度（200 mm·s^-1）下可以获得较小尺寸的气孔和较好的拉伸强度。郑东来^［7］使用SLM Solutions 125HL设备并通过优化工艺参数，提高了H13样块的相对致密度，并研究了后处理退火对残余应力的影响。田杰^［8］使用HBD SLM-150设备成型了H13样块，并研究了工艺参数对样块相对致密度、硬度和强度的影响，发现后处理回火改善了组织均匀性，并提高了样块的抗拉强度和伸长率。Tang等^［9］利用数值模拟预测了SLM成型H13过程中的温度场和熔池形态，讨论了基体-粉末模型、全粉末模型和部分-固体模型下预热温度对熔池尺寸的影响。Laakso等^［10］使用SLM Solutions 125HL设备成型了SLM样块，测量了不同优化参数下的孔隙率，并自主开发了多尺度模型工具包，模拟了SLM过程中孔隙的产生，软件预测结果与实验结果相符。

但是，常规SLM技术用于制造模具时扫描速度（<1000 mm·s^-1）和成型效率（<20 cm³·h^-1）较低，导致模具的生产周期较长。另外，常规SLM成型过程中的快速局部加热和冷却易导致H13成型区域产生快速交变的热应力、不均匀的组织结构甚至变形和裂纹，影响成型的稳定性和后续使用^［3］，而采用连续高温预热^{［3，11-16］}可以有效防止SLM成型过程中出现裂纹和局部翘曲。

本文基于自主研发的Wanfeng Artisan-SLM250高温选择性熔化系统，创新地提出了复合光斑技术，即将光纤激光和半导体激光正交合束，使其在成型腔工作平面上进行聚焦，其中半导体激光大光斑高速扫描预热粉末，紧接着光纤激光小光斑以同样的速度扫描熔化粉末。在250 °C基板预热情况下，当铺粉层厚度为40~60 μm，扫描速度为1800~2500 mm·s^-1时，分别使用单光斑和复合光斑进行了高速成型实验研究。通过调整复合光斑配置，获得的成型H13材料的最高致密度超过光纤激光单光斑成型结果，结合实验研究结果，从能量输入的角度定性分析了复合光斑的作用。

2　实验方法

本文使用自主研发的Wanfeng Artisan-SLM250选择性激光熔化系统［图1（a）］，最大成型尺寸为250 mm×250 mm×300 mm，采用上送粉方式，固定料斗最大可装载约70 kg的H13粉末，并可通过安装辅助替换料斗，实现连续生产。成型腔如图1（b）所示，在成型腔下部和中部设置独立的吹风排风管道，并安装独立净化罩，在顶部透射激光的窗口镜周围安装聚拢式保护气帘。通过外部过滤系统和杜瓦罐（液氩体积分数为99.999%），向成型腔内充入氩气以降低氧含量，并持续清除成型过程中产生的烟尘，系统稳定工作时成型腔的氧含量（体积分数）低至~10^-5，保护气体氩气的流量大于45 m³·h^-1。

图 1. Wanfeng Artisan-SLM250选择性激光熔化系统。（a）外观图；（b）成型腔

Fig. 1. Wanfeng Artisan-SLM250 SLM system. (a) Overall; (b) chamber

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复合光束系统中熔化光斑的光源使用最大输出功率为1000 W、波长为1070 nm的IPG近红外连续光纤激光器，光束质量因子（M²）约为1.05。预热光斑的光源采用最大输出功率为1000 W、波长为915 nm的锐科近红外连续半导体激光器。两束激光各自经过准直器，正交入射到自主研发的合束器中，其中45°镜片出光侧表面镀有波长为915 nm的增反膜，镜片两侧表面都镀有波长为1070 nm的增透膜，复合激光光斑合束器的原理示意图如图2所示。两束激光通过45°镜合束，并入射到RayLase振镜上，然后被场镜聚焦并从成型腔顶部窗口镜透射，在工作平面上产生的熔化光斑［图3（a）］的实际直径约为68 μm，预热光斑的直径约为2.7 mm［图3（b）］，熔化光斑的瑞利长度约为3 mm［图3（c），设聚焦平面下方距离为正］。通过合束器调整工作平面上复合光斑中熔化光斑与预热光斑之间的相对位置，图3（b）显示熔化光斑处于预热光斑的左侧圆周处。

