導(dǎo)讀

以GH4169合金為研究對(duì)象，分析了激光功率、掃描速度、掃描間隔和掃描策略等工藝參數(shù)對(duì)選區(qū)激光熔化成形件表面品質(zhì)的影響。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正交分析，觀察不同工藝參數(shù)下成形件的表面品質(zhì)。結(jié)果表明，當(dāng)激光功率為320 W、掃描速度為1000 mm/s、掃描間隔為60 μm、掃描旋轉(zhuǎn)角度為67°、體能量密度為130~150 J/mm3時(shí)，包層通道光滑、均勻、筆直，且搭接良好，表面幾乎沒(méi)有球化和粉末附著現(xiàn)象。因此，在該工藝窗口下GH4169成形件表面平整，品質(zhì)較好，Ra值也相對(duì)較低。

作者簡(jiǎn)介

王亮

1981年出生，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，教授。《特種鑄造及有色合金》期刊青年編委會(huì)委員。主要從事鈦基合金、鈦基復(fù)合材料、難熔高熵合金等先進(jìn)材料的研發(fā)、制備和成形。在液態(tài)氫化和增材制造過(guò)程，合金熔化、凝固基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用等方面的研究取得特色成果。發(fā)現(xiàn)了氫對(duì)鈦合金等材料的組織和相組成，以及氫對(duì)鈦合金熱加工性能的影響規(guī)律；發(fā)現(xiàn)了鈦合金氫致凈化（降低雜質(zhì)元素含量）現(xiàn)象，特別是液態(tài)氫化降低鈦合金內(nèi)氧含量的效果十分明顯，揭示了鈦合金氫致脫氧的機(jī)理，為了實(shí)現(xiàn)超低氧含量鈦合金的制備和廢鈦的回收，開(kāi)發(fā)了新型鈦合金液態(tài)氫化設(shè)備。在激光和電子束熔化增材制造過(guò)程中的合金凝固方面開(kāi)展了研究工作，主要研究微熔池的凝固行為、凝固組織及表面形態(tài)。在科研項(xiàng)目方面：973項(xiàng)目專(zhuān)題負(fù)責(zé)人、國(guó)家自然基金項(xiàng)目、總裝預(yù)研基金（結(jié)題優(yōu)秀）、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金、哈爾濱市科技攻關(guān)項(xiàng)目等項(xiàng)目二十余項(xiàng)。獲獎(jiǎng)方面：黑龍江省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、教育部自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。參與編撰了專(zhuān)著《精密熱加工技術(shù)》，共發(fā)表論文45篇，申請(qǐng)和授權(quán)專(zhuān)利10余項(xiàng)。

選區(qū)激光熔化(SLM)成形件表面存在球化、粘粉、翹曲、熔化不足、過(guò)熔化等缺陷，改善SLM成形件表面粗糙度可以促進(jìn)SLM成形技術(shù)更廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，GH4169合金因其優(yōu)異的耐高溫性能，在航空航天、民用發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片等高溫部件中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的制造方法不僅零件設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、模具制造成形成本高，而且還存在材料熱加工性能差、成分偏析和組織不穩(wěn)定等問(wèn)題。本課題系統(tǒng)研究選區(qū)激光熔化工藝參數(shù)對(duì)GH4169成形件表面品質(zhì)的影響，關(guān)注點(diǎn)聚焦在GH4169成形件的上表面品質(zhì)。通過(guò)測(cè)量表面粗糙度和觀察表面形貌，確定了最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。

1 試驗(yàn)材料與方法

GH4169合金是一種時(shí)效強(qiáng)化的Ni-Fe基高溫合金，其主要強(qiáng)化相為γ’-Ni3 (Al,Ti, Nb)和γ”-Ni3Nb，化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用L1645正交表(見(jiàn)表2)所列的工藝參數(shù)開(kāi)展試驗(yàn)研究，且統(tǒng)一層厚h為40 μm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

表面粗糙度結(jié)果見(jiàn)表3。通過(guò)計(jì)算各因素、各水平下表面粗糙度的平均值和范圍，結(jié)果見(jiàn)表4?？梢园l(fā)現(xiàn)，激光功率和掃描速度都在極值范圍內(nèi)。

2.2 激光功率對(duì)表面品質(zhì)的影響

由表4可知，隨著激光功率的增加，Ra值先減小后增大。選擇4個(gè)不同的激光功率部件(見(jiàn)圖1)，掃描速度為120 mm/s, Ra值分別為4.78、3.46、3.10和3.43 μm。

