金属选区激光熔化的研究现状

发布时间:

2024-12-09

引言

作为一种全新的产品制造技术，增材制造近年来得到社会广泛关注。自２０世纪８０年代末出现以来，经过二十余年的发展，增材制造技术的潜力被不断发掘出来，其与数字化生产模式的结合正在推动全世界经历又一场“工业革命”。３Ｄ打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，其基本原理是离散－堆积原理［２］。与传统制造方法相比较，３Ｄ打印可在不降低产品性能的前提下，减少原材料的使用和损耗，大大提高生产速度［３］。目前金属零件３Ｄ打印技术主要有如下几种［４－］：（１）选区激光熔化（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｍｅｌｔｉｎｇ，ＳＬＭ），主要应用于复杂金属精密零件，如金属牙冠、医用植入物等；（２）激光近净成形（Ｌａｓｅｒｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄｎｅｔｓｈａ－ｐｉｎｇ，ＬＥＮＳ），主要应用于飞机大型金属构件；（３）电子束选区熔化（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｓｅｌｅｃｔｉｖｅｍｅｌｔｉｎｇ，ＥＢＳＭ），主要用于航空航天大型金属构件。

选区激光熔化（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｍｅｌｔｉｎｇ，ＳＬＭ）是金属材料３Ｄ打印中最为重要、应用最为广泛的增材制造技术之一。ＳＬＭ最早可追溯至１９８９年，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Ｃ．Ｒ．Ｄｅｃｈａｒｄ研制成功，最初只能烧结一些熔点较低的非金属材料，称为选择性激光烧结技术（Ｓｅｌｅｃｔｅｄｌａｓｅｒｓｉｎ－ｔｅｒｉｎｇ，ＳＬＳ）２］。之后，大功率激光器得到发展，并逐步运用到增材制造快速成型技术中，ＳＬＳ逐渐发展为选区激光熔化技术（ＳＬＭ）［７］。

１选区激光熔化的基本原理

ＳＬＭ是一种金属粉末在高能束激光的作用下快速熔化并快速冷却凝固成型的技术。高能量激光在短时间内将热量输入到金属粉末中，金属粉末迅速升温达到熔点并快速熔化。激光束离开该点后，熔化的金属粉末经散热冷却凝固，与固体金属达到冶金结合［８］。加工第一步是要在计算机中绘制工件的ＣＡＤ三维立体图形，然后用“切片”软件，将三维实体离散成二维的平面图形，得到截面的轮廓数据。计算机控制系统根据二维切片信息控制激光扫描路径，激光束作用在成型腔内已经铺好的粉末上。一层扫描完成后，成型腔内基板下降一个图层厚度，送粉腔上升一定厚度，铺粉辊将粉末均匀铺于成型腔内，接着激光进行第二层的扫描。然后循环往复，熔化凝固的金属粉末层层累积形成三维实体。扫描全部完成后，将工件从成型腔内取出，并与基体分离，至此ＳＬＭ全过程结束。原理如图１所示。金属粉末在高温环境下易于氧化，完成的工件可能会产生严重的缺陷。因此，在扫描过程中需保持腔体内真空，或者向其中通入保护气体以防止金属氧化。

