選區(qū)激光熔化成形技術(shù)（Selective laser melting，SLM）的熱源為高能激光束，激光束直徑小，制備 的合金件精度高、誤差范圍小。通過粉末熔化層層累積，成形的金屬件致密度大、成分均勻，相比于傳統(tǒng)鑄 造、鍛造與機加工技術(shù)，SLM技術(shù)無需模具，可極大程度地縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約成本，提高材料的利用率， 在航空航天、醫(yī)療器械、汽車制造等領(lǐng)域得到了高速發(fā)展[1-3]。SLM的成形過程涉及諸多工藝參數(shù)，例如激 光直徑、激光功率、掃描速度和掃描方式等，采用不同的工藝參數(shù)會對成形樣的性能產(chǎn)生巨大差異，目前大 多數(shù)研究都是基于激光能量密度這個角度來分析成形零件之間的差異。

Ding等[4]研究了SLM制備Ti-6Al-4V（TC4）鈦合金的力學性能和組織結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)降低激光能量密度更容 易細化α′馬氏體，提高試樣塑性，粗糙度隨能量密度的增加先降低后增大。石文天等[5]研究了SLM單熔道 成形工藝，發(fā)現(xiàn)能量密度對TC4鈦合金的表面形貌和成形質(zhì)量影響較大，可以通過調(diào)整能量密度有效改善試 樣表面的球化、飛濺等缺陷。Haubrich等[6]對不同激光能量密度下SLM-TC4合金試樣進行組織觀察，發(fā)現(xiàn)不 同的激光能量密度會影響試樣的晶體取向規(guī)律。縱觀當前主流研究，許多研究者常常以激光輸入的“能量密 度”不同角度來分析成形件性能的差異，而鮮有研究探討在等激光能量密度的條件下，不同工藝參數(shù)組合對 SLM成形零件的特征和性能是否存在影響。然而在實際打印不同屬性的材料時，各工藝參數(shù)對激光工藝過程 中熔池生長的影響權(quán)重可能存在差異，黎振華等[7]在研究激光功率與掃描速度對熔池溫度場影響時，發(fā)現(xiàn) 掃描速度對熔池的尺寸影響更大。單純以能量密度角度來籠統(tǒng)地分析激光工藝參數(shù)對SLM成形試樣的影響容 易忽略那些權(quán)重較大的工藝因素，從而影響后續(xù)最優(yōu)工藝窗口的尋找效率；因此，通過實驗來探究等激光能 量密度下不同工藝參數(shù)對SLM成形的影響具有實際指導(dǎo)意義[8]。此外，目前很多模擬SLM熔池成形的研究中 ，粉末模型的建立往往獨立于實際打印過程[9-10]，模擬結(jié)果并沒有和實驗過程完全對照。基于此，現(xiàn)選用 TC4鈦合金為原材料，在等激光能量密度的條件下通過ANSYS有限元數(shù)值模擬，研究激光功率和掃描速 度對熔池尺寸及溫度場的影響，并通過實驗進行對比論證；通過SLM成形實驗，觀察不同激光工藝參數(shù)組合 對SLM沉積態(tài)試樣熔池、表面形貌和硬度的影響。

1、數(shù)值模型建立

1.1　數(shù)學模型

在選區(qū)激光熔化成形工藝中，金屬粉末在激光熱源照射下溫度瞬間升高熔化形成熔池，所以SLM成形工 藝的溫度場具有非線性熱傳導(dǎo)特征。其溫度場的模擬滿足傅里葉方程[11]，表達式為式

（1）中：ρ為材料 密度；C為材料比熱；ｔ為時間；T為熔池內(nèi)部溫度；Q為體熱源強度；kｘ、kｙ、kｚ為沿ｘ、ｙ、ｚ方 向?qū)嵯禂?shù)。基于ＡＮＳＹＳ有限元分析機制，結(jié)合實際SLM成形過程，當激光照射在粉末上時，粉末吸收 能量后以輻射與對流的方式向四周散熱，基板表面以對流方式向四周散熱。邊界條件的加載公式[12]表達為 

