316L 选区激光熔化增材制造熔池搭接堆积形貌分析

吴伟辉 杨永强 毛桂生

(①韶关学院物理与机电工程学院，广东 韶关 512005;②华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640)

目前，增材制造技术已向直接快速制造功能性零件的方向发展［1-2］，选区激光熔化可采用多种纯金属或合金材料(不锈钢、工具钢、钛合金等)，直接制造相对密度接近或达到100%，总体力学性能比铸造方法制成的金属件好，尺寸精度及表面粗糙度优良，仅需或无需简单后处理(如喷砂、抛光等)即可直接投入实际使用的金属零件［3-6］，是增材制造技术发展趋势的典型代表［7］，因而具有广阔的发展前景。

选区激光熔化采用逐道熔线相互搭接形成层面，逐个层面相互堆积，最终形成零件的原理，因而熔池的搭接及堆积形貌对成型质量的影响十分重要。但当前文献对这方面的研究还不够深入，为此，本文针对316L 不锈钢材料在选区激光熔化成型过程中的熔池搭接及堆积形貌特征展开研究，归结出其特征与主要加工参数之间的关系，据此研究熔池搭接及堆积形貌的优化方法，并进行实验验证。

1 选区激光熔化成型过程的熔池搭接堆积形貌特征分析

1.1 同层内的熔池搭接形貌的特征分析

如图1 所示，选区激光熔化增材制造是一个逐道熔池相互搭接形成成型面，逐个成型面相互堆积形成体的过程。因而成型零件的成型包括了同一层内的熔池搭接以及不同层间的熔池堆积，其形貌也决定于这两个方面。

图2 是同层内多道熔线搭接的分析模型。该模型中，粉层铺设在一块铁基板上，然后采用激光逐道熔化金属粉末，熔化所得的金属熔线(这里显示了4 道)再相互搭接成面，形成与切片图形轮廓一致的金属切片层。由图2 可知，同层内的熔线搭接形貌与扫描策略、铺粉厚度、激光参数密切相关。

为使金属切片与上一层牢固接合，选区激光熔化成型过程需采用激光将上一层部分固体金属熔化，这部分熔化的金属也构成了熔线的一部分(另一部分由熔化金属粉末得到)，对上一层部分固体金属的熔化量主要由激光功率、成型平台上的光斑直径、铺粉厚度3 个参数及材料的熔点决定，激光功率越高、成型平台上的激光光斑直径越小、铺粉厚度越薄、材料熔点越低，激光对上一层固体金属的熔化深度越大。

每根熔线截面既受激光熔化本道熔线的形貌影响，也受相邻下一道熔线形成过程的影响。在进行下一道熔线成型前，当前熔线的底部呈碗状，而顶部的形状受到液态表面张力以及底部熔池熔液的粘附力共同作用［8］，一般呈图2 所示的弧形。当完成下一道熔线成型后，根据扫描的方向，前一道熔线的部分形貌将因部分重熔而被后一道熔线擦除，擦除部分的多少取决于扫描间距的大小，扫描间距越小，擦除部分越多。最终形成图2 所示的鱼鳞片状单层结构。

1.2 多层熔池堆积形貌的特征分析

多层熔池的堆积形貌受到扫描策略的极大影响，如图3a 所示，当采用X 或Y 向扫描策略时，由于各层采用的扫描策略都是相互平行且层内各扫描线间的扫描间距是相等的，因而所获得的沿垂直于扫描方向的多层组织形貌呈形貌规则的鱼鳞片状，但是，由于相邻两层的扫描起始顺序正好相反，相邻两层内的熔道被下一熔道抹去痕迹的顺序也正好相反。

如图4a 所示，为使层与层或层与基板间具有完全的冶金结合组织，每一层的熔化深度(图中标号1、2、3、4 对应的厚度)都远大于铺粉厚度δ，这是选区激光熔化增材制造里一个很重要的特点。

单向扫描策略数据处理简单，算法可靠，但是，由于扫描线都在同一个方向上(X 向或Y 向)固定，极易引起热变形以及凸点累积。因此，在增材制造过程中，更多地采用了图3b 所示的X -Y 正交扫描策略。这种扫描策略，相邻两层的扫描线相互垂直，使得成型过程中热量分布较为均匀，因而变形也较小。

2 实验验证及分析

2.1 成型设备与实验条件

采用以华南理工大学为主研制的激光选区熔化增材制造样机DiMetal280 作为工艺试验平台。该设备的技术指标见表1。实验材料为316L 不锈钢，颗粒度为300 目，球形分布。成型过程用氩气局部保护。在A3 钢基板上进行，成型后的组织采用200 倍显微镜观察。

表1 DiMetal280 设备的技术指标

2.2 多层成型件组织分析

图5 是采用单向扫描策略以及采用X -Y 正交扫描策略的成型件内部组织显微照片。图5a 中，包括了最后一层的形貌，但受限于放大倍数，未能包括首层的形貌;在图5b 中，由于拍照部位并非位于第一层和最后一层，因而照片中没有首层和最后一层的形貌。由图可知，图5a 的熔池堆叠大致和图4a 一致，图5b 的熔池堆叠大致遵循图4b 所示的理想状态。但由图5可知，实际熔池的堆叠和理想状态也存在3 个不同之处:

①存在相邻两排熔池形状大小不一的现象(如图5a 中的A、B 两排熔池);

②各层厚度不均(如图5b 的C、D)。

③层与层之间的分界线不平直，存在起伏(如图5b 的C、D、E)。

相邻两排熔池大小不一的现象，是由于飞溅现象所造成的［9］:由于选区激光熔化过程中高功率密度的激光束照射到选区内的粉末上，粉末颗粒之间孔隙中的气体在高功率密度激光束的照射下，会迅速膨胀，将附近的物质(松散的粉末、热影响区内的受热影响烧结团聚粉末团、熔池中的熔液)吹飞起来，形成飞溅，飞溅会将邻近区域的金属粉末吹飞，造成粉末量不足，当激光束作用于相邻的已发生了飞溅的下一道熔池对应的粉末位置时，所形成的熔池的尺寸就会比上一道熔池小，这就造成了相邻两排熔池大小不一的现象。

各层厚度不均的现象正是熔池大小不一现象在另一个视角的反映，采用正交扫描形成的组织，其剖面既包含X 向(或Y 向)熔池的横截面(沿扫描方向)的形貌，也包括Y 向(或X 向)熔池的纵截面(垂直于扫描方向)的形貌。熔池的横截面形貌由多道同一层内的熔池横截面组成，呈鱼鳞片状，而熔池的纵向截面形貌仅表达了某层的一道熔池纵截面形貌，呈均一的条状(如C、D 处)。因此，假如C、D 处分别是对应于大熔池以及小熔池，则C、D 处分别就是大熔池以及小熔池的纵向截面形貌，因而显示的厚度也不均一。

层与层之间的分界线不平直，存在起伏的现象主要是采用柔性铺粉原理所引起的［10］，在SLM 成型过程中，由于飞溅、热变形等原因，使得激光熔化同一铺粉平面上的金属粉末，凝固后形成实体时出现同一平面内凝固金属高度不一(即出现凸起)，采用传统的刚性铺粉辊筒，很容易因凸起高度大于铺粉厚度，刚性铺粉辊筒无法调整高度而出现碰辊，最终造成成型失败。如采用柔性铺粉机构，可以在铺粉过程中，以柔性铺粉刮板绕过凸起，逐层弥补性铺粉，从而避免碰辊现象导致的成型失败，见图6。但是，采用柔性铺粉原理后，选区内不同地方的粉层厚度是不一样的，甚至在凸起部位不存在粉末，选区内不同地方的材料特性很难均一，因此，即使是同等激光功率密度下，以相同的作用时间作用，激光熔化选区内各点时，最大熔深处不会在同一平面上，因此，熔池剖面中层与层间的分界线就不是直线形，而是有一定起伏。

3 结语

(1)为使金属切片与上一层牢固接合，选区激光熔化成型过程需采用激光将上一层部分固体金属熔化，这部分熔化的金属也构成了熔线的一部分(另一部分由熔化金属粉末得到)。每根熔线截面既受激光熔化本道熔线的形貌影响，也受相邻下一道熔线形成过程的影响。前一道熔线的部分形貌将因部分重熔而被后一道熔线擦除，擦除部分的多少取决于扫描间距的大小，扫描间距越小，擦除部分越多。同一层内的熔线搭接形貌呈鱼鳞片状。

(2)当采用X 或Y 向扫描策略时，由于各层采用的扫描策略都是相互平行且层内各扫描线间的扫描间距是相等的，因而所获得的沿垂直于扫描方向的多层组织形貌呈规则的鱼鳞片状，但是，由于相邻两层的扫描起始顺序正好相反，相邻两层内的熔道被下一熔道抹去痕迹的顺序也正好相反。

(3)实际熔池的堆叠存在相邻两排熔池大小不一的现象，这主要是由于飞溅所造成的:飞溅会将邻近区域的金属粉末吹飞，造成粉末量不足，当激光束作用于相邻的已发生了飞溅的下一道熔池对应的粉末位置时，所形成的熔池的尺寸就会比上一道熔池的尺寸小，这就造成了相邻两排熔池大小不一的现象。

(4)采用正交扫描策略进行实验时，还发现熔池堆叠的各层厚度不均，这正是熔池大小不一现象从另一个视角的反映，同一剖面在不同厚度位置上分别对应了大熔池以及小熔池的沿垂直于扫描方向截面的形貌，从而显示出厚度不均一的现象。

(5)实际熔池的堆叠也具有层与层之间的分界线不平直、存在起伏的现象。这是采用柔性铺粉原理造成的:采用柔性铺粉原理后，选区内不同地方的粉层厚度是不一样的，激光熔化选区内各点时，最大熔深处不会在同一平面上，因此，熔池剖面中层与层间分界线就不是直线形，而是有一定起伏。

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