２金属选区激光熔化的研究现状

２．１选区激光熔化设备的发展

德国是开展选区激光熔化工艺研究最早的国家之一，早在２０世纪９０年代，德国弗朗霍夫激光研究所便提出该项技术，并在２００２年成功研发出相关设备。除德国外，英国、日本、比利时、美国、法国等国家也在该领域取得一定进展。目前，国际上已有许多成熟的ＳＬＭ设备供应商，包括德国ＥＯＳ、ＣｏｎｃｅｐｔＬａｓｅｒ（近期被通用公司收购）和ＭＣＰ公司，英国Ｒｅｎｉｓｈａｗ公司，美国３Ｄ公司，瑞典Ａｒｃａｍ公司以及法国ＰｈｅｎｉｘＳｙｓｔｅｍ公司等［３］。ＳＬＭ设备的研究开发主要集中在欧美少数几个国家，其中德国和美国的技术最为成熟，ＳＬＭ产品商业化最早。以上公司根据用户的个性化产品需求，针对不同的运用范围及领域，开发出了多种型号的设备机型。德国ＥＯＳ公司的Ｍ４００是该公司最新的选区激光熔化设备，成型腔体积达４００ｍｍ×４００ｍｍ×４００ｍｍ，可制造大型零部件。设备采用Ｙｂ光纤激光器，激光最大功率为１ｋＷ，激光光斑直径为９０μｍ［９］。ＥＯＳＩＮＧＭ２５０和Ｍ２７０设备可制造出致密度接近１００％的成型件，尺寸精度可达２０～８０μｍ，最小壁厚０．３～０．４ｍｍ；ＭＣＰ公司的Ｒｅａ－ｌｉｚｅｒ系列采用１００Ｗ固体激光器，配之振镜扫描可控制最小扫描厚度为３０μｍ，可显著提高成型件的精度及表面质量［１０－１１］。增材制造在全球范围内得到迅速发展，国内也逐渐有部分高校、科研院所及公司开始研发和生产ＳＬＭ设备。华中科技大学、华南理工大学、北京航空航天大学、西北工业大学和南京航空航天大学开展较早，在国内处于领先地位。目前，华中科技大学已推出两套ＳＬＭ设备，分别为ＨＲＰＭ－Ｉ和ＨＲＰＭ－Ⅱ型，华南理工大学先后自主研发出Ｄｉｍｅｔａｌ－２４０、Ｄｉｍｅｔａｌ－２８０和Ｄｉｍｅｔａｌ－１００三款机型。另外西安铂力特、湖南华曙高科、广东汉邦激光等公司也逐渐开发出成熟的ＳＬＭ设备并完成商业化。国内外主要的ＳＬＭ设备厂家和设备参数列于表１中。

２．２选区激光熔化材料

ＳＬＭ技术利用高能量密度的激光束作用在金属粉末上，温度在短时间内升高至金属熔点将其熔化。理论上，在工艺及设备允许的条件下，任何金属粉末都可作为ＳＬＭ的原材料。ＳＬＭ粉末按照成分类型可分为预合金粉末、混合粉末和单质粉末３种。金属粉末种类如图２所示。其中，混合粉是通过机械混合的方法将多种金属颗粒混合在一起，这种方法得到的粉末松装密度高，但是成分不均匀［８］。在实际应用过程中，ＳＬＭ技术对粉末的颗粒度、形状、成分分布等均有较高要求。粉末的制备方法主要有水雾化法、气雾化法、层流雾化技术、超声耦合雾化技术、热气体雾化法等［１６］。其中预合金粉末和单质粉末是液态合金经过气雾化法制备的粉末，粉末颗粒均匀，性能优越，得到广泛应用。从粉末的种类来看，预合金粉末的商业化应用最为成功，也是国内外选区激光熔化的主要研究对象，其中钛合金、镍合金和铁合金为最主要的３个研究方向。

２．２．１钛合金粉末

钛合金按照退火组织可分为α、β、（α＋β）三大类，是一种性能优良的结构材料，具有密度小、比强度高、耐热耐蚀性好、低温性能好、弹性模量和热导系数低等特点，广泛应用于航空航天、军事、医疗、化工等领域［１７］。在钛合金选区激光熔化的方向上，国内外研究主要集中在纯钛和（α＋β）钛，其中Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ具有良好的力学性能和优异的生物相容性，因此得到广泛研究与应用［１８－２１］。但是α钛及β钛却极少有相关研究报道。与（α＋β）钛相比，β钛几乎不含对身体有害的Ａｌ和Ｖ元素，且具有更高的强度水平及更好的切口性能和韧性，适用于人体植入件［２２］。日本大阪大学的Ａｂｅ等用钛粉成形制造出钛骨骼，相对密度达９５％，抗拉强度达到３００ＭＰａ。日本中部大学的Ｐａｔｔａｎａｙａｋ等通过ＳＬＭ方法制造出孔隙率为５５％～７５％、强度为３５～１２０ＭＰａ的多孔钛［２３］。华中科技大学的Ｙａｎ等利用ＳＬＭ方法制备出Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ的人造植入骨骼，孔隙率为５％～１０％，显微硬度达（４．０±０．３４）ＧＰａ［２４］。比利时鲁汶大学的Ｋｒｕｔｈ团队采用自主研发的激光器对气雾化的Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ粉末（粒度范围为５～５０μｍ）进行ＳＬＭ工艺研究，成功制备出钛合金人工牙齿，致密度达９７％，并发现由于快速冷却，制品中易形成脆性较大的马氏体组织，需要后续热处理才能得到力学性能合适的产品［２５］。