 式（2）中：ｎ為三維模型法線方向；α為自然對流換熱系數(shù)；Ｔｆ為換熱介質(zhì)溫度；σ′為斯特藩-玻爾茲 曼（Ｓｔｅ-ｆａｎ-Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ）常數(shù)，取5.67×10^-8W/（ｍ 2.Ｋ4）；ε為材料的輻射發(fā)射率（黑度）；ｑ為激光熱源的輸入。在SLM過程中，金屬粉末被激光束照 射后發(fā)生熔化-熔融-凝固，金屬組織內(nèi)部發(fā)生吸收或釋放潛熱，因此必須要考慮潛熱對溫度場的影響，潛熱 表達式為

1.2　有限元模型模擬

SLM熔池的溫度場主要通過ANSYS中的“生死單元法”[13]實現(xiàn)。通過生成和殺死單元，可以模擬 那些單元數(shù)隨著載荷步的進行不斷增加，對按照要求排序后生成和殺死的單元施加載荷和約束。要激活“單 元死”的效果，ANSYS程序并不是將“殺死”的單元從模型中刪除，而是將其剛度（或傳導(dǎo)，或其他分 析特性）矩陣乘以一個很小的因子值（默認值為1.0×10^-6），死單元的單元載荷將為0，從而不對載荷向量 生效（但仍然在單元載荷的列表中出現(xiàn)）。同樣，死單元的質(zhì)量、阻尼、比熱和其他類似效果也設(shè)為0值， 單元的應(yīng)變在“殺死”的同時也將設(shè)為0。當激光熱源移動到該單元時，重新激活該單元模擬金屬粉末熔化 形成熔池的過程。圖1為模擬SLM加工過程的單道單層有限元模型，

簡化模型進行等激光能量密度下不同參數(shù)下對熔池的影響，粉層部分尺寸為13mm×1mm×0.03mm，基板 部分尺寸為13mm×8mm×1mm。熔覆層采用Ｓｏｌｉｄ70六面體八節(jié)點單元進行網(wǎng)格劃分，每個小單元的尺寸 為0.16mm×0.16mm×0.03mm。基板采用四面體單元進行自由網(wǎng)格劃分，每個小單元的尺寸為0.5mm。經(jīng)過網(wǎng) 格劃分后得到的單元和節(jié)點個數(shù)分別為10616和18790。

1.3　熱源模型

激光束產(chǎn)生的熱量分布呈現(xiàn)高斯分布，因此采用高斯移動熱源模型。熱源公式[14]為式

（4）中：Ｑ為 在光斑內(nèi)任意點的熱流密度；η為激光利用率；Ｐ為激光功率；ｒ為激光光斑半徑；Ｒ為任意點到熱源中心 的距離。

1.4　材料屬性

SLM的成形過程中，金屬粉末的熱物性參數(shù)隨著溫度的變化而發(fā)生改變，這種變化往往是非線性的。基 板和粉層均為TC4合金，表1為所需溫度范圍內(nèi)TC4合金的力學性能參數(shù)。

2、實驗部分

2.1　實驗材料和設(shè)備

實驗所用原料采用氣霧化法制備的TC4球形粉末，粉末分布均勻，表面光滑，球形度較好，粉末粒徑范 圍為15～53μm。TC4粉末化學成分如表2所示，粉末微觀形貌如圖2所示。

實驗采用西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的ＢＬＴ-Ａ160設(shè)備，激光器為德國ＩＰＧ公司的500 Ｗ風冷激光器，光斑直徑為100μm，該設(shè)備最大成形尺寸為160mm×160mm×100mm。實驗過程中全程通入 99.99％的高純度氬氣使成型腔內(nèi)氧含量一直保持在100×10-6以下。實驗中激光掃描策略采用條形掃描，相 鄰層間掃描方向旋轉(zhuǎn)67°。

