綜述：激光拋光3D打印金屬部件（三）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本綜述（三）主要介紹激光拋光技術(shù) 在3D打印鈦合金上的應(yīng)用現(xiàn)狀。

2.3激光拋光在增材制造鈦合金中的應(yīng)用
在航空場合應(yīng)用最為廣泛的3D打印材料為鈦合金。Ti6Al4V合金具有優(yōu)異的性能，如高的比強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、抗氧化等性能。由于鈦合金比強(qiáng)度高、從而在航空航天、海洋等工程中得到應(yīng)用，同時(shí)由于鈦合金具有生物相容性，從而作為生物植入材料而得到應(yīng)用。SLM制造時(shí)表面氧化膜的形成已經(jīng)被觀察到并發(fā)現(xiàn)氧化膜的形成主要富集氧，而沒有進(jìn)行外表掃描的表面則富集鈦。V的濃度發(fā)現(xiàn)在掃描的表面要比非掃描的表面的區(qū)域要高。掃描模式同網(wǎng)板相似的時(shí)候，其初始的強(qiáng)度要下降85%。Marimuthu采用連續(xù)光纖激光研究了激光拋光對SLM制造的Ti6Al4V的影響。該部件是采用45°方向制造的，其平均表面粗糙度為10.2μm。在激光拋光參數(shù)為功率60W，掃描速度750mm/min,光束偏移0.35mm的時(shí)候，平均表面粗糙度為2.4μm。在優(yōu)化的參數(shù)條件下，得到的最小表面粗糙度時(shí)，SEM照片揭示，Ti6Al4V鈦合金在拋光前后其柱狀晶顯微組織沒有發(fā)生顯著的變化。用發(fā)展的計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）來研究熔池動力學(xué)和表面形貌。需要較高的能量來避免熔池速度的增加，從而進(jìn)一步的造成在拋光的表面形成條紋。

Ma等人采用LAM技術(shù)制備了TC4（Ti6Al4V）和TC11鈦合金部件，并對其進(jìn)行了研究。其制造的部件暴露在激光輻照之下來研究表面形貌、顯微硬度和耐磨性的變化。其平均表面粗糙度Sa在TC4和TC11進(jìn)行拋光前后分別從5.226降低到0.375μm和從7.21降低到0.73μm。TC4樣品的顯微組織，據(jù)觀察在激光拋光區(qū)域?yàn)轳R氏體α’，且厚度為170μm。XRD分析表明沉積態(tài) 的TC4部件的相組成為α和β，而在同激光進(jìn)行相互作用之后，其表面顯微組織變?yōu)棣痢�馬氏體相而沒有β相的形成。形成均勻的α’相的原因是在同激光相互作用時(shí)瞬時(shí)的熔化和隨后的快速冷卻。當(dāng)沉積態(tài)的表面皿暴露在激光輻照之下時(shí)，表面溫度升高，當(dāng)溫度超過β相的相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)（大約為1273K），α+β相完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪�。在冷卻過程中，取決于冷卻速率，β相會轉(zhuǎn)換回來形成二次α相或α’馬氏體。形成的相似的馬氏體α’相在TC11中會被觀察到，但拋光區(qū)域只有90μm，對TC4來說，冷卻速率臨界點(diǎn)為410K/S,比TC11高得多。基于摩擦測試分析，觀察到TC4和TC11同沉積態(tài)相比較均得到了提高。這歸因于在激光拋光后形成了硬的馬氏體α’相的緣故。

▲圖1. 激光拋光對TC4合金的影響：(a)LAM部件的表面上進(jìn)行激光拋光的區(qū)域；(b)激光拋光區(qū)域和沉積態(tài)區(qū)域的界面利用SEM進(jìn)行觀察所得到的照片; (c) 沉積態(tài)的表面形貌圖; (d) 激光拋光之后得到的表面形貌圖

▲圖2. 激光拋光對TC11合金的影響：(a)LAM部件的表面上進(jìn)行激光拋光的區(qū)域；(b)激光拋光區(qū)域和沉積態(tài)區(qū)域的界面利用SEM進(jìn)行觀察所得到的照片; (c) 沉積態(tài)的表面形貌圖; (d) 激光拋光之后得到的表面形貌圖