２．２．２镍合金粉末

镍合金具有良好的耐蚀性、抗氧化性和综合力学性能，广泛应用于航空航天、石油化工、海洋船舶等领域。在航空发动机中，镍基高温合金用于制造涡轮机片以抵抗燃气高温和高应力载荷从而满足严苛的工作要求。在ＳＬＭ中，应用最广泛的为Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８和Ｗａｓｐａｌｏｙ合金。美国德克萨斯大学的Ｍｕｒｒ团队研究了Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５和Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８两种合金的ＳＬＭ制件性能，显微硬度分别可达４．０ＧＰａ和５．５ＧＰａ，并分析了成型件的组织结构和表面成分及相结构变化［２６］。英国拉夫堡大学快速制造中心的Ｍｕｍｔａｚ等利用５５０ＷＮｄ－ＹＡＧ激光器制备了Ｗａｓｐａｌｏｙ时效硬化高温合金，成品相对密度达到９９．７％［２７］。国内也有对镍合金粉末进行ＳＬＭ成形的研究，如中北大学的刘斌团队，系统全面地研究了ＧＨ４１６９（类似Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８）ＳＬＭ成形的关键工艺要素［１０］。

２．２．３铁合金粉末

铁合金是目前世界上应用范围最广，用量最大的金属材料。从国内外文献来看，铁基合金粉末的ＳＬＭ研究也是最为全面和最为深入的。铁基合金粉末主要包括纯铁粉、Ｍ２高速钢、３１６Ｌ不锈钢、Ｈ１３工具钢、马氏体时效钢等。意大利米兰理工大学的Ｃａｓａｔｉ研究了扫描参数和扫描方式对３１６Ｌ不锈钢的ＳＬＭ制件力学性能及微观组织的影响，粉末尺寸范围在５～５０μｍ内［１３］。俄罗斯列别捷夫物理研究所的Ｓｈｉｓｈｋｏｖｓｋｙ研究了坡莫合金的ＳＬＭ过程，制造出了小型的复杂结构电子元器件，发现制件硬度波动较大，通过外加磁场增加了Ｆｅ３Ｏ４，改变了新相的分布［２８］。南京航空航天大学的陈洪宇利用ＳＬＭ成功制备了５ＣｒＮｉ４Ｍｏ模具钢试件，研究了激光成形的相变过程及机制，分析了线能量密度对ＳＬＭ力学性能的影响［２９］。华南理工大学的麦淑珍等利用自主研发的ＳＬＭ设备，采用正交试验方法研究分析了ＮｉＣｒ合金制件表面台阶效应的产生原因［３０］。除以上３种主要的预合金粉末外，铜基合金和铝基合金等也是ＳＬＭ工艺的主要研究对象，其成型工艺研究也比较完善。

２．３选区激光熔化工艺

选区激光熔化（ＳＬＭ）是一项工艺复杂的加工制造技术，涉及参数众多（见图３）。这些参数对ＳＬＭ加工过程、产品形貌及性能等有不同程度的影响，且参数之间也相互影响。但是大量的研究结果表明，只要对其中某些重要的影响因素（如粉末粒度、扫描速度、激光功率、扫描策略等）加以控制，就可得到成形良好、性能优异的成形件。如果这些参数不能合理地进行选择，则会在ＳＬＭ过程中出现一些典型问题，如球化、孔隙、残余应力及应变等，并对成形件的显微组织产生影响。下面就对这些问题进行简单介绍。

２．３．１球化

在ＳＬＭ过程中，金属粉末在激光束的照射下，熔化成液态金属，如果没有很好地铺展在基板或前层基体上，而是形成大量相互独立大小不一的金属球，这种现象就称为ＳＬＭ过程中的球化现象［３１］。球化在ＳＬＭ中是种普遍存在的现象，一方面球化现象会极大影响成型件的表面质量，由于凝固后的金属球相互独立，在逐层扫描的过程中金属球之间存在大量孔隙造成孔隙率过高，力学性能下降；另一方面，表面的球化现象会阻碍铺粉辊的正常工作，增加粉刮与表面的摩擦力，这样不仅会影响到金属的表面质量，严重时还会阻碍成形过程的进行。球化过程如图４所示。