圖1不同激光功率下的立體顯微圖

(a)P=280 W; (b)P=300 W; (c)P=320 W; (d) P=340 W

從圖1a可以看出，粉末未完全熔化，熔覆通道不連續(xù)。結(jié)果表明，部分粉末發(fā)生了嚴(yán)重的球化，沒(méi)有明顯的過(guò)燒結(jié)狀態(tài)和過(guò)熔化現(xiàn)象，見(jiàn)圖1b和圖1c。當(dāng)激光功率為320 W時(shí)，熔覆通道連續(xù)光滑、規(guī)則，幾乎沒(méi)有粉末粘附現(xiàn)象。因此，在這種狀態(tài)下，表面品質(zhì)最佳。當(dāng)激光功率為340 W時(shí)，見(jiàn)圖1d，熔覆通道雖然是連續(xù)的，但不夠光滑。過(guò)度融化現(xiàn)象明顯。激光功率越大，熔池凝固時(shí)間越長(zhǎng)，粉末吸附現(xiàn)象越嚴(yán)重。與此同時(shí)，熔化的液體池飛濺，液體在凝固前是流動(dòng)的，然后形成蠕蟲(chóng)狀不規(guī)則分布的粗糙表面。

2.3 掃描速度對(duì)表面品質(zhì)的影響

隨著掃描速度的增加，Ra值先減小后增大，見(jiàn)表4。選擇了4個(gè)不同掃描速度的零件(見(jiàn)圖2)，激光功率為280 W, Ra值分別為5.22、3.96、3.99和4.78 μm。

圖2不同掃描速度下的立體顯微圖

(a)v=600 mm/s; (b)v=800 mm/s; (c)v=1 000 mm/s; (d) v=1 200 mm/s

從圖2a可以看出，該試樣表面的包層通道是連續(xù)的，且搭接緊密，但仍然不夠光滑。這是因?yàn)閽呙杷俣茸盥?，因此凝固時(shí)間最長(zhǎng)，見(jiàn)圖2。熔化的液體池四處流動(dòng)，甚至在冷卻前濺起水花，表面呈蠕蟲(chóng)狀分布。雖然表面光滑，但圖2b和圖2c中球化和過(guò)熔化的粉末并不嚴(yán)重，也沒(méi)有明顯的粉末粘附現(xiàn)象。熔覆通道光滑，成形品質(zhì)好。當(dāng)掃描速度達(dá)到1 200 mm/s時(shí)，見(jiàn)圖2d，熔覆通道不連續(xù)，過(guò)燒結(jié)狀態(tài)明顯，表面粗糙。

2.4 掃描間隔對(duì)表面品質(zhì)的影響

隨著掃描間隔的增大，Ra值先減小后增大，見(jiàn)表4。選擇了4個(gè)不同的掃描間隔部分(見(jiàn)圖3)，激光功率為320 W, Ra值分別為3.81、3.10、3.48和4.06 μm。

圖3不同掃描間隔下的表面形貌

(a)S=50 μm; (b)S=60 μm; (c)S=70 μm; (d) S=80 μm

從圖3a可以看出熔覆通道的研磨緊密，重熔區(qū)較寬。同時(shí)，能量積累增多，產(chǎn)生了過(guò)熔現(xiàn)象。此外，粉末附著力現(xiàn)象嚴(yán)重，上表面凹凸不平。在圖3b和圖3c中，包層通道良好，特別是當(dāng)掃描間隔為60 μm時(shí)，熔覆層通道連續(xù)光滑，幾乎沒(méi)有缺陷。圖3d中可以看到，包層通道之間的間隔很遠(yuǎn)，包層通道呈間歇狀態(tài)。這是由于一方面，包層通道的搭接不夠緊密，熱量積累很少；另一方面，波峰與波谷之間的間隔較遠(yuǎn)，表面波紋效應(yīng)明顯。

2.5 掃描策略對(duì)表面品質(zhì)的影響

當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為0°和90°時(shí)，Ra值較大，見(jiàn)表4。選擇了4個(gè)不同的掃描策略部分，并逐一進(jìn)行分析。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為0°時(shí)，N+1層的掃描線直接落在N層的掃描線上，見(jiàn)圖4a和圖4b，這導(dǎo)致了峰與峰的疊加，槽與槽的疊加。表面“波紋效應(yīng)”明顯，表面輪廓不規(guī)則。表面粗糙不平。然后，波峰與波谷之間的間隔變大，見(jiàn)圖4c，表面輪廓的雕刻是不規(guī)則的。