▲圖3. 對TC4鈦合金進(jìn)行激光拋光之后的分析結(jié)果：(a) 總體圖; (b) 激光拋光區(qū)域的顯微組織; (c) 基材的顯微組織; (d) XRD 衍射分析結(jié)果

▲圖4. 對TC11鈦合金進(jìn)行激光拋光之后的分析結(jié)果：(a) 總體圖; (b) 激光拋光區(qū)域的顯微組織; (c) 基材的顯微組織; (d) XRD 衍射分析結(jié)果

同Ma的工作相類似，Li等人也研究了采用SLM制造的Ti6Al4V部件的表面形貌、顯微組織的演變和機(jī)械性能。在激光加工參數(shù)為90W的激光功率、搭接率為10%、掃描速度為150mm/s的時(shí)候，SLM制造的初始粗糙度表面為6.53μm，獲得的最佳平均粗糙度值為0.32μm。一個(gè)3D流體模型和傳熱模型構(gòu)建起來來檢查激光拋光時(shí)溶體的形成和熔池的凝固行為。通過模擬結(jié)果，峰值溫度大約為2800℃，熔池的深度為60μm。沉積態(tài)表面的α+β相轉(zhuǎn)變成馬氏體α’相，這同Ma的研究結(jié)果非常類似，但其冷卻速率為10exp(6)/s。XRD分析、有限元模擬結(jié)果、基材顯微組織、熱影響區(qū)和熔池見下圖5所示。激光拋光之后其表面硬度達(dá)25%，從340HV（沉積態(tài)）上升到426HV（拋光后的表面）。通過摩擦測試，激光拋光后的表面，其磨損速率比沉積態(tài)低39%。連續(xù)快速熔化和熔池的快速凝固造成殘余應(yīng)力的形成，應(yīng)力范圍在300-500MPa。據(jù)觀察，沉積態(tài)和激光拋光的部件，其拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度變化不超過1%，延伸率為5%。激光拋光后的部件，其疲勞強(qiáng)度會有一定程度的減少。這一疲勞強(qiáng)度的減少歸因于SLM制造部件缺陷的減少。

▲圖5. XRD、有限元分析模擬結(jié)果和顯微組織：(a) XRD分析結(jié)果; (b) 橫截面的溫度場分布; (c)激光拋光區(qū)域; (d) HAZ; (e)沉積態(tài)材料的顯微組織

有研究人員報(bào)到了采用激光拋光技術(shù)對電子束增材制造（EBM）的鈦合金Ti6Al4V部件進(jìn)行處理，該部件代表了粉末床制造部件時(shí)表面粗糙度最差的案例。選擇這一部件作為一個(gè)案例來研究和評估激光表面拋光技術(shù)在提高AM制造部件的表面質(zhì)量方面的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其表面粗糙度可以降低到Sa=0.51μm，這一數(shù)值幾乎同CNC加工的表面相當(dāng)。在AM制造時(shí)存在的缺陷在激光拋光后也得到了消除。然而，重熔層經(jīng)受著織構(gòu)的變化，晶粒尺寸和馬氏體相變的發(fā)生，這是重復(fù)的激光束來回掃描造成的原位回火造成的，造成亞表面的硬度提高。此外，高水平的近表面的殘余應(yīng)力也會在激光拋光的時(shí)候生成，盡管這一應(yīng)力會在隨后的應(yīng)力釋放熱處理過程中得到消除。

▲圖6. 激光拋光對EBM制造的鈦合金部件進(jìn)行拋光后得到的結(jié)果的總體圖

▲圖7. 在采用EBM粉末床手段制備Ti6Al4 V樣品的垂直方向上觀察到的高度方向的粗糙度和典型的基材亞表面的缺陷：(a) 沉積態(tài)的表面SEM照片; (b)和 (c)高分辨率X射線CT掃描（XCT） 的分析結(jié)果表明表面的侵入缺陷（見箭頭）；(d) 電化學(xué)拋光后的牙科植入物表面 實(shí)物圖