2.2　實驗方法

為制備最佳成形試樣，采用西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司提供的TC4合金粉末成熟工藝窗口，其激 光能量密度為（39.1±0.1）Ｊ/mm3，能量密度的計算公式為

式（5）中：Ｅ為激光能量密度，Ｊ/mm³；Ｐ為激光功率，Ｗ；ｖ為掃描速度，mm/ｓ；ｈ為掃描間距， mm；ｔ為鋪粉層厚，mm。據(jù)此制定本實驗SLM工藝條件下等激光能量密度的參數(shù)如表3所示。

將打印好的試樣（圖3）用線切割從基板去除，超聲波清洗去除表面雜質(zhì)后用ＪＢ-5Ｃ型粗糙度輪廓儀 測量試樣上表面和側(cè)表面的粗糙度，每個被測面測量三次取平均值為最終粗糙度值；采用ＶＥＧＡ3ＳＢＨ 型鎢燈絲掃描電子顯微鏡（ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＳＥＭ）觀察成形 試樣表面的微觀形貌，金相表征實驗采用常規(guī)方法進行，取試樣尺寸為10ｍｍ×10mm×10mm，對試樣上表面 進行打磨、拋光與腐蝕處理。腐蝕試劑采用Ｋｒｏｌｌ腐蝕液，體積比為氫氟酸∶硝酸∶蒸餾水＝1∶3∶7 ，腐蝕時間為5～10ｓ，腐蝕后的試樣在ＡｘｉｏＯｂｓｅｒｖｅｒＺ1ｍ型光學顯微鏡下觀察其微觀組織形 貌。硬度測試采用ＨＢＲＶ-187.5型電動布洛維硬度計，將試樣上表面和側(cè)表面進行粗磨拋光，測試載荷為 30ｋｇｆ（1ｋｇｆ＝9.81Ｎ），保壓時間為12ｓ，每個測量面選取3個測量點取平均值為最終硬度值。

實驗過程中主要設(shè)施如圖4所示。

3、結(jié)果與分析

3.1　熔池尺寸模擬

圖5和圖6分別為激光能量密度39.1Ｊ/mm3時激光功率和掃描速度對熔池尺寸的影響。圖5為掃描速度ｖ ＝1150mm/ｓ，激光功率Ｐ分別為117Ｗ（9＃）、135Ｗ（2＃）、180Ｗ（4＃）時的熔寬與熔深，可以看出 ，隨著激光功率的增大，熔寬與熔深也逐漸變大，熔寬從167.4μm先增大到178.4μm后再降低到176.8μm， 熔深從40.3μm先增加到50μm后降低到47.7μm。模擬結(jié)果還表明，激光功率在135Ｗ時熔池溫度最低，熔池 最低為2354.3℃。如圖5（ｃ）所示，當激光功率Ｐ＝135Ｗ時，熔池的寬度與深度最大，此時熔池中心區(qū)域 溫度最低，更有利于熔池熱應(yīng)力的擴散。圖6為激光功率Ｐ＝180Ｗ，掃描速度ｖ分別為1150mm/s（4＃）、 1276mm/ｓ（1＃）、1435mm/ｓ（7＃）時熔池的寬度與深度，可以看到，掃描速度從1150mm/ｓ增加到 1435mm/ｓ，熔池的寬度從176.8μm下降到174μm后基本保持不變，深度從47.7μm上升到51.5μm，熔池最 高溫度從2638.8℃上升到2737.6℃。觀察圖6可以發(fā)現(xiàn)，當掃描速度超過1276mm/ｓ后，熔池的尺寸基本沒有 明顯的變化，但熔池中心的最高溫度會繼續(xù)隨著掃描速度的增大而繼續(xù)增大，這是因為隨著掃描速度加快， 激光照射下液態(tài)金屬快速凝固成固態(tài)熔池，單道熔池內(nèi)部的熱量來不及釋放[15]。在層層累積下熔池熱應(yīng)力 集中將導(dǎo)致試樣發(fā)生裂紋、翹曲等現(xiàn)象。圖7所示為激光能量密度39.1J/mm3下激光功率和掃描速度對熔池寬 深比的影響，從圖7（ａ）中可以看出，在恒定的激光能量密度下保持掃描速度不變，隨著激光功率的增加 ，熔寬、熔深先減小后上升，在激光功率為135Ｗ時達到最小。在激光功率恒定時[圖7（ｂ）]，隨著掃描速 度的增加，熔寬、熔深逐漸減小，在掃描速度為1435mm/s時達到最小。熔寬/熔深的值越小，熔池更傾向于 向下向延伸，熔池的生長比例更加均勻。熔池尺寸和熔寬與熔深比值（寬深比）的顯著變化說明了在恒定的 激光能量密度下激光功率和掃描速度的變化將導(dǎo)致熔池尺寸的變化，能量密度對熔池尺寸不能起決定性影響 。