图 2. 复合激光光斑合束器的原理示意图

Fig. 2. Principle diagram of beam combiner for hybrid laser spot

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图 3. 激光光斑的形状和直径。（a）熔化光斑；（b）预热光斑和它与熔化光斑的相对位置；（c）离工作平面不同距离的光纤激光光斑直径

Fig. 3. Shape and diameter of laser spot. (a) Spot for melting; (b) spot for preheating and its position relative to spot for melting; (c) diameter of fiber laser spot versus distance away from working plane

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为了实现加热功能，在基板下方安装自主设计的螺旋电阻加热器（侧方和下方包覆保温材料），最大功率约为800 W，利用电控热电偶测温并实时控制基板温度（最高设置温度可达400 °C），通过预热实现保温和缓冷，防止H13材料在成型过程中出现裂纹和局部翘曲。

工艺实验使用的粉末材料是长沙骅骝H13模具钢气雾化粉末，粒径范围为15~53 μm，平均粒径为31 μm，含碳量（质量分数）约为0.3%。在循环使用粉末前，利用筛网进行筛分，并使用真空加热炉烘干。基板使用双面磨平的退火态H13模具钢，硬度为210~220 HV，使用退磁器进行消磁处理，并使用分析纯的无水酒精清洗基板表面以去除油渍。

为了确定工作平面的位置和光斑尺寸，使用激光光斑测试仪（Spiricon Ophir BGP-SP928-OSI）及BeamGage Professional软件，标定激光的聚焦平面和光斑直径，结果如图3所示。另外，使用基于阿基米德原理的密度测试仪（DahoMeter DE-150ME）测量材料密度，以基板材料实测密度7.9150 g/cm3为基准，计算成型样块的相对致密度。

影响常规SLM成型的典型工艺参数包括激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉层厚、光斑直径、扫描策略、预热温度、保护气体流场结构和风量等。从能量输入的角度考虑，激光功率（P）、扫描速度（v）、扫描间距（h）与铺粉层厚度（δ）表示的体能量密度（volumetric energy density）E=Pvhδ，代表单位时间内单位体积熔化材料的能量^［17-18］。另外，本文引入复合光斑，因此关键的工艺参数还包括复合光斑中半导体激光预热光斑的直径、预热光斑与熔化光斑的相对位置、预热光斑的功率等。对于工艺实验使用的复合光斑，光纤激光在工作平面上的焦斑直径（φ）约为68 μm，半导体激光在工作平面上的光斑直径约为2.7 mm，设定扫描间距为80 μm，铺粉层厚度为40 μm和60 μm，扫描速度为1800 mm·s^-1和2500 mm·s^-1，基板加热温度为250 °C（523 K）。

对于高速扫描区间（1800~2500 mm·s^-1），扫描策略是使用180°旋转偏移扫描，如图4所示，其中n为扫描线数。每层单向扫描的起始点都在填充区域的同一侧，下层扫描时设置合适的层间偏移（为单层扫描间距的1/2），并将起始点旋转180°，避免不同层的扫描点处于同一侧，从而保证铺粉过程的稳定性。其次，扫描轨迹与气流方向正交，保证单次扫描轨迹在迎风面的投影面积最大。扫描轨迹的次序按照逆风方向进行排列，即激光扫描下一条轨迹时，激光扫描上一条轨迹产生的烟尘能够被气流吹散和抽走，从而减少激光能量的衰减并提高成型过程的稳定性。复合光斑配置如图3（b）所示，预热光斑中心处于熔化光斑中心的右侧，使得粉末局部熔化之前，材料经过充分预热。

