綜述：激光拋光3D打印金屬部件（六）鎳基合金的拋光

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：本綜述主要介紹激光拋光技術(shù)在3D打印鎳基高溫合金材料上的應(yīng)用現(xiàn)狀。

綜述：激光拋光3D打印金屬部件（一）：http://m.lhkhtyz.com/thread-147626-1-1.html
綜述：激光拋光3D打印金屬部件（二）：http://m.lhkhtyz.com/thread-147870-1-1.html
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綜述：激光拋光3D打印金屬部件（四）：http://m.lhkhtyz.com/thread-146027-1-1.html
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鎳基高溫合金具有優(yōu)異的性能，如在高溫下具有高強度和高硬度、高的疲勞強度、焊接性能好、抗高溫和抗氧化等性能。由于它具有以上優(yōu)異的性能，鎳基高溫合金在火箭發(fā)動機、核反應(yīng)堆、海洋工程、航空航天等工業(yè)中得到較為廣泛的應(yīng)用。采用傳統(tǒng)的拋光手段對鎳基合金進行拋光并不是一件十分容易的事情。第一個公開報道的采用激光拋光手段來對增材制造的鎳基合金進行拋光的是Dadbakhsh等人。他們利用激光金屬沉積技術(shù)（LMD）來修復和制造金屬部件，但LMD制造和修復金屬部件之后存在的一個問題是其表面粗糙度相對較差。于是，他們利用激光表面拋光手段使用LMD技術(shù)制備了一系列的塊體試樣。隨后對拋光后的表面進行評估，并依據(jù)分析的實驗設(shè)計軟件對優(yōu)化的激光拋光參數(shù)進行預測。結(jié)果表明激光拋光之后，LMD制造的部件表面粗糙度可以達到2 μm，這一表面粗糙度在許多工業(yè)場合是可以接受的。激光拋光之后最終的表面粗糙度之間的關(guān)系也給予了研究，表明最終的表面粗糙度強烈的依賴于激光能量。在激光能量、光斑尺寸和掃描速度等參數(shù)對激光拋光的影響研究中，發(fā)現(xiàn)激光光斑的大小對激光拋光的影響，同激光功率和掃描速度相比較，光斑的大小并不是關(guān)鍵的影響因數(shù)。無論如何，在光斑尺寸為0.7 mm的時候，同0.3 mm和1.0 mm的光斑相比較，具有更好的結(jié)果。這主要歸因于掃描道的偏移是光斑的函數(shù)。同時也提到太小或較大的掃描道的偏移將會導致較大的粗糙度值。

▲圖1. 增材制造的IN718高溫合金的組織：（a）單道沉積的橫截面；（b）放大的顯微組織

SLM制造的IN625高溫合金利用激光拋光技術(shù)進行了研究。研究采用的是200 W 的連續(xù)光纖激光，波長為1064 nm，光斑直徑為30 μm。在SLM制造的過程中存在氧化物或氧化物的存在會阻礙激光拋光進而導致了較大的粗糙度。如果是在惰性氣體如Ar氣環(huán)境中進行打印的部件會形成均勻的熔化層，從而會導致較高的表面粗糙度。Arrizubieta等人提出了一個創(chuàng)新的設(shè)想，組合了LMD、LBM和激光拋光三種技術(shù)。之所以將這些技術(shù)組合在一起，是因為他們的光源都是激光。只是調(diào)整參數(shù)，同一激光就可以通過一個階段來實現(xiàn)，從而提高了產(chǎn)能。激光加工（LBM）主要用來抵消在LMD制造的過程中產(chǎn)生的波紋。對Inconel 718合金應(yīng)用這一技術(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當增加掃描速度的時候會導致較高的粗糙度。當激光能量增加的時候表面粗糙度會下降，但當頻率為200 KHZ的時候，表面粗糙度又開始增加。當激光功率、掃描速度和脈沖寬度分別為621 W、100 mm/s和460 ns的時候，在激光拋光后的表面會形成厚度為22 μm的再鑄層。

▲圖2. LMD制造的測試試樣1和拋光過程

SLM增材制造的IN718 合金的表面完整性和機械性能也進行了研究。保持激光功率為90 W和搭接率為10%不變，變化掃描速度來研究表面形貌的變化。在優(yōu)化的參數(shù)組合下，在激光拋光之后表面冶金測試結(jié)果表面形成了巨大的枝晶/柱狀晶（在SLM制造的基材中）和在激光拋光之后由于快速凝固形成的小尺寸晶粒。拋光層和基材處的橫截面顯微組織見下圖10所示。重熔層的顯微硬度提高了大約27.5%，基材的硬度為345HV。激光拋光后的磨損速率增加了90%。這主要歸因于表面拋光后硬度的提高。磨損系數(shù)在拋光之后為0.15，見圖11。

▲圖3. LBM的參數(shù)組合測試（測試試樣1）

▲圖4. 對測試試樣2進行參數(shù)組合后得到的最佳的激光拋光結(jié)果

▲圖5. 對測試試樣3進行LMD制造后的部件

▲圖6. 在激光拋光為一次重復（a）和十次重復（b）之后得到的表面形貌圖

▲圖7. LMD制造的部件在LBM作用之后表面的變化：(a) LMD 制造的部件; (b) 經(jīng)過LBM之后得到的材料移除; (c) LBM作用之后得到的平滑表面

▲圖8. (a) LBM制造的部件的橫截面; (b) 經(jīng)過LBM+LP（激光拋光）之后的橫截面; (c)由于激光拋光造成的表面形成的再鑄層 ; (d)LMD制造后內(nèi)部形成的顯微組織

▲圖9. 最終測試的部件的最終形狀

▲圖10. 激光拋光后得到的部件的橫截面的顯微組織圖

▲圖11. 激光拋光和激光沒有拋光所得到的摩擦系數(shù)曲線