3.2　表面粗糙度和熔池的成形

根據(jù)表3中的工藝參數(shù)進行了分別進行三次成形實驗，每一次實驗選擇不同的鋪粉層厚。對成形后的樣 品進行上表面和側(cè)表面粗糙度的測量，測量結(jié)果如圖8所示。可以看出，第一次實驗（試樣1＃、2＃、3＃） 側(cè)表面粗糙度從1＃試樣11.5μm下降到3＃試樣9.0μm，第二次實驗（試樣4＃、5＃、6＃）側(cè)表面粗糙度從 4＃試樣11.0μm下降到6＃試樣9.2μm，第三次實驗（試樣7＃、8＃、9＃）的側(cè)表面粗糙度從7＃試樣10.5 μm下降到9＃試樣9.8μm。三次不同鋪粉層厚下每一組試樣側(cè)表面粗糙度都呈現(xiàn)下降趨勢，說明等激光能量 密度下減小激光功率、掃描速度和掃描間距有利于SLM產(chǎn)品側(cè)面的平整度。進一步觀察三次實驗樣品的上表 面粗糙度可以發(fā)現(xiàn)，第一組實驗（試樣1＃、2＃、3＃）的粗糙度平均為5.0μm，比第二組（試樣7＃、8＃ 、9＃）時的平均粗糙度10.4μm和第三組（試樣4＃、5＃、6＃）時的平均粗糙度10.3μm有著明顯的降低， 猜測這是三組實驗鋪粉層厚不同造成的。為了進一步探究在激光能量密度相同時，不同的鋪粉層厚造成試樣 上表面粗糙度差異的原因，選取了4＃、2＃、9＃試樣，用ＳＥＭ掃描電鏡觀察了不同鋪粉層厚試樣的上表 面形貌，如圖9所示。從圖9（ｂ）可以看到，當鋪粉層厚為0.03mm時，試樣上表面相對平滑，熔池搭接連續(xù) 、平緩且分布均勻，熔道較淺整體成形質(zhì)量較好，因此表面粗糙度較小。當鋪粉層厚為0.02mm和0.04mm時， 如圖9（ａ）和圖9（ｃ）所示，熔池搭接效果明顯下降，熔道較深且出現(xiàn)半連續(xù)熔道，表面呈現(xiàn)明顯的“溝 壑”狀。同時可以觀察到半熔化的合金粉末和球形顆粒附著在熔池表面，此時的表面粗糙度比鋪粉層厚為 0.03mm時明顯增大，該結(jié)果與實驗測得的粗糙度數(shù)據(jù)相符合。激光束作用在粉末上時，激光能量轉(zhuǎn)換為熱量 被粉末吸收，粉末達到熔點后熔融形成熔池相互搭接，因此熔池的成形質(zhì)量是影響粗糙度的主要原因之一 [16]。有學者認為熔池的成形質(zhì)量與液態(tài)金屬的表面張力和黏度有關(guān)[17-18]，液態(tài)動力黏度μ與液態(tài)溫度 Ｔ的關(guān)系[19]表達式為