图 4. 旋转偏移扫描策略

Fig. 4. Rotational and translational scanning strategy

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仅使用光纤激光的单光斑（熔化作用）并调节激光功率进行工艺实验，共分为4组参数：第1组，铺粉层厚度为40 μm，扫描速度为1800 mm·s^-1，激光功率为340~500 W，如表1中1-1至1-9所示；第2组，铺粉层厚度为40 μm，扫描速度为2500 mm·s^-1，激光功率为480~600 W，如表1中2-1至2-7所示；第3组，铺粉层厚度为60 μm，扫描速度为1800 mm·s^-1，激光功率为440~540 W，如表1中3-1至3-6所示；第4组，铺粉层厚度为60 μm，扫描速度为2500 mm·s^-1，激光功率为500~750 W，如表1中4-1至4-5所示。根据单光斑的4组工艺参数，使用不同的复合光斑预热功率和配置，进行复合光斑工艺实验。另外，分别使用单光斑和复合光斑的不同工艺参数，成型尺寸为32 mm×32 mm×8 mm的样块，并进行致密度测试。

3　实验结果及分析

3.1　单光斑工艺参数的影响

表1显示了模具钢H13的成型工艺参数和相对致密度。图5显示了表1中4组不同典型参数下1-8、2-5、3-5和4-4成型样块图。图6是成型致密度与单光斑功率的散点图。整体而言，在每组工艺参数中，致密度都随着激光功率的增加而增加，直到致密度达到最高点，然后随着激光功率的继续增加而降低。实验中具体表现为，致密度达到最高点后，继续增加激光功率，成型表面出现大颗粒凸起，铺粉过程中刮刀有轻微剐蹭，说明高速扫描过程中功率偏高会引起成型表面过热和粉末球化。另外，各组参数下成型样块的致密度最高值排列顺序（从大到小）为第1组（98.17%）、第2组（98.04%）、第3组（97.98%）、第4组（97.93%），即在扫描速度较慢、铺粉层厚度较薄的第1组工艺参数下获得的致密度最高，说明激光-材料作用时间越长且需要熔化的材料质量越少，熔体流动越充分，未熔孔隙越少，致密度越高。

图 5. 单光斑成型样块图

Fig. 5. Samples built by individual fiber laser spot

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图 6. 致密度与单光斑工艺参数的关系

Fig. 6. Relative density versus individual fiber laser spot process parameters

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图7是成型致密度与体能量密度的散点图。对体能量密度和相对致密度进行二元数据的Pearson相关系数计算和相关性检验^［19］，结果如表2所示，可以看出，两者的相关系数为0.7844，其95%置信区间为（0.5762，0.8970），说明致密度与体能量密度总体正相关，并且从图7可知，体能量密度大于65 J·mm^-3是致密度达到98%的必要非充分条件。但也注意到，在不同铺粉层厚度和扫描速度下，即使对于相同或相近的体能量密度，样块的成型致密度也不完全相同，例如，在第1、2、3、4组工艺参数下，体能量密度相同（62.50 J·mm^-3）时，对应的成型致密度分别是97.86%、97.87%、97.96%和97.93%；在第2组和第3组工艺参数下，体能量密度相近（60.00 J·mm^-3和60.19 J·mm^-3）时，对应的成型致密度分别是97.73%和97.98%。说明对于单光斑成型，增加体能量密度是提高致密度的必要非充分条件，增加铺粉层厚度和扫描速度会导致致密度降低，但这不可能完全通过提高功率或者体能量密度来进行补偿，过高的功率会导致粉末过热而球化，致密度反而降低。

图 7. 致密度与单光斑体能量密度的关系

Fig. 7. Relative density versus volumetric energy density of individual fiber laser spot

