激光抛光形状复杂且薄壁的增材制造的金属零件

江苏激光联盟导读：

　　介绍了采用激光抛光技术对LMD制造的形状复杂且薄壁的316L不锈钢零件进行抛光的实验和实践结果。

　　成果简介：

　　激光增材制造技术具有快速制造复杂形状且薄壁的金属零件的优点，从而在生物医疗和航空工业中得到应用。同SLM相比较，LMD具有制造大型部件和梯度成分零件的优势。然而，从美学或摩擦学的观点出发，LMD的表面需要进行额外的抛光操作。而目前常用的抛光操作通常是利用磨料或化学腐蚀的办法进行。这些传统的办法通常存在以下问题，如由于形状复杂而造成可达性差、对环境的不利影响、费时和费钱以及对操作者的健康造成威胁等。为了解决这一问题和提高部件的表面质量，采用激光抛光技术来解决这一问题。基于激光对材料的熔化，激光抛光技术可以实现对初始表面形貌的光滑。然而，LMD和激光抛光技术均属于基于激光技术来实现的。因此，可以将LMD工艺直接同激光抛光集成在同一设备上。而且，在操作过程中可以来回切换两种工艺为实现对不易达到区域的部件进行处理。在当前，很少有研究是关于激光抛光增材制造制品的。在本文中，提出的思路对激光增材制造的制品进行了激光抛光研究，依据抛光参数的不同，结果可以显著的提高表面质量。该实验研究包括激光抛光薄壁零件，其目的是为了开发新的激光抛光应用。依据制造工艺链，最终的目标是为了实现一个多步处理工艺以优化最终的形貌和制造产品的形状。

　　1.引言

　　基于激光熔化喷射粉末的工艺，LMD技术可以直接成型复杂形状的零件。同SLM和SLS相比较，LMD工艺可以直接成型较大尺寸的零件和梯度的材料。LMD也可以成型薄壁零件，如应用于生物机械或航空航天场合中的减重。整合在一个5轴磨加工机床或一个人形的机器人中，激光熔化粉末以实现理想目标物体的制备，层层堆积和不断的沉积而实现如图1所示的制造。基于数控机床，是有可能在一个设备上集成实现复合加工的，即实现LMD制造、激光抛光（LP）和磨加工。

　　▲图1. LMD 的制造工艺

　　然而，LMD所制造的部件其表面质量的确是一个问题，从而限制了该技术在工业中的应用。从审美学和摩擦学角度出发，其制造的表面需要进行抛光处理。基于研磨和电化学抛光的工艺，面临着许多缺陷。对自动化抛光来说，对复杂部件存在可达性差的问题，这一问题是研磨工具的直径造成的。实际上，如果手动抛光的话，则是一项又累又慢的操作工艺。最终，任务的重复性和残余的金属粉末会对操作者造成健康伤害。至于电化学抛光，则存在对环境污染的问题，这是因为使用的化学腐蚀液的缘故。为了解决这一问题和提高LMD制备的部件质量，人们开始研究激光抛光，在很久以前，人们曾经利用激光抛光来抛光金刚石或光学镜片。现在人们开始应用激光抛光来抛光金属，由此可以降低抛光所用的时间和达到10-200s/cm2的处理速度，具体处理速度取决于原始的表面状态。激光束作用在物体的表面，其尖峰被熔化。伴随着表现张力的变化，溶体金属重新分配进入到凹坑中以光滑原始表面，见图2所示。最终的表面形貌取决于激光作用于材料表面的参数以及所最终的原始形貌和激光抛光所采用的策略。

　　图2. 激光抛光工艺的原理图

　　2. 存在的问题

　　一些研究集中在SLS制品的表面抛光上，很少有研究是LMD表面的抛光研究。激光抛光厚截面的部件表面曾经被研究，但多局限于航空和生物机械零件上的应用。本文提出的策略主要是对LMD制造的复杂形状且薄壁的零件的抛光。由于LMD和LP均属于基于激光的工艺过程。所以本研究将LMD技术和LP技术集中在同一个5轴设备上，以期提高产能。此外，激光抛光技术可以在每沉积一层时施加激光抛光工艺。基于对激光加工参数和扫描策略的实验研究，提出的研究基于表面粗糙度和表面完整性的表面形貌优化。最后，研究还考虑了最终的表面粗糙度，在第一个方案中，真实部件的形状尺寸的偏差，也引入进来用以定义工艺参数。

　　3. 实验测量

　　初始的表面形貌的获得是根据复杂的部件来作为实验对象。事实上，实际上有很多办法来制备功能部件。LMD工艺是一种基于垂直面或平面的制造策略。初始的表面形貌是扫描策略的函数。依据复杂部件的制造要求，见图3，采用垂直策略来制造 316L薄壁截面部件。在LMD和LP中均使用Ar进行保护以防止表面发生氧化。

　　4. 研究结果

　　A初始的形貌

　　最终的表面形貌取决于抛光参数、扫描策略和初始的部件表面形貌。同研磨的表面不同，激光抛光后的表面形貌是均匀的，LMD的表面则更加复杂无章法、不均匀和由两种不同的织构所组成，见图4所示。这些现象是同层层沉积的方法相关联的。第二种是紊乱的，则是部分未熔化的粉末造成的。这一现象可以依据表面的颜色来区分。依据所采取的制造策略，Ar并不能充分的进行保护。换言之，有效地气体保护取决于Ar气流的方向。

　　B可行性研究

　　实验的第一个考虑就是激光抛光的可行性研究，其研究是依据两个不同的情况进行开展。这些目标是指最终的形貌光滑程度和抛光后的表面。在这一研究中，将分析主要几种对表面的影响上。激光抛光之后，其表面并没有被冲击，其表面实现了光滑，然而，最终的形貌并不是完美的光滑和并不是最优的结果，见图5所示。最终的形貌仍然包括缺陷，如材料的熔滴和微裂纹等，这些材料的熔滴会增加材料表面的粗糙度和影响摩擦性能，微裂纹的存在会降低材料的表面疲劳抗力。此外，激光抛光还会造成变形，这一变形时抛光薄的表面时的传热造成的。

　　C 对材料熔滴缺陷的冶金分析

　　为了了解表面缺陷的成分，采用扫描电镜进行了分析。其分析结果表明材料熔滴中存在SiO2氧化物，见图6所示。Si来自AISI 316L粉末，在激光抛光的过程中变成SiO2氧化物熔滴，氧化物的形成同LMD制造的表面环境相关。

　　5. 参数优化

　　为了提高表面的光滑程度，采用了多道扫描策略进行抛光。多道抛光就是采用同一激光参数对同一位置进行抛光。依据抛光参数的不同，扫描次数可以是一次到5次。结果，增加扫描道次会提高表面形貌的光滑程度，见图7所示。经过五次抛光之后，初始的形貌得到了极大的改善，见图8所示。这一抛光策略可以将表面粗糙度从初始的Sa为21μm下降到0.79μm，其表面粗糙度减少量为 96%。