【激光表面改性技术】贵州大学傅广等：激光选区熔化铜合金多道成形的熔池行为和缺陷机理
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2024-09-25 18:41
重庆
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铜合金具有耐腐蚀、高导电导热性等优异性能，常被用于航空航天、电子信息等重要领域。随着这些领域的快速发展，其关键装备的迭代亦逐渐朝着整体化、复杂化、结构功能一体化等方向发展。然而，传统的加工技术难以满足铜合金在这些重要领域的迫切需求。激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）作为极具发展潜力的增材制造工艺之一，通过控制高功率激光束选择性地熔化金属粉末层，待第一层熔融粉末冷却成形后，基板向下移动1个粉末层高度重新铺设粉末。不断重复此过程，可以制造出具有复杂结构金属零件。这种逐点逐线逐层制造的方式赋予了SLM技术在快速制造复杂结构、高效利用原材料、性能与锻件水平相当、可高度优化产品结构和适应个性化小批量生产等方面具有独特优势。因此，SLM技术在航空航天、生物医学和汽车等各个领域得到了广泛应用。贵州大学傅广副教授团队针对激光选区熔化成形铜合金零件中孔隙缺陷的质量问题，采用数值模拟与试验相结合的方法分析不同扫描间距对SLM铜合金单层多道成形工艺的影响。其中，综合运用射线追踪算法和计算流体力学等相关理论和方法深入揭示单层多道SLM成形铜合金熔池的动力学行为、激光吸收反射行为以及相邻轨道间缺陷的演变过程，为制造高致密度铜合金的工艺优化提供参考。扫描间距为100 μm时，不同时间熔池的温度场及熔化凝固过程如图1所示。图1a~c是第1道成形熔池随时间的动态演变过程，图1d~f则对应第2道的熔池演变过程。从图1中可以看出，铜合金粉末经高能量激光照射后熔化，开始形成液态熔池。随着激光沿着扫描方向移动，熔池也随之移动。激光垂直作用区域下的温度明显高于其他区域，熔池形状呈现不规则圆形。由于粉末的随机分布会影响材料对激光能量的吸收，因此不同时间凝固轨道的表面和熔池形状有所差异，但前一轨道与基板和下一轨道都建立了良好的连接。![]()
从图2中可以看出，SLM成形第1道全局吸收率的拟合回归曲线呈现出先上升、后下降、最后稳定的趋势，对应着熔池的初始阶段、发展阶段、稳定阶段。处于初始阶段时，激光照射在金属粉末颗粒上，全局吸收率开始持续上升![]()
对应扫描间距下的试验结果如图3所示。从图3a可以看出，当扫描间距较小时，相邻轨道间连接紧密，未发现明显的孔隙。随着扫描间距的增大，孔隙的数量变多变大，100 μm的扫描间距下只发现1个孔隙，而130 μm的扫描间距下出现了大量未熔合的孔隙。这可能是因为相邻凝固轨道间的金属颗粒未被激光加热，且被熔化金属粉末的液态熔体只在一定范围内向四周流动铺展，因此相邻凝固轨道间没有形成良好的连接。综上所述，扫描间距对SLM熔道成形起着重要的作用，选择合适的扫描间距有助于相邻熔道适当重熔。虽然增加扫描间距可以有效提升成形效率，但会引起孔隙缺陷等成形质量的问题。因此，在生产效率与金属零件的成形质量之间应综合考虑。![]()
本文基于建立的高保真度三维介观数值模型，对CuCrZr铜合金进行了多道SLM成形数值模拟，研究了熔池动力学和激光反射吸收行为，揭示不同扫描间距对熔池和激光反射吸收的影响，分析了多道SLM成形中孔隙缺陷。主要结论如下：
1）多道SLM成形中，前一次激光扫描成形熔道会对后一次激光扫描熔道起到预热作用，因此后一条熔道的宽度相对前一熔道有所增加，从117.8 μm增大至124.1 μm。往复扫描情况下，第2条熔道与第1条熔道的起始和结束区域都存在一定的高度差。扫描间距对熔池演变有着重要的影响，熔池尺寸、熔道形貌、熔池表面流速都与其相关。2）多道SLM成形的全局激光吸收率拟合的回归曲线呈现出先上升、后下降、最后稳定的趋势，分别对应熔池的初始阶段、发展阶段、稳定阶段。初始阶段中，全局吸收率因为金属粉末颗粒吸收能量熔化，成液态熔池和凹陷区域而呈现上升状态；发展阶段中，全局吸收率因为传热环境的改善而呈现下降状态；稳定阶段中，全局吸收率因为激光与材料相互作用的平衡，以及吸收能量和散发能量的平衡态，在一定的范围内震荡。改变扫描间距会对激光反射吸收造成影响，当激光扫描相邻搭接重叠区域时，全局吸收率会产生剧烈波动。3）多道SLM成形中的孔隙缺陷与扫描间距密切相关。较小的扫描间距可以使相邻轨道大部分重熔，气孔缺陷可以在熔池中获得逃逸的机会；而当扫描间距增大时，相邻熔道间的粉末没有足够的能量被未完全熔化，最终形成未熔合缺陷。该文章发表在《表面技术》第53卷第15期。
引文格式：傅广, 李舒玥, 李泓历, 等. 激光选区熔化铜合金多道成形的熔池行为和缺陷机理[J]. 表面技术, 2024, 53(15): 118-128.
FU
Guang, LI Shuyue, LI Hongli, et al. Melt Pool Behaviour and Defect Mechanism in Multi-track Formation of
Selective Laser Melting Copper Alloys[J]. Surface Technology, 2024, 53(15):
118-128.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.011