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为了分析单熔化光斑直径对成型致密度的影响，在相同的工艺参数（铺粉层厚度为60 μm，激光功率为500 W，扫描速度为2500 mm·s^-1，扫描间距为80 μm）下，设置熔化光斑直径为68~100 μm，测量得到的致密度如表3所示。其中，原始光束经过焦距为100 mm的准直器、振镜和场镜后，在工作平面上聚焦，形成了直径约为68 μm的光斑；通过调节工作平面和聚焦场镜的长度，离焦获得了直径为83 μm和97 μm的光斑；通过将焦距为100 mm的准直器更换为焦距为75 mm的准直器，在工作平面上聚焦得到了84 μm的光斑直径。根据表3的测量结果可知，在所研究的工艺参数范围内，单熔化光斑直径的变化（68~100 μm）对致密度的影响不显著。

表4是文献中SLM成型H13材料的工艺参数和致密度数据^{［4，7-8］}，其中扫描速度为320，980，2500 mm·s^-1时，成型的最高致密度分别为98.20%、98.60%和97.13%，H13的基准密度分别为7.8，7.85，7.8 g·cm^-3。而本文使用的基板的实测密度为7.9150 g·cm^-3，表1中单光斑成型的致密度最高达到98.17%，说明自主研发的Wanfeng Artisan-SLM250系统成型的H13材料的致密度达到甚至超过部分同行的水平。

3.2　复合光斑熔化/预热光斑偏心距的影响

对于复合光斑的配置，光纤激光熔化光斑中心与半导体激光预热光斑中心的距离为熔化/预热光斑偏心距，这个参数将影响成型过程中预热和熔化能量的匹配方式。以半导体激光预热光斑的半径r为基准，定义不同的偏心距（De）。当De=0即熔化光斑中心与预热光斑中心重合时，一旦预热功率超过50 W，成型表面即出现大颗粒凸起，影响刮刀铺粉，说明熔化区域单位时间和单位空间的能量供给过高，导致粉末过热球化。因此，选择偏心距De为1/3、2/3和1倍的预热光斑半径r，在相同的熔化工艺参数（铺粉层厚度为60 μm，熔化激光功率为500 W，扫描间距为80 μm，扫描速度为2500 mm·s^-1）和不同的预热功率下，进行工艺实验，得到复合光斑熔化/预热光斑不同偏心距下致密度与预热功率的关系，如图8所示。

图 8. 复合光斑不同De下的致密度与预热功率的关系

Fig. 8. Relative density versus preheating power under different De of hybrid laser spot

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从图8可知，当De=1/3×r或De=23×r，并且预热功率超过100 W时，致密度随着预热功率的增加而降低，说明此时偏心距太小，熔化光斑和预热光斑相互作用导致表面过热，工艺参数窗口较窄，脱离稳定成型范围。当De=1×r，即熔化光斑与预热光斑的左侧圆周相切时，随着预热功率的提高，致密度增加，因此，后续工艺实验将选取De=1×r，分析复合光斑熔化/预热功率对致密度的影响。

3.3　复合光斑熔化/预热功率的影响

当复合光斑中熔化光斑与预热光斑左侧圆周相切时，考虑不同工艺参数下致密度与复合光斑熔化/预热功率的关系，其中熔化光斑的工艺参数分为4组，如表1所示，扫描间距都是80 μm，而且熔化光斑的功率范围如表1或图6所示，第1~4组工艺参数对应的致密度如图9（a）~（d）所示。

图 9. 不同工艺参数下致密度与复合光斑熔化/预热功率的关系。（a）第1组；（b）第2组；（c）第3组；（d）第4组

Fig. 9. Relative density versus melting/preheating power under different processing parameters. (a) Group 1; (b) group 2; (c) group 3; (d) group 4