球化现象的形成原因是液态金属与固体基体的润湿性问题。在ＳＬＭ过程中，熔化的金属液体在与固态基体相接处，有自动降低表面能的趋势，即凝聚成球状。研究表明，溶液与基体的润湿性与粉末的颗粒、含氧量、熔化温度等有关［２９，３２］。含氧量的增加不利于熔池的润湿与铺展，如果粉末是采用水雾法制成，则表面成形质量会较差；另外，粉末较高球形度和较小尺寸也可增加粉末的流动性，从而减少球化现象的产生；高的熔池温度也可改善熔液的流动性以降低球化率。研究发现，当考虑铺粉厚度对球化现象的影响时，高的粉层厚度极易发生球化，而低的层厚则有利于熔液的润湿与铺展［２８－２９］。原因如下：（１）高的粉层厚度使单位体积内激光能量降低，温度场下降从而导致流动－润湿性变差；（２）激光难以穿透粉层与基体接触，也就无法得到良好的焊合效果。除以上由于润湿性的原因产生的球化现象，还有一些小的球化在ＳＬＭ过程中无法避免，它们是由于激光束冲击熔池和熔体的蒸发而产生飞溅［３２］。这些“小球体”体积很小，在扫描临近轨道时会重新熔化，对工件性能无不良影响。

２．３．２孔隙

孔隙是选区激光熔化工艺过程的另一个重要特征，会直接影响成型件的致密度、显微结构和力学性能等，严重影响ＳＬＭ零件的实用性能。优化ＳＬＭ工艺参数的重要目的是得到致密度高的金属零件。因此，国内外有大量的研究集中在孔隙率的降低上。英国伯明翰大学的Ｑｉｕ等研究Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ的ＳＬＭ成形过程，分析过程中液体流动对孔隙形成的影响，发现随着扫描速度和铺粉厚度的提高，成形件的孔隙率有所上升，表面粗糙程度也有所恶化。并且推测，是因为工艺参数影响到熔池内液体的流动性能，不能及时填充而产生孔隙［３２］。南京航空航天大学的顾冬冬等在对ＴｉＣ／Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８复合材料进行ＳＬＭ研究时，发现随着激光功率的增加，层间大尺寸不规则孔洞数目有所降低。这是因为在较低激光功率下，液相流动性变差，难以渗入，形成孔洞。只有控制体能量密度在合理范围内才有利于工件致密化，避免孔隙等缺陷产生［３３］。

ＳＬＭ中孔隙的形成原因主要有以下几种：

（１）球化

在ＳＬＭ过程中如果产生较为严重的球化现象，在金属球之间相接触的地方会产生空隙，金属粉末无法渗入，在多层累积后便会形成体积较大的孔洞；即使粉末能够进入金属球间隙，激光的穿透能力也有限，能量很难传递到深处熔化粉末，因此影响到工件的致密化［３４］。球化现象是孔隙出现的主要原因。

（２）气孔

由于ＳＬＭ粉末层为多孔结构，且成型腔内一般都充有惰性气体加以保护防止金属氧化。因此在扫描过程中气体易混入熔化的金属液体中，如果冷却速度过快，气体来不及从熔池中逸出，则有可能形成孔洞。这种孔洞的体积一般很小，且呈规则球形，孔洞内壁较为光滑。避免气致型孔隙的产生，需从工艺参数上着手，适当提高熔池的存留时间，让熔池中的气体有足够的时间逸出。

（３）扫描间距过大（未搭接）

ＳＬＭ过程中，扫描间距是个重要的工艺参数。为了得到较高致密度的成型件，需要合理设计扫描间距，让焊道之间部分搭接，减少孔隙的产生。即使在扫描过程中可控制球化的发生，但如果扫描间距过大，仍会形成大量尺寸非常大的孔隙。

（４）裂纹与热应力

裂纹与热应力是孔洞产生的另一个重要原因。选区激光熔化过程具有非常快的冷却速度和非常大的温度梯度，工件中存在高的热应力和相变应力。其中热应力是ＳＬＭ成型件开裂的主要原因。在激光加热和冷却的过程中，凝固的金属内部及周围膨胀收缩趋势不一致，故产生热应力。相变应力的产生是由于部分金属材料在发生固态相变时，两相或多相之间的比容不一样，膨胀或收缩时相互牵制，产生内应力。当成型件内部产生应力时，会发生翘曲、变形或者开裂等现象以释放应力，故产生孔洞。这种孔隙可通过前后热处理减少或消除。如在制件前对基板和粉末进行预热处理以减小温度梯度，优化扫描方式或策略［３５］，后热处理如热等静压消除孔隙［３６］。

