基于SLM成形的拉伸试样力学性能测试误差分析

2022-02-14毕延超陶凤和贾长治陈帅

金属加工(热加工) 2022年1期

毕延超，陶凤和，贾长治，陈帅

1.陆军工程大学石家庄校区河北石家庄 050003

2.32562部队贵州龙里 522730

1 序言

选区激光熔化（SLM）技术是在选择性激光烧结技术基础上发展起来的，通过铺粉装置将金属粉末均匀地铺在成形缸顶部的基板上，激光器产生的高能量激光束通过振镜偏转后按照规划的路径在金属粉末铺层上移动，被激光束作用的金属粉末经熔凝成形为实体[1-7]。

近年来，SLM技术的研究热点和焦点集中在工艺参数的优化、成形件的微观组织表征和机理分析等方面，而最终研究成果都将落在如何提高成形件的力学性能上[8-15]。

由于SLM成形的工艺特殊性，其成形的拉伸试样力学性能测试中的误差来源更加多元，相比传统机加工试样具有表面粗糙度较大、尺寸精度较低的特点，对试验结果影响较大[16-19]。为提高SLM成形拉伸试样力学性能测试的准确性，有必要分析测试中可能产生的特有误差，并制定措施减小误差。

2 试样表面质量对测试结果的影响及改善措施

SLM成形过程中，激光与金属粉末能量交换时易产生喷溅颗粒，同时熔池周边存有未熔颗粒，这将导致成形试样表面粗糙度较大，如图1所示。因为表面粗糙度值越大越易出现应力集中，所以对拉伸试样的抗拉强度测试结果影响较大。

图1 成形后未经处理的试样

试样通过线切割方式与基板分离，由于线切割技术的局限性，试样的下表面为波纹状（见图2），所以同样对拉伸试件的抗拉强度测试结果有较大影响。

图2 线切割后未处理的试样

为减少试样表面质量较差对试验结果的影响，保证试验精度，需要对试样表面进行打磨。首先，对拉伸试样上表面通过磨床进行粗磨，粗磨方向与试样拉伸方向一致，而后依次采用320#、600#、1000#、1500#、2000#和3000#的砂纸对试样上下表面及侧表面进行手工细磨，细磨过程中每换一种型号的砂纸将试样受磨面旋转90°。打磨后的试样如图3所示。

图3 经打磨后的试样

3 试样尺寸精度对测试结果的影响及改善措施

SLM设备成形的精度误差、试样通过线切割方式与基板分离的加工误差以及试样表面打磨过程中形成的误差，都会造成试样的不同部位产生尺寸误差。对测试结果进行数据处理过程中如仍依据试样的设计尺寸进行计算，结果将会出现较大的偏差，因此应将试样的实际尺寸作为数据处理的依据。

上述原因中，特别是SLM设备的成形精度引起的尺寸误差具有随机性，因此合理安排试样实际尺寸的测量对保证计算结果的准确性具有重要意义。对拉伸试样在拉伸区域选取三个位置分别测量宽度B和厚度H，如图4所示。当试样被拉断时断裂发生在a、b、c三个位置之一，直接应用该位置的测量结果作为计算依据；当试样被拉断时断裂发生在a、b之间或b、c之间时，取a、b或b、c两处测量结果的平均值作为计算依据。

图4 拉伸试样尺寸测量示意

4 试样抗拉强度测试实例

（1）试验设备试样成形设备采用广东信达雅公司研制的选区激光熔化设备DiMetal-50，其激光器为200W光纤激光器、聚焦光斑为70μ m、最快扫描速度为6 0 0 0 m m/s、最大成形尺寸为50mm×50mm×50mm。

（2）试验材料试验选用气雾化法制备的4Cr5MoSiV1钢粉末，粒径分布为15～45μm，化学成分见表1。

表1 4Cr5MoSiV1钢化学成分（质量分数）（%）

（3）试验方法采用DiMetal-50和4Cr5MoSiV1成形6个拉伸试样，试样尺寸如图5所示。成形工艺参数为激光功率180W、扫描速度320mm/s、扫描间距70μm、加工层厚45μm、S型正交扫描，成形室氧含量控制线1200ppm（1ppm=10-6）、测氧周期60s。

图5 拉伸试样尺寸

成形后的试样如图6所示，编号为1-10，其中1～5号试样按照前文所述方法，对上下及侧表面进行打磨。

图6 成形的拉伸试样

对10个试样按照图4所示方法标记位置后，用Instron 5980型万能试验机进行拉伸试验，并计算抗拉强度，见表2。

表2 试样抗拉强度

（4）结果与分析从表2可见，表面经过打磨的1～5号试样抗拉强度值较大且比较接近，断裂位置相对稳定（中间位置）；表面未经打磨的6～10号试样，由于SLM成形试样表面粗糙度大等缺陷，故试样拉伸过程中易出现应力集中，导致试样的抗拉强度值较1～5号试样偏小且波动较大，同时断裂位置稳定性较差（易出现在缺陷位置）。