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对于第1组工艺参数［图9（a）］，熔化光斑的功率范围为380~480 W，成型样块的致密度随着预热光斑功率的增加而提高，并且当预热功率提高到200~250 W时，复合光斑成型样块的致密度达到最高，其最高致密度值为98.22%，对应的熔化光斑功率为480 W，预热光斑功率为200 W；当预热光斑功率超过250 W时，成型表面出现过热而球化，导致成型过程无法正常进行。第2组工艺参数［图9（b）］相对第1组，在同样的铺粉层厚度40 μm下，扫描速度从1800 mm·s^-1提高到2500 mm·s^-1，当激光熔化功率超过560 W时，致密度随着预热光斑功率的增加而减小；当熔化功率和预热功率分别为520 W和275 W时，最高致密度达到98.11%；另外，当预热功率接近300 W时，成型样块致密度开始下降，继续增加预热功率则导致成型表面出现球化。第3组［图9（c）］与第1组的扫描速度相同，当铺粉层厚度增加到60 μm时，总体而言，致密度在相同的熔化功率下，随着预热功率的增加而增加，但当预热功率超过200 W时，成型表面出现大颗粒凸起和球化，对应的熔化功率为500 W，预热功率为200 W，获得的最高致密度为98.12%。对于第4组工艺参数［图9（d）］，同时增加铺粉层厚度和扫描速度，直到复合光斑的预热功率增加到300 W，此时成型致密度开始下降，复合光斑成型得到的最高致密度为98.04%，对应的熔化功率和预热功率分别为650 W和200~250 W。

对比4组工艺参数下单光斑和复合光斑获得的最高致密度，结果如图10所示。其中复合光斑获得的最高致密度的排列顺序（从大到小）为第1组（98.22%）、第2组（98.11%）≈第3组（98.12%）、第4组（98.04%），与3.1节单光斑成型最高致密度的排列顺序类似，仍然遵循着扫描速度较慢、铺粉层厚较薄的工艺参数获得的致密度最高。注意到，在各组工艺参数中，复合光斑获得最高致密度时的熔化功率并不一定与单光斑获得最高致密度时的熔化功率相等，前者小于等于后者，说明复合光斑的作用效果并不仅仅是预热和熔化作用的简单叠加，而是预热和熔化存在交互作用。另外，第4组工艺参数下复合光斑成型的最高致密度与第2组参数下单光斑成型的最高致密度相等，并超过第3组参数下单光斑成型的最高致密度。结合3.1节的讨论分析发现，增加铺粉层厚度或加快扫描速度导致致密度降低，这个影响虽然不能通过提高熔化光斑的功率进行补偿，但可以通过使用复合光斑并提升预热光斑的功率进行补偿。即在所研究的参数范围内，复合光斑（预热光斑+熔化光斑）的优化工艺参数在保持H13材料成型致密度不变的情况下，显著提高了成型效率。下面对复合光斑中预热光斑的作用进行定性分析。

图 10. 单光斑和复合光斑在4组参数下获得的最高致密度

Fig. 10. Highest relative densities obtained by 4 groups of parameters within individual and hybrid laser spots

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SLM过程中局部材料熔化成型的总输入能量Q等于功率密度（单位时间和单位面积的输入能量）q"在时间子域dt和空间子域ds的二重积分：

更快的扫描速度和更大的铺粉层厚度意味着更短的激光-材料作用时间内熔化更多的材料，即需要更多的有效输入能量。压缩时间子域ΔT（缩短激光-材料作用时间）会引起输入能量减少，此时不仅要提高熔化光斑的功率密度q"，也要提高预热光斑的功率密度，即展宽空间子域ΔS以增加输入能量（增大复合光斑中的预热光斑），进而进行补偿。

