綜述：激光拋光3D打印金屬部件（五）

導讀：本綜述主要介紹激光拋光技術在3D打印鋁合金基材料上的應用現(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
綜述：激光拋光3D打印金屬部件（三）：http://m.lhkhtyz.com/thread-147937-1-1.html
綜述：激光拋光3D打印金屬部件（四）：http://m.lhkhtyz.com/thread-146027-1-1.html

激光拋光增材制造的鋁合金時可以得到如下優(yōu)點：

• 激光拋光增材制造的鋁合金部件之后可以得到更高的熱導率；
• 在拋光的時候采用隔熱的保持基材的溫度來輔助材料實現(xiàn)自熔化；
• 采用詳細的殘余應力分析技術來分析激光拋光鋁合金之后的殘余應力；
• 一定深度的表面完整性和亞表面的溫度測量分析技術的應用來進行了相應的分析；同AM制造的沉積態(tài)部件相比較，激光拋光之后，其平均表面粗糙度提升了大約88%。
  

激光拋光增材制造的鋁合金，實際上是一種再熔化的過程，是一種面臨著巨大挑戰(zhàn)的工藝，這是因為鋁合金具有熱導率高、擴散性好和發(fā)射率高的特點。在本研究中，采用一個新穎的激光拋光策略來提高材料的再熔化效率，采用的辦法是使用一個隔熱的陶瓷基板，在納秒脈沖激光在大氣中和Ar環(huán)境中進行拋光的時候輔助加熱鋁合金。這一策略考慮的是提高鋁合金材料再熔化時的效果，通過表面溫度的測量來實現(xiàn)。這一拋光技術可以提高表面粗糙度到80-88%，殘余壓應力達到-19 MPa，這是在空氣中的測試結果，此時的激光能量密度為12 J/cm2，掃描道次為10次。相反，沒有進行拋光的增材制造的鋁合金部件呈現(xiàn)出拉應力為+55 MPa。激光拋光，然而，在一定程度上會降低增材制造鋁合金部件的硬度（大約為15-25%），同沉積態(tài)的部件相比較的話。在富集Al的白色層中的熱影響區(qū)的深度達到大約35 μm，研究結果揭示了控制熱耗散對激光拋光導熱材料來獲得理想的表面完整性提供了一個借鑒。

▲圖1. 激光拋光鋁合金總的研究圖

在當前，SLM制造鋁合金面臨著一定的挑戰(zhàn)，這是因為鋁合金材料的流動性差，反射率高和傳熱效果好，充分的理解SLM增材制造鋁合金，尤其是AlSi10Mg合金，在過去進行了充分的研究并且得到了相當優(yōu)化的結果，如可接受的致密度、顯微組織和機械性能。這主要是因為AlSi10Mg所具有的良好的焊接性能、硬化效應和耐腐蝕性能等，導致了這一類的輕質材料在航空、汽車和電子包裝等領域的應用潛力十分巨大。盡管鋁合金材料具有這些優(yōu)點，SLM制造鋁合金部件依然經受著表面粗糙度高（~4–15 μm）、球化效應、臺階效應和不利的殘余拉應力的存在等問題嚴重的制約著制造部件的耐磨性和疲勞性能。

一個有效的提高SLM制造的鋁合金部件的表面粗糙度和質量的辦法是激光拋光（LP），這一技術是一種清潔、柔性、無接觸和可以完全實現(xiàn)自動化的操作技術。這一技術在過去幾十年里得到了持續(xù)的發(fā)展。LP的研究主要集中在鐵基材料中，尤其占據(jù)主導地位的是工具鋼，盡管也有幾種碳鋼和不銹鋼得到了研究。相似的，這一工藝已經成功的應用于鎳基合金和鈦合金部件的表面形貌的改善。

早期的激光拋光增材制造的部件主要集中在提高增材制造的部件的表面粗糙度上。并且有大量的工作是這方面的報道，但對于鋁合金的激光拋光面臨的挑戰(zhàn)還是比較大的，同SLM制造Al合金相類似，由于材料的高的發(fā)射率、熱擴散和巨大的熱膨脹系數(shù)等。通過再熔化進行拋光來維持材料中的熱輸入。由此，這在拋光高熱導率和高擴散材料的時候就會存在困難。鋁合金，如AlSi10Mg合金具有非常高的熱導率(~113 W/mK) ，同其他材料相比較，316L不銹鋼為~15 W/mK， Ti-6Al-4V為~7 W/mK。正是由于這個原因，所以316L和鈦合金是研究和應用最多的兩種激光拋光材料。相反，對于鋁合金材料的拋光卻是非常少的，而且這種材料還主要是鍛造和壓鑄來制造的。關于激光拋光SLM制造的鋁合金方面的研究就更少了。Burzic等人研究了脈沖激光和連續(xù)激光在變化的激光能量密度、掃描速度和頻率下拋光鑄造的AlSi9MnMg。其表面粗糙度從Ra = 2.17–2.34 μm下降到Ra = 0.19 μm和 Ra = 0.16 μm ，這一結果是脈沖激光和連續(xù)激光拋光的結果。相似的，采用激光拋光SLM制造的AlSi10Mg合金，其表面粗糙度也得到了改善。最小的粗糙度是在單個和雙道的脈沖納秒激光拋光之后得到的。