式（6）中：μ為液態(tài)的動力黏度；ｍ為原子的質(zhì)量；γ為液態(tài)的表面張力值；kＢ為 玻爾茲曼常數(shù)；Ｔ為液態(tài)的溫度。由式（6）可知，液態(tài)金屬的表面張力與溫度成反比，熔池因為表面張力來不及向兩邊 鋪展導(dǎo)致成形質(zhì)量較差且更容易出現(xiàn)球化現(xiàn)象和形成未熔顆粒，激光能量密度與激光所提供的熱量成正比， 因此用激光能量密度來解釋熔池的成形質(zhì)量[20-21]。

然而，相同的激光能量密度提供的能量是相同的，這就不能用激光能量密度的變化影響熔池的成形質(zhì)量 來解釋。激光照射在粉末上時，激光束中心的能量最高，當激光作用在較厚的粉層時，熔池邊緣的粉末通過 熱傳導(dǎo)的方式熔化。受溫度梯度的影響，相比于熔池中心部位，熔池邊緣的能量不能使粉末充分的熔化，較 快的冷卻速率將粘連未及時融化的球形顆粒和微熔顆粒，增大熔池表面粗糙度，如圖9（ａ）所示；而鋪粉 層較薄時，激光作用在粉末上會導(dǎo)致粉末蒸發(fā)發(fā)生汽化現(xiàn)象，激光束穿透粉末使上一層已成形面產(chǎn)生過燒現(xiàn) 象[22]，熔池的熱積累效應(yīng)增大，表面吸附未熔金屬顆粒影響熔池形貌[23]，出現(xiàn)半連續(xù)的熔道，同樣增大 了表面粗糙度，如圖9（ｃ）所示。

3.3　微觀組織形貌

察了等激光能量密度下試樣的光學顯微組織。如圖10（ａ）所示，當鋪粉層厚為0.04mm時，試樣內(nèi)部出 現(xiàn)分布均勻且密集的細小圓孔，這是因為粉層較厚時，激光能量不足以使金屬粉末充分的熔化，熔池中夾雜 著未完全熔透的粉末顆粒，與圖9（ａ）的結(jié)果相吻合。當鋪粉層厚取0.03mm和0.02mm時，如圖10（ｂ）和 圖10（ｃ）所示，試樣內(nèi)部的成形質(zhì)量較好，基本沒有明顯缺陷。繼續(xù)觀察圖10發(fā)現(xiàn)，鋪粉層厚為0.04mm和 0.03mm時，試樣組織中的馬氏體α相比較粗大，出現(xiàn)粗大的長條狀α′馬氏體，而鋪粉層厚為0.02mm時，長 條狀α′馬氏體消失不見，主要為細小的針狀α′馬氏體。這種微觀組織的差異主要是因為SLM成形過程中 激光作用在金屬粉末上時，同時對上一層已形成的熔池有重熔效果[24]，與熱處理效果相似，細化晶粒，此 時α′馬氏體相尺寸較小，組織成分更加均勻[25]。