圖4旋轉(zhuǎn)角度為0°時(shí)的金相照片和表面輪廓

采用90°的旋轉(zhuǎn)角度,相鄰層之間的掃描方向正交于90°,見(jiàn)圖5。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為0°時(shí)，某種程度上將降低表面的漣漪效應(yīng)。但并沒(méi)有完全消除表面波紋的影響，原因是N層和N+2層掃描方向相同，因此旋轉(zhuǎn)角度為0°的缺點(diǎn)仍然存在。此外，正交掃描策略也產(chǎn)生了“凹凸效應(yīng)”。相鄰兩層由于掃描方向正交，導(dǎo)致掃描線之間產(chǎn)生許多交點(diǎn)。在接下來(lái)的掃描過(guò)程中，將這些交叉口相加，使得交叉口的位置高于其周?chē)奈恢?。從表面輪廓的雕?圖5c)可以看出，試樣表面有很多凸起的相交，從而降低了表面品質(zhì)。

圖5旋轉(zhuǎn)角度為90°時(shí)的金相照片和表面輪廓

當(dāng)采用的旋轉(zhuǎn)角度為67°或105°時(shí)，避免了波峰和波谷層。峰值效應(yīng)也被最小化。同時(shí)，由于每一層的掃描方向不同，不會(huì)產(chǎn)生“凹凸效應(yīng)”。表面變得光滑了。峰高和峰谷間隔減小。此外，表面輪廓的雕刻較為規(guī)則和平緩(圖6a和圖6b)，因此表面品質(zhì)明顯優(yōu)于層數(shù)為0°和90°時(shí)的表面品質(zhì)。

圖6旋轉(zhuǎn)角度為67°和105°時(shí)的表面輪廓

2.6 體積能量密度對(duì)表面品質(zhì)的影響

上述研究4個(gè)參數(shù)相互影響。因此，將其結(jié)合在一起，引入體積能量密度ω:

ω=P/ (VSh) (1)

根據(jù)所選試驗(yàn)參數(shù)和激光共聚焦顯微鏡測(cè)量的數(shù)據(jù)，計(jì)算各試樣的能量密度，見(jiàn)圖7。根據(jù)不同表面粗糙度對(duì)應(yīng)的體積能量密度，將圖6劃分為5個(gè)區(qū)域。I被定義為“未完全熔化”段，II被稱(chēng)為“低體積能量密度”段，III被選擇為“良好成形”段，IV被劃分為“高體積能量密度”段，V被命名為“過(guò)熔化”段。

圖7體積能量密度對(duì)表面粗糙度的影響

當(dāng)ω＜90 J/mm3時(shí)，試樣的表面品質(zhì)處于未完全熔化段，平均Ra值為4.12 μm。這部分的金屬粉末沒(méi)有被激光完全熔化，因此，無(wú)法形成連續(xù)的包層通道。部分粉末處于過(guò)燒結(jié)狀態(tài)。這類(lèi)成形SLM試樣表面粗糙。未完全熔化典型試樣的體積能量密度為72.92 J/mm3。從圖8a和圖8b可以看出，該試樣表面有大量的球，包層通道并非連續(xù)光滑。由于體積能量密度低，大量粉末未完全熔化并粘附在試樣表面。與此同時(shí)，未完全融化的粉末被下一個(gè)粉末覆蓋。層狀堆積使試樣最終表面不均勻，見(jiàn)圖8c和圖8d，表面粗糙度Ra為4.78 μm，因此該試樣表面品質(zhì)較差。

圖8未完全熔化部分的典型試樣

當(dāng)ω為90 ~ 130 J/mm3，試樣的表面品質(zhì)處于低體積能量密度區(qū)域，平均Ra值為3.73 μm。熔化的粉末數(shù)量不夠。液體包層通道對(duì)固體基體的潤(rùn)濕性有嚴(yán)重的影響。II段典型試樣的體積能量密度為100 J/mm3。從圖9a和圖9b可以看出，該試樣表面的球化現(xiàn)象非常嚴(yán)重。此外，包層通道不光滑。表面粗糙度Ra為3.99 μm。球化一方面導(dǎo)致相鄰熔覆通道之間出現(xiàn)氣孔;另一方面，影響下一個(gè)粉末的平整度。層的堆積最終使表面品質(zhì)惡化(圖9c和圖9d)。因此，球化的存在是影響試樣表面粗糙度較差的主要因素。

