納秒激光對激光3D打印的鈦合金表面進(jìn)行拋光

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

據(jù)報道，采用納秒激光對激光增材制造的鈦合金進(jìn)行激光拋光具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

成果簡要：
前面已經(jīng)有諸多的研究結(jié)果表明，激光拋光工藝在對表面粗糙度小于10μm的初始表面進(jìn)行拋光是非常有效的。然而，對增材的制品的表面進(jìn)行拋光所獲得的性能，在表面形貌程度不同和粗糙度大于10μm的研究方面還是不充分的。

來自泰國王科技大學(xué)（King Mongkut's University of Technology Thonburi）  的研究人員瞄準(zhǔn)在表面粗糙度不同且起始形貌不同的增材制造樣品進(jìn)行激光拋光的有效性。3D打印后和激光噴丸后的鈦合金Ti6Al4V合金具有不同的粗糙度，在不同的加工工藝條件下進(jìn)行了激光拋光。設(shè)置了三種不同的參數(shù)組合來進(jìn)行研究起始表面粗糙度。激光掃描速度、激光脈沖重復(fù)頻率、掃描道次以及氬氣流量對激光拋光后的表面粗糙度和形貌的影響。使用較慢的掃描速度、高的激光脈沖重復(fù)頻率以及躲到掃描時可以獲得較為光滑的表面。除了起始表面粗糙度之外，表面光潔度的提高還同起始表面形貌密切相關(guān)，當(dāng)采用合適的工藝參數(shù)進(jìn)行拋光時，表面粗糙度可以提高到73%左右。本文的研究結(jié)果提供了激光拋光以及該工藝在光滑3D打印表面粗糙度上的深入的研究結(jié)果。增材制造部件的后加工，尤其是表面粗糙度是一個關(guān)鍵的問題，將會從激光拋光中獲益。


背景介紹：
增材制造在制造復(fù)雜形狀的部件方面同傳統(tǒng)制造工藝相比較具有獨(dú)特的優(yōu)勢。但比較遺憾的是，金屬增材制造部件的表面具有比較典型的5到17μm之間的粗糙度。這一點(diǎn)比傳統(tǒng)工藝的機(jī)加工的表面粗糙度要差。這些表面往往還存在不理想的缺陷，如內(nèi)部空隙、裂紋和部分未熔的粉末顆粒，從而造成表面粗糙度比較差。盡管增材制造的部件，氣表面粗糙度可以通過傳統(tǒng)的機(jī)加工倆進(jìn)行拋光，而這一策略僅僅適合形狀比較簡單的部件和表面易達(dá)性比較好的部件。當(dāng)部件尺寸或表面要拋光的區(qū)域比較小（如小于mm）或部件比較復(fù)雜的時候，就需要進(jìn)行特別的設(shè)計以滿足機(jī)加工的設(shè)備和工裝的設(shè)計。

激光增材制造時，由于梯度效應(yīng)所造成的臺階效應(yīng)以及表面形成的較為粗糙的表面實物圖和測量得到的結(jié)果

激光工藝在光滑金屬表面這一方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，該工藝不需要額外的工具對工件進(jìn)行物理接觸。該工藝依靠的是表面的重熔和激光重熔層的再凝固。當(dāng)金屬表面被足夠高能量的激光所照射時，其表面經(jīng)受一定程度的重熔，再分布和通過表面拉應(yīng)力和重立的作用下，在凝固之前實現(xiàn)了光滑表面。熔化層的整個厚度小于波谷到波峰的高度，從而讓整個熔化的金屬填充到附近的波谷中，這一填充的驅(qū)動力是通過毛細(xì)效應(yīng)來實現(xiàn)的，而較厚的熔化層則會促使液體金屬從熔池中心向外流動，驅(qū)動力是熱毛細(xì)效應(yīng)或馬可尼效應(yīng)，從而讓其重新分布，如下圖所示。激光拋光的機(jī)理是表面窄熔和表面過熔。

激光拋光的工藝過程（上圖）以及幾種典型的激光拋光工藝過程（下圖）（Laser polishing process）

(a) 激光拋光的示意圖和 (b) 增材制造鈦合金的示意圖

激光噴丸后鈦合金的表面粗糙度和形貌: a Sa = 10 μm; b Sa = 15 μm

在不同參數(shù)下進(jìn)行激光拋光時得到的區(qū)域粗糙度： a–b 激光脈沖頻率何掃描速度變化的時候； c激光掃描搭接率的變化 ； d  激光能量密度變化

鈦合金表面粗糙度Sa 為 10 μm時進(jìn)行激光拋光后得到的表，現(xiàn)形貌: a 激光脈沖頻率為500-kHz何掃描速度為 50-mm/s  ; b 激光脈沖頻率為500-kHz 且掃描速度為 100-mm/s