２．３．３显微结构

选区激光熔化具有反应时间短、加热温度高、冷却速度快等特点，会显著影响显微组织结构特征。主要影响因素包括激光参数、扫描参数、材料物理性能及扫描策略等。ＳＬＭ显微组织一般具有非平衡凝固特征，且组织非常细小均匀。比利时鲁汶大学的Ｔｈｉｊｓ用ＳＬＭ法制备Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ，发现随着体积能量密度的增加（即提高激光功率、减小扫描速率等），晶粒变得粗，还会有金属间化合物Ｔｉ３Ａｌ在扫描过程中析出［３５］。晶粒生长的方向主要与传热方向有关。ＳＬＭ制备件的显微组织形貌多种多样，既有方向性明显的柱状晶，也有朝各个方向生长的胞状晶和等轴晶。这是因为ＳＬＭ过程中不同部位的散热方式和速度不一致［３４］。

激光能量被金属粉末吸收后，多余热量的散出主要有以下３种：（１）以对流的方式散发至周围的保护气中；（２）通过热传导扩散到周围未熔的金属粉末中；（３）通过已经熔化凝固的金属传递到基板上（见图５）。

研究表明，除受扫描参数和热传导有关外，扫描策略也会对显微组织结构产生影响［１２，３５］。比利时鲁汶大学的Ｔｈｉｊｓ团队研究发现，单向和往复式扫描中，由于沿基体方向传热最快，晶粒呈柱状从底部向上延伸，与基体倾斜一定角度。而在正交型的扫描策略下，试样中的晶粒尺寸在各个方向上趋于一致。

２．３．４后热处理

ＳＬＭ是个快速加热快速冷却的过程，加工完成的工件往往存在较大残余应力、孔洞及成分分布不均匀等问题，这些问题会降低甚至恶化工件的力学性能。因此为改善ＳＬＭ成型件性能及可用性，后续热处理显得尤为重要。主要的后续热处理包括退火、固溶时效及热等静压（Ｈｏｔｉｓｏｓｔａｔｉｃｐｒｅｓ－ｓｉｎｇ，ＨＩＰ）。对于一些时效钢材，例如马氏体时效钢。它们需要析出第二相合金化合物以提高强度及韧性，这就需要在一定的温度和时间内完成固溶和时效。因此针对这类材料需要对加工后的工件进行固溶时效处理，以改善性能［３７］。热等静压是粉末冶金领域用来消除孔隙、封闭微裂纹的工艺。ＨＩＰ工艺首先将工件放置热等静压炉内，升高至一定温度（一般为熔点的２／３），然后通过气体或液体对工件进行加压，压力均匀地分布在工件表面。经过ＨＩＰ处理的工件基本上可消除孔洞，达到致密状态。结合ＳＬＭ制备件的特征，将ＨＩＰ技术应用于选区激光熔化中，可有效提高产品致密度，改善其力学性能。德国帕德伯恩大学的Ｌｅｕｄｅｒｓ等对ＳＬＭ制备的Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ试样进行热等静压处理，发现试样的疲劳强度和抗裂纹扩展性能得到明显改善［３６］。英国伯明翰大学的Ｑｉｕ等发现ＨＩＰ可以有效降低Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ制备件的孔隙率，并使其中马氏体部分发生分解，试样强度有略微降低，但是塑韧性明显提高［１２］。

３结束语

随着金属３Ｄ打印技术的发展与成熟，成形完善、性能可靠的金属零件将逐渐应用到工业生产、航空航天、医疗植入件、教育教学等领域中。选区激光熔化技术制备出的金属零件相比于传统制造方法性能有所提高。目前需要解决的主要问题是：（１）制造成本较高，其高昂的设备费用和材料成本限制了其推广；（２）制造尺寸有所局限，ＳＬＭ成型件的尺寸受设备成型腔的限制，当前最大的成型腔体积约为３５０ｍｍ×３５０ｍｍ×３５０ｍｍ；（３）材料加工参数不同，为获得不同金属材料最优加工制造参数，需要前期进行大量预打印实验，以获得最优工艺窗口。

论文引用信息：

材料导报　２０１７年５月第３１卷专辑２９

中图分类号：Ｖ２６１．８；ＴＰ２７３；ＴＢ３１　　　　　文献标识码：Ａ

星尘生产各种稀有难熔金属球形粉末

-采用射频等离子体球化技术制备，纯度高，含氧量低，球度高，表面光滑，无卫星球，粒度分布均匀，流动性能优异；

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