圖9低體積能量密度部分的典型試樣

當(dāng)ω為130 ~ 150 J/mm3，試樣的表面品質(zhì)處于成功成形區(qū)，平均Ra值為3.52 μm。掃描后粉末完全熔化，形成連續(xù)光滑的熔覆通道。熔覆通道在固體基體上的潤(rùn)濕性較好導(dǎo)致，產(chǎn)生球化的趨勢(shì)下降。此外，包層通道的研磨效果良好，表面光滑平整。III段典型試樣的體積能量密度為141.67 J/mm3。在圖10a和圖10b中可以看到包層通道光滑均勻，搭接良好。很難發(fā)現(xiàn)球化現(xiàn)象。從三維圖中可以看出，沒(méi)有出現(xiàn)變形、翹曲等缺陷(圖10c和圖10d)，表面品質(zhì)良好，粗糙度Ra為3.18 μm。

圖10良好部分的典型試樣

當(dāng)ω為150 ~ 200 J/mm3，試樣的表面品質(zhì)處于高體積能量密度區(qū)域，平均Ra值為3.94 μm。該段出現(xiàn)了輕微的過(guò)熔化現(xiàn)象，周?chē)姆勰┍灰后w熔覆通道粘連，導(dǎo)致出現(xiàn)球化現(xiàn)象。IV部分典型試樣的體積能量密度為208.33 J/mm3。該試樣表面有大量的黑色粉末，這是由于粉末部分過(guò)熔化造成的。包層通道搭接緊密，包層通道兩側(cè)有球和過(guò)熔的東西(圖11a和圖11b)，而且不夠光滑。而且，隨著能量輸入的增加，熱積累變成倍數(shù)。因此，試樣開(kāi)始翹曲(圖11c和圖11d)。由于凝固時(shí)間比成形成功段長(zhǎng)，因此球化和粉末粘附現(xiàn)象更加嚴(yán)重。因此，圖10中試樣的表面品質(zhì)比圖9中更差，表面粗糙度Ra為4.53 μm。

圖11高體能量密度部分的典型試樣

當(dāng)ω＞200 J/mm3時(shí)，試樣的表面品質(zhì)處于過(guò)熔段，平均Ra值為4.88 μm。此時(shí)能量輸入過(guò)高，熔化粉末量急劇增加，液包層通道流動(dòng)劇烈，融化物堆積，甚至產(chǎn)生飛濺。而且過(guò)度熔化現(xiàn)象嚴(yán)重，并伴有翹曲等缺陷。V部分典型試樣的體積能量密度為233.33 J/mm3。在圖12a和圖12b中，可以發(fā)現(xiàn)粉末存在球化現(xiàn)象，過(guò)熔化現(xiàn)象明顯。由于體積能量密度高，合金液體流動(dòng)均勻、飛濺。因此，包層通道不平整(圖12c)。大的能量輸入也導(dǎo)致了該試樣的翹曲(圖12d)。結(jié)果，表面品質(zhì)非常差，表面粗糙度Ra為5.22 μm。

圖12過(guò)熔化部分的典型試樣

3 結(jié)論

（1）激光功率和掃描速度對(duì)GH4169合金表面品質(zhì)影響較大，掃描間隔和掃描策略對(duì)表面品質(zhì)影響較小。

（2）最佳工藝參數(shù)組合為:激光功率為320 W，掃描速度為1 000 mm/s，掃描間隔為60 μm，掃描旋轉(zhuǎn)角度為67°。此時(shí)，粉末完全融化。包層通道光滑、均勻、筆直，尤其是搭接良好。表面幾乎沒(méi)有球化和粉末附著力現(xiàn)象。因此，表面平整，品質(zhì)較好，Ra值相對(duì)較低。

（3）當(dāng)體積能量密度在130 ~ 150 J/mm3之間時(shí)，幾乎沒(méi)有發(fā)現(xiàn)未完全熔化和過(guò)熔化的粉末。熔覆通道在固體基體上的潤(rùn)濕性較好。結(jié)果表面光滑平整，Ra值相對(duì)較低。

文獻(xiàn)來(lái)源：王亮，李斌強(qiáng)，馬威，等. 選區(qū)激光熔化工藝參數(shù)對(duì)GH4169成形件表面品質(zhì)的影響[J].特種鑄造及有色合金，2021,41（9）：1057-1062.