鈦合金表面粗糙度Sa 為 15 μm時，激光拋光后得到的樣品的表面形貌: a 激光脈沖重復(fù)評率為500-kHz何掃描速度為 50-mm/s ; b 激光脈沖頻率為500-kHz何掃描速度為 100-mm/s

激光拋光后樣品的橫截面: a SEM照片; b EDS 元素面分布，主要是元素氧和鈦

鈦合金表面粗糙度Sa 為 10 μm的時候，激光拋光后得到的表面形貌: a 三道次掃描且要求流量為0-l/min; b三道次掃描且氬氣流量為 20-l/min  

在表面粗糙度Sa為15 μm時，激光拋光后鈦合金的表面形貌: a 三道次掃描且氬氣流速為0-l/min; b掃道次掃描且要求流速為 20-l/min

增材制造后，沒有進(jìn)行激光拋光的樣品的 (a) 頂部和 (b) 側(cè)邊

激光拋光后的表面形貌：增材制造鈦合金的(a) 頂部和 (b)側(cè)邊 ; c 激光拋光區(qū)域和沒有進(jìn)行拋光區(qū)域的比較

激光拋光和沒有拋光的放在一起的對比圖

激光拋光后的顯微組織：a 次表面的顯微組織；  b 激光拋光后樣品中存才表面裂紋的情形

SLM制造的鈦合金Ti-6Al-4 V 部件經(jīng)過激光拋光后的實物圖 及其測量結(jié)果

主要結(jié)論：

在這一研究中，采用納秒激光來對激光增材制造的鈦合金 (Ti6Al4V)進(jìn)行拋光。采用激光噴丸和激光增材制造后的樣品，兩者含有不同程度的表面粗糙度和表面形貌，進(jìn)行了激光拋光。初始的表面粗糙度、激光掃描速度、激光脈沖重復(fù)頻率、掃描道次以及氬氣的流量等參數(shù)對激光拋光后的形貌和粗糙度通過實驗進(jìn)行了研究。本文研究的主要結(jié)論如下：

1)

增材制造樣品的頂部的 Sa 和側(cè)面的粗糙度在激光拋光后，改善程度分別為27%和73%，而激光噴丸后的樣品進(jìn)行激光拋光后可以得到幾乎等同的粗糙度 Sa 。這一結(jié)果意味著改善的程度不僅取決于初始的表面粗糙度，還取決于工件表面的形貌。

2)

增材制造樣品側(cè)邊的重熔會更加顯著，從而部分熔化的粉末在表面沉積會比其他區(qū)域吸收更多的激光能量。然而，熔池的快速冷卻會導(dǎo)致在拋光表面形成微小裂紋。

3)

采用慢的掃描速度（50 mm/s），伴隨著較高的激光脈沖重復(fù)頻率(500 kHz)和多導(dǎo)掃描（3道次）可以獲得令人滿意的表面粗糙度。氬氣流速對表面質(zhì)量的改善，在激光拋光的時候并不明顯。

4)

激光拋光的表面和沒有進(jìn)行激光拋光的表面，其內(nèi)在的顯微組織結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生明顯的改變。以 α′相為代表的馬氏體相主要在表面形成。較小比例的殘余β相在拋光后的表面上可以觀察到。此外，熔化后金屬的顯微硬度，在激光拋光后從370Hv增加到512Hv。

5)

增材制造的鈦合金 Ti6Al4V在激光拋光后其表面粗糙度和形貌得到了改善。目前的研究結(jié)果可以成為增材制造部件的表面，在粗糙度是一個關(guān)鍵問題時的解決方案，例如生物植入器械，牙科以及其他同生物功能相關(guān)的產(chǎn)品。

激光拋光后的應(yīng)用案例：工程部件和醫(yī)療用部件（下圖）（資料來源：Fraunhofer ILT, Laser material Processing, Polishing, Aachen, Germany)）

激光3D打印的AISI H11樣品進(jìn)行激光拋光的實物圖

文章來源：Jaritngam, P., Saetang, V., Qi, H. et al. Surface polishing of additively manufactured Ti6Al4V titanium alloy by using a nanosecond pulse laser. Int J Adv Manuf Technol 127, 3463–3480 (2023). https://doi.org/10.1007/s00170-023-11722-5


參考資料：Lee S, Ahmadi Z, Pegues JW, Mahjouri-Samani M, Shamsaei N (2021) Laser polishing for improving fatigue performance of additive manufactured Ti-6Al-4V parts. Opt Laser Technol 134:106639. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106639

Gisario, A., Barletta, M. & Veniali, F. Laser polishing: a review of a constantly growing technology in the surface finishing of components made by additive manufacturing. Int J Adv Manuf Technol 120, 1433–1472 (2022). https://doi.org/10.1007/s00170-022-08840-x

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.155833

https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128872

https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128179