以复合光斑中的预热光斑作为额外的热源，其作用是预热粉末，提高局部环境温度，降低熔化区域的温度梯度和凝固速率。因为材料的致密度与孔隙率负相关，致密度越高，孔隙率越低，其中，孔隙包括欠熔合和气孔^［20-21］。欠熔合是相邻熔道或相邻沉积层之间输入能量不足导致材料没有完全熔化的现象^{［20，22］}，较快的扫描速度（>2000 mm·s^-1）和较大的粉层厚度（>20 μm）会加剧熔池的波动，导致欠熔合现象和孔隙率的增加^［23］。复合光斑中较大尺寸的预热光斑多次高速扫描粉末，可以显著提升区域周围粉末和前一沉积层（即基底）的背景温度，紧接着复合光斑中高分辨率的熔化光斑在较高的局部环境温度下熔化粉末，充分利用了材料温度较高时动力黏度降低和浸润性提高的特点^{［15，24-25］}，改善了相邻熔道和相邻层的熔合性，从而减少了欠熔合现象并提高了致密度。气孔的主要形成原因之一是SLM过程中金属材料的快速熔化和凝固导致气体卷入^{［20，22］}。熔池的凝固速率对气孔形成有着显著的影响，凝固速率过快导致熔池中形成的气体来不及逸出^{［15，22］}，而复合光斑中预热光斑引起局部环境温度提升和温度梯度降低，伴随着复合光斑高速扫描时熔化光斑的交互效应，有助于控制并降低凝固速率^［15］，便于气体在更长的时间内从熔池逸出，从而减少气孔并提高致密度。本文对复合光斑成型的工艺研究显示，采用合适的预热功率，既可以预热粉末和基底，又不会过热引起粉末球化；同时，预热光斑外侧伴随着熔化光斑，选取合适的熔化功率并充分利用较高的预热温度，形成预热和熔化交互效应，从而使得在相同的粉层厚度和扫描速度情况下，复合光斑获得比单熔化光斑更低的孔隙率和更高的致密度。

4　结论

基于自主开发的Wanfeng Artisan-SLM250系统，创新地提出了复合光斑技术，使用自主开发的光学合束器，将正交的半导体激光束和光纤激光束合并，在成型腔的工作平面上聚焦得到复合光斑，其中半导体激光大光斑预热粉末，紧接着光纤激光小光斑熔化粉末。对复合光斑高速成型模具钢H13材料进行了工艺实验研究，并将成型样块致密度作为工艺参数的评价标准，得出以下结论。

1）对于单熔化光斑，在所研究的参数范围（铺粉层厚度为40~60 μm，扫描速度为1800~2500 mm·s^-1）内，较薄的铺粉层厚度和较慢的扫描速度获得的致密度最高，而且当其他工艺参数不变时，改变单熔化光斑的直径对致密度无显著影响。

2）致密度与单光斑体能量密度正相关，但增加体能量密度是提高致密度的必要非充分条件，具体而言，增加铺粉层厚度和扫描速度会导致致密度降低，这个影响不可能完全通过提高激光功率及体能量密度进行补偿，过高的功率会导致粉末过热球化而降低致密度，甚至导致成型过程无法稳定进行。

3）复合光斑中熔化光斑（直径约为68 μm）与预热光斑（直径约为2.7 mm）相切时，更能发挥复合光斑的预热优势，获得的致密度更高。

4）相比单熔化光斑，复合光斑可以获得更高的成型致密度，而且致密度与工艺参数的关系表明复合光斑中预热与熔化存在交互效应。

5）在高速成型厚粉层时，复合光斑通过预热向粉层输入能量，即通过展宽空间子域增加输入能量，补偿压缩时间子域减少的输入能量，复合光斑的预热效果伴随着紧接的熔化过程，两者的交互效应提高了局部区域的环境温度，也减小了凝固速率，导致熔体动力黏度降低和浸润性提高，便于气体在更长的时间内从熔池逸出，有助于减少欠熔合现象和气孔，提高致密度。

未来的工作将开展更多的复合光斑高速成型工艺实验，并基于实验研究，对工艺过程的温度场进行建模分析，给出复合光斑成型材料过程中空间子域和时间子域的更多温度场细节，从而更深刻地理解复合激光光斑与材料相互作用的效果。