▲圖8. 沒有拋光和進(jìn)行了激光拋光的測試區(qū)域，所有的實(shí)驗(yàn)均在優(yōu)化的參數(shù)下進(jìn)行，在EBM樣品的垂直邊進(jìn)行的，(a) 沒有進(jìn)行激光拋光的EBM制造的鈦合金部件的表面 , (b) 激光對EBM制造的部件表面進(jìn)行拋光后得到的表面 , (c)激光拋光區(qū)域和沒有進(jìn)行拋光的區(qū)域在宏觀放大倍數(shù)下觀察到的結(jié)果, (d) 激光拋光后放大的區(qū)域 (來自圖 (b)中的線框區(qū)域); 其中箭頭區(qū)域在（a）中為深度的局部的表面侵入的缺陷

▲圖9. 激光表面拋光后通過表面輪廓測量設(shè)備在不同的維度測試得到的表面粗糙度的變化：(a) SEM照片顯示原始表面原始表面和拋光后的表面的對比圖；(b) 在面積為2 mm × 6 mm的區(qū)域內(nèi)，采用激光輪廓儀測量得到的等效的過渡區(qū)的結(jié)果（激光拋光區(qū)和非拋光區(qū)）, (c) 激光拋光的表面，測量的區(qū)域?yàn)?0.65 mm × 0.86 mm, (d) 采用白光干涉儀測量的 0.13 mm × 0.17 mm 區(qū)域的結(jié)果

▲圖10. XCT測量的樣品的結(jié)果： (a) 激光拋光區(qū)域和 (b) AM基材的結(jié)果

結(jié)果顯示激光拋光技術(shù)可以顯著且成功的應(yīng)用到EBM制造的Ti6Al4 V部件的表面處理上，并極大的降低了表面的粗糙度。然而，激光拋光工藝可以顯著的改變部件的顯微組織和殘余應(yīng)力。

•激光拋光減少了EBM制造的鈦合金部件的表面粗糙度，減少程度達(dá)到了75%，前提是當(dāng)測量范圍為mm級別的時(shí)候，但在微米級別進(jìn)行測量的時(shí)候，其表面粗糙度水平可以達(dá)到 Sa = 0.51 μm的水平。這一提高的水平同機(jī)械拋光或機(jī)加工的表面幾乎說相當(dāng)。此外，激光拋光還移除了表面的應(yīng)力而不對材料產(chǎn)生損失。

表面薄層（200 μm深度）在激光拋光過程中的重熔之后呈現(xiàn)出不同的晶粒細(xì)化結(jié)構(gòu)和一個(gè)重新的方向的織構(gòu)，相對AM制造的基材來說。在重熔層的柱狀晶重新自基材進(jìn)行外延生長而朝向熔化的表面，具有不同的擇優(yōu)生長方向。這同熔化的表面的方位的改變和相對原始的MA制造的相對掃描方向相關(guān)。

•在材料表面深度大約450 μm的地方存在一個(gè)熱影響區(qū)。這一熱影響區(qū)存在一個(gè)大約300 μm深度的亞表面，幾乎為完全的 β 退火相，與此同時(shí)還有部分過渡相轉(zhuǎn)變成。這一完全轉(zhuǎn)變區(qū)域大約經(jīng)受了一個(gè)馬氏體轉(zhuǎn)變的冷卻，緊隨其后的是原位的分解，并分解成一個(gè)非常細(xì)小的α + β薄層結(jié)構(gòu)，這是在隨后的光束掃描中發(fā)生的。部分轉(zhuǎn)變的過渡層包含一個(gè)體積遞減的二次 α相和增加體積的粗大的出生 α板條相且具有一定深度。

•結(jié)果，亞表面的非常精細(xì)的顯微組織的存在，造成在同一深度的顯微硬度有一個(gè)小程度的增加，此時(shí)熱影響區(qū)在激光拋光后也產(chǎn)生。

•在本實(shí)驗(yàn)中使用的參數(shù)條件下，經(jīng)過拋光會在部件表面誘導(dǎo)一定程度的殘余拉應(yīng)力（高達(dá)580MPa），隨著深度的增加而快速的降低。然而，殘余應(yīng)力可以通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)力釋放熱處理來進(jìn)行幾乎完全的釋放。

•在優(yōu)化的參數(shù)條件下，激光拋光被發(fā)現(xiàn)不存在裂紋，或其他的缺陷，但存在一個(gè)相似的低程度的氣孔。