3.4　顯微硬度

對成形試樣進行了顯微硬度的測試，測量結(jié)果如圖11所示。可以看出，試樣側(cè)表面硬度在310～330ＨＶ ，上表面硬度在290～320ＨＶ，其中ＨＶ表示維氏硬度。觀察同一鋪粉層厚下的硬度可發(fā)現(xiàn)，當鋪粉層厚為 0.03mm時（試樣1＃、2＃、3＃），試樣側(cè)表面硬度變化很小，而上表面硬度先下降后上升，2＃試樣硬度最 小為291ＨＶ，與1＃試樣最大硬度311ＨＶ相差20ＨＶ；鋪粉層厚為0.04mm時（試樣4＃、5＃、6＃），試樣 側(cè)表面硬度由334ＨＶ下降到了320ＨＶ，而上表面硬度則完全相反，呈上升趨勢，由295ＨＶ增加到318ＨＶ ；當鋪粉層厚為0.02mm時（試樣7＃、8＃、9＃），試樣側(cè)表面和上表面硬度變化趨勢一致。這說明即便激 光能量密度相同，不同的激光工藝參數(shù)組合依然可以對試樣的側(cè)表面和上表面硬度產(chǎn)生一定的影響。雖然有 實驗結(jié)果表明，在等激光能量密度、等激光功率下激光工藝參數(shù)對試樣的成形性能影響較小[26]，但是在恒 定的激光能量密度下，采用不同的工藝參數(shù)組合驗證了對試樣硬度的影響。觀察圖11發(fā)現(xiàn)，在恒定的激光能 量密度下，每個試樣的上表面硬度都要比側(cè)表面硬度略高。結(jié)合選區(qū)激光熔化成形的特性，其原因可能是當 激光照射在TC4合金粉末上時，上表面粉末受高能激光束作用直接熔融，熔池之間相互搭接成形上表面，粉 末之間的結(jié)合力較大。側(cè)表面層與層之間的結(jié)合力略低，激光需要穿透粉末后，通過熱傳導(dǎo)的方式使上層已 成形的熔池重新熔融，與下一層新成形的熔池結(jié)合，因此層與層之間的結(jié)合力要低于熔池之間搭接的結(jié)合力 ，側(cè)表面硬度低于上表面硬度[27]。

4、結(jié)論

采用選區(qū)激光熔化技術(shù)成形TC4鈦合金試樣，通過數(shù)值模擬和實驗，將實驗粉層與仿真模型結(jié)合，探討 了等激光能量密度下不同的工藝參數(shù)組合成形試樣的熔池、表面形貌和硬度，彌補了實驗粉層與仿真模型不 符的情況。研究發(fā)現(xiàn)僅以激光能量密度來衡量SLM成形零件的性能差異是不夠的，例如在輸入相同的激光能 量密度相同時，不同的功率和速度組合對熔池的溫度場有較大差異；鋪粉層厚對成形的試樣性能和形貌有更 為顯著的影響。因此在選擇工藝參數(shù)時，不僅要選取合適的能量密度，對參數(shù)之間的組合也要慎重。

主要結(jié)論如下。

（1）在等激光能量密度下，激光功率和掃描速度的不同組合將導(dǎo)致不同的熔池尺寸；在激光功率為135 Ｗ時，掃描速度為1435mm/s時熔池生長比例傾向于縱向延伸，熔池尺寸更加均勻。

（2）激光能量密度相同時，不同的工藝參數(shù)組合整體上并沒有對試樣側(cè)表面粗糙度造成顯著影響，但 試樣上表面粗糙度在鋪粉層厚為0.03mm時，明顯優(yōu)于鋪粉層厚為0.02mm和0.04mm的試樣。同一鋪粉層厚下試 樣的側(cè)表面和上表面粗糙度略有變化。本實驗中鋪粉層厚為0.03mm，激光功率為118Ｗ，掃描速度為 1115mm/s，掃描間距為0.09mm時，測得試樣的上表面粗糙度最小為4.62μm。

（3）SEM和金相觀察可以看出，即便激光能量密度相同，但試樣表面的成形熔道和微觀組織存在較大差 異。鋪粉層厚為0.03mm時，試樣表面熔道最光滑；鋪粉層厚為0.04mm的試樣內(nèi)部分布大量細小圓孔，鋪粉層 厚為0.02mm的試樣中出現(xiàn)細小針狀馬氏體。

（4）試樣的側(cè)表面硬度均高于上表面硬度；在激光能量密度相同的條件下，試樣上表面的硬度變化幅 度大于側(cè)表面。在同一鋪粉層厚下，試樣上表面硬度變化也不同于側(cè)表面的硬度變化。試樣上表面的最大硬 度變化為23ＨＶ，而側(cè)表面為14ＨＶ。

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