【激光表面改性技术】北京建筑大学袁美霞副教授等：SLM成形钛合金薄壁结构边缘挂渣及中心凹陷研究
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2024-09-03 18:08
重庆
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近年来，基于选区激光熔化（SLM）在原材料及其形状等方面应用的灵活性，它在医疗、航空航天和汽车零件制造等领域受到格外关注。尽管该技术在材料性能和力学性能方面取得了进步，但针对精细复杂的结构仍存在一定挑战。复杂结构的设计不可避免会涉及薄壁结构，SLM成形薄壁存在尺寸误差大等问题，这成为打印高质量构件的障碍。薄壁结构的打印成形主要依赖打印工艺参数和材料参数，由于其几何特征较小，成形质量往往取决于单熔道熔池特性。采用不同激光参数组合和扫描策略，在很大程度上会影响SLM过程中熔池的几何尺寸和形状。为研究SLM成形Ti-6Al-4V薄壁结构的能力，北京建筑大学袁美霞副教授团队设计了具有厚度变量的结构，采用全因子试验方法探究了激光功率、扫描速度、壁厚对SLM成形薄壁边缘挂渣的影响规律以及作用机理，同时考察了激光功率与扫描速度耦合作用下的激光能量密度对薄壁精度的影响，最后探究了薄壁中心凹陷现象的主要形成原因，通过以上数据来评估影响测量目标的主要因素及这些因素之间的耦合机制，为薄壁结构的成形提供参考。为了更直观地分析不同参数对薄壁挂渣区域厚度的影响，采用基恩士对3组工艺参数下成形厚度为T1—T4的薄壁上表面的微观形貌进行观察（黑白色背景图为激光图，彩色背景图为高度图），结果如图1所示。图1明确地反映了薄壁宽度对挂渣区域的影响，同时也反映了激光功率和扫描速度对挂渣区域厚度的影响。如图1a、b所示，当激光功率不变时，虽然在上述分析中发现扫描速度为800、1000 mm/s时形成的薄壁挂渣区域厚度更小，但从薄壁表面质量角度分析，较大的扫描速度引起的球化及飞溅缺陷较多。在扫描速度过高的条件下，成形的液态金属在表面张力作用下急剧收缩，容易出现球化及熔道不连续等缺陷。当扫描速度不变时，随着激光功率的增大，不同壁厚的边缘均呈现挂渣区域变大的趋势，如图1a、c所示。值得注意的是，当激光能量密度相同时，不同的工艺参数也会引起尺寸误差。如图2所示，当激光能量密度为50 J/mm3时，虽然在P=250 W，v=1000 mm/s时具有较小的薄壁尺寸误差，但相较于P=200 W，v=800
mm/s条件下，高扫描速度引起的球化现象较为严重，表面缺陷较多。可见，在低激光功率下，对应的低能量密度可以获得误差较小的薄壁结构。同时，为了避免薄壁上表面出现过多的缺陷，应选择合理的扫描速度。![]()
如图3所示，不同厚度薄壁上表面的凹陷程度也不同。随着薄壁厚度的增大，薄壁边缘与中心的高度差随之增大。为了更明确地阐明上述现象，使用基恩士采集了不同厚度薄壁上表面的轮廓数据，如图3b所示。随着薄壁厚度的增大，轮廓跨度随之增大。特别是在薄壁边缘处，薄壁形貌高度急剧下降。将造成上述现象的原因分为2个部分进行讨论，一部分为薄壁边缘高度急剧下降的区域（如图3a中凹陷区域A所示）；另一部分为薄壁中心高度下降平缓的区域（凹陷区域B）。![]()
在热固耦合状态下，变形及应力分布仿真结果如图4所示。由图4a可知，沿着y方向，试件的变形量呈现两端大、中间小的趋势。这种趋势使得薄壁两端出现翘曲。翘曲现象的出现与试件的残余应力密切相关。试件残余应力的分布结果如图4c所示，沿着y、x方向的残余应力分量分别如图4b、d所示，沿长度方向残余应力的分布呈现中间大、两边小的趋势。如图4b所示，沿y方向的应力分量对薄壁结构的变形起着主导作用。薄壁中间受拉、两端受压的方式增大了薄壁结构两端的翘曲现象。同时，在x方向残余应力的作用下，薄壁中心区域的高度相对于四周的高度较低，从而形成凹陷现象。![]()
1）薄壁边缘挂渣现象对薄壁尺寸精度的影响较大，薄壁厚度越小，这种影响越明显。增大薄壁厚度可以减少边缘挂渣现象，当薄壁厚度达到2 mm时，边缘挂渣区域厚度较小。采用低激光功率、高扫描速度有助于减小挂渣厚度，但过高的扫描速度容易造成表面缺陷。相对于扫描速度，激光功率对薄壁挂渣厚度的影响更大。增大激光功率，一方面通过影响散热区域，增大挂渣区域；另一方面会造成熔道误差增大，进而影响薄壁厚度。2）激光能量密度越大，则SLM成形薄壁尺寸误差越大，二者存在三次非线性关系。在工艺参数不同、激光能量密度相同的条件下，成形的薄壁厚度误差表现出较大差异。采用低激光功率，对应的低能量密度可以获得误差较小的薄壁。当能量密度为44.44 J/mm3时，薄壁获得了最小壁厚（529.37 μm）。此时，试验获得了成形薄壁结构误差最小的工艺参数：P=200 W，v=900
mm/s，h=50 μm。3）在SLM成形过程中，受到扫描策略的影响，薄壁边缘熔道轨迹方向与内部熔道轨迹方向不一致。勾边扫描策略是造成薄壁边缘高度急剧下降的主要原因。同时，残余应力的不均匀分布导致薄壁边缘存在热收缩和翘曲现象。在勾边扫描策略和残余应力导致的翘曲变形的共同作用下，出现了薄壁中心凹陷现象。该文章发表在《表面技术》第53卷第13期。
刘琪, 袁美霞, 寇莛彧, 等. SLM 成形钛合金薄壁结构边缘挂渣及中心凹陷研究[J]. 表面技术, 2024, 53(13): 187-197.
LIU Qi, YUAN Meixia, KOU Tingyu, et al. Research on Edge Slagging and Center Depression of Thin Walled Titanium Alloy Structures Formed by SLM[J]. Surface Technology, 2024, 53(13): 187-197.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.018