大多數(shù)的文獻中關于激光拋光鋁合金的文章主要集中在評估拋光之后的形貌和表面粗糙度上，只有少量的文章報道了激光拋光對鋁合金的耐磨性和腐蝕性能的影響。Schmidt 等人報道了脈沖Nd：YAG激光拋光鍛造AlCu4MgPb 合金和鑄造 AlSi10Mg(Fe)的研究，在變化的激光掃描速度、掃描間距和能量密度（通過焦距的變化來實現(xiàn)）的條件下進行研究。前者的材料不能被拋光，這是因為較容易形成裂紋。相反，對鑄造鋁合金則可以實現(xiàn)拋光，其表面粗糙度下降了66%（Ra），從開始的1.37 μm 下降到拋光后的 0.47 μm。進一步的，激光拋光后的鋁合金還呈現(xiàn)出較高的硬度和更好的耐磨性，同沒有激光處理的基材相比較，這是因為更加均勻分布的小的富集Si的相在激光處理區(qū)域存在。Elahi觀察了在激光拋光Al合金表面時在大氣環(huán)境下發(fā)展的人造氧化膜的形成情況，會導致在表面的潤濕性得到提高，由此提高了材料同異種材料（此處為聚酰胺，簡稱為PA）時的潤濕性。激光拋光同時據(jù)報道還可以提高A2219鋁合金的耐蝕性，而不會影響到其熔化層的機械性能。

基于以上的文獻報道，可以認為還有很大的空間來挖掘激光拋光在Al合金中的應用。當前的工作是研究脈沖納秒激光拋光SLM制造的AlSi10Mg 鋁合金部件。合金的選擇是基于該合金廣泛的應用于汽車和航空工業(yè)中。在最近還有一個趨勢是增材制造的部件將逐漸替代傳統(tǒng)的部件，因為增材制造可以減少質量和能源的消耗，這一減少是通過拓撲優(yōu)化來實現(xiàn)的。在激光拋光工藝有可能成為增材制造的一個快速的后處理工藝，尤其是對選擇性的區(qū)域進行處理的條件下，同傳統(tǒng)的機械拋光相比較，諸如振動拋光，比較典型的需要3-4h才能實現(xiàn)SLM制造的部件表面Sa達到~14–16 μm，變?yōu)閽伖庵�后的~4–8 μm。這一研究同時也探究了在SLM制造的時候引入一個隔熱的基板，這一隔熱的基板在激光拋光的過程中起到再加熱的效果�；�于作者的知識，這一策略在激光拋光的過程中來輔助實現(xiàn)加熱，還沒有被報道過。此外，深入的分析更加寬廣范圍內鋁合金部件在不同的條件下，如氣體環(huán)境（Ar或者N2等）條件下激光拋光鋁合金之后的表面完整性，如殘余應力、顯微硬度和顯微組織。因為SLM制造的部件會誘導產生拉伸殘余應力，從而需要研究激光拋光之后對部件殘余應力的影響。因此，結合激光拋光之后的表面粗糙度和形貌的評估來進行研究，綜合評估SLM制造的 AlSi10Mg 樣品在大氣氣氛和Ar氣環(huán)境下進行激光拋光之后的殘余應力、顯微硬度和顯微組織。

▲圖2. 島狀激光掃描策略的示意圖，(a). 顯示的是每一層被分解成幾個矩形區(qū)域（島狀）和每一個島狀區(qū)域為光柵掃描，(b). 在接下來的一層掃描，其掃描在X和Y方向上位移1mm

▲圖3. 示意圖顯示激光掃描方向的變化，覆蓋整個10 × 10 mm2 的頂部區(qū)域：第一個掃描方向時沿著X+的方向，而每一個接下來的掃描為逆時針方向，同前一個掃描方向角度為45°，該掃描過程重復25次掃描

▲圖4. 表面形貌圖：（a）沉積態(tài)的SLM部件和樣品在12 J/cm2 的條件下進行拋光的結果（b），掃描條件為C2和10次掃描；（c）C2條件下掃描15次和（d）C3條件下掃描10次

▲圖5. 在采用陶瓷隔熱基板和不采用陶瓷隔熱基板的條件下，在大氣和Ar氣體條件下進行拋光所測量得到的部件中的殘余應力

▲圖6. 樣品在不同條件下進行激光拋光之后得到的橫截面的顯微組織：(a), (b) C2 和 (c) C3

激光拋光材料在具有高的熱導率，諸如鋁合金，研究是非常有限的。當前的工作對納秒脈沖激光拋光SLM制造的AlSi10Mg進行了研究。鋁合金的選擇對制造輕質場合中應用的航空、汽車和電子部件至關重要。為了減少激光拋光鋁合金部件所面臨的挑戰(zhàn)，由于材料高的熱導率、擴散和發(fā)射性，這一研究提出了一個新穎的策略來提高材料的再熔化行為，通過應用一個隔熱的陶瓷基板來實現(xiàn)。這一策略幫助實現(xiàn)部件的表面粗糙度可以達到亞微米的級別，最小的粗糙度達到0.64 μm，這樣部件的表面粗糙度比SLM部件的要低大約 ~80–88%。在表面粗糙度為這一數(shù)值的時候，激光能量為12 J/cm2 ，97%的脈沖重復搭接率，且沒有發(fā)現(xiàn)任何明顯的裂紋或坑存在。同時也注意到，表面粗糙度的減少主要取決于SLM制造沉積時的初始表面粗糙度。

提出的策略使用一個隔熱的基板來提高材料的再熱，意味著這是非常重要的一步來減少鋁合金部件的體熱的散失，從而實現(xiàn)了激光拋光對高熱導率材料的應用。同時研究所采用的策略可以應用到更加復雜部件的激光拋光上，在AM制造的部件在預熱的環(huán)境下且密閉的環(huán)境下將會控制導熱和對流，從而保證了在拋光后材料冷卻的熱溫度梯度。

該研究同時還提出了一個實時測量表面溫度的辦法，例如紅外溫度測量儀和控制材料在激光拋光時的反應。這將導致部件的功能需求得到滿足，如更好的摩擦性能、提高的腐蝕性能和疲勞性能以及更加光滑的表面形貌和形成壓縮殘余應力。