本文介紹了一種基于激光沖擊噴丸（LSP）與選擇性激光熔化（SLM）集成的混合增材制造工藝——三維激光沖擊噴丸（3D LSP）。

摘要

本文介紹了一種基于激光沖擊噴丸（LSP）與選擇性激光熔化（SLM）集成的混合增材制造工藝——三維激光沖擊噴丸（3D LSP）。亞表層SLM零件的竣工（AB）狀態(tài)下眾所周知的拉伸殘余應力（TR）對其疲勞壽命有不利影響。LSP是一種相對昂貴的表面后處理方法，已知會在零件的地下產生深度CRS，并用于疲勞壽命至關重要的高端應用（如航空航天、核能）。新提出的3D LSP工藝利用了重復中斷零件制造的可能性，周期為幾個SLM層。這種方法會導致所生產零件的次表面產生更高和更深的CRS，并預期改善疲勞性能。在本文中，316L不銹鋼樣品采用解耦方法進行3D LSP處理，即通過將基板從SLM機器來回移動到LSP站。與AB SLM零件或傳統(tǒng)LSP（表面）處理的零件相比，對于所有研究的工藝參數(shù)，觀察到CRS的大小和深度明顯顯著增加。

1.前言

選擇性激光熔化（SLM）是一大系列增材制造（也稱為3D打印）工藝的一部分，也是過去幾年研究最多的工藝。在SLM工藝中，零件由金屬、陶瓷、聚合物或復合粉末逐層制成。在每個步驟中，粉末床沉積在基底上，并通過激光束選擇性地熔化。使用激光束偏轉系統(tǒng)，根據CAD（計算機輔助設計）模型計算的相應零件橫截面掃描每一層。在選擇性固結后，沉積新的粉末層，并重復操作順序，直到零件完成。最后，未使用的粉末被移除，可以在另一個建筑過程中重復使用。這種制造方法能夠生產高附加值和非常復雜的幾何形狀的零件，否則很難或不可能生產。典型的例子涉及用于航空航天和醫(yī)療應用的晶格結構、用于減輕重量的仿生設計、模具中的保形冷卻通道等。

盡管SLM制造的零件的機械性能已接近傳統(tǒng)工藝制造的零件，但SLM仍有一些固有的局限性，其中之一是有害的拉伸殘余應力（TR）的累積，如圖1所示。在SLM過程中，最后熔化的頂層在冷卻后收縮，但其幅度受底層（已固化）材料連續(xù)性的限制。從一層到另一層，制造的部件內部積累了大量的TR，導致疲勞壽命降低或最終零件變形。在建造階段，高應力甚至可能導致工藝失效（開裂）。

圖1 SLM零件中殘余應力的示意圖，顯示了噴丸（SP）、激光沖擊噴丸（LSP）和3D LSP的影響。

不同的方法被用來控制和減少殘余應力。原位加熱（例如通過基板預熱或激光重熔）是常用的。調整掃描策略也被證明會強烈影響殘余應力。作為一種后處理，退火被廣泛使用，并已證明在某些情況下殘余應力降低了70%。盡管這些方法確實改善了最終殘余應力狀態(tài)，但它們無法完全消除TRS，也無法引入可提高疲勞壽命的壓縮殘余應力（CRS）。此外，后處理無法避免工藝失效，這意味著原位加熱或優(yōu)化掃描策略不成功的材料無法通過SLM進行處理。

激光沖擊噴丸（LSP）是一種高應變率（~ 106 s 1）表面處理方法，類似于噴丸（SP）和超聲波噴丸（USP），用于在材料的近表面區(qū)域引入CRS。眾所周知，LSP可提高各種金屬材料的疲勞壽命、抗應力腐蝕開裂和微動疲勞。引入的CRS深度可達1 mm（取決于處理的材料），抵消近表面區(qū)域的部分或全部拉伸應力，降低裂紋擴展速率，有效降低應力強度因子，增強疲勞裂紋閉合效應，增加裂紋擴展的臨界應力，因此，提高了金屬材料的疲勞性能（圖2）。

圖2 拉伸和壓縮應力對裂紋擴展和疲勞壽命的影響。

LSP作為傳統(tǒng)表面處理方法應用于SLM零件的初步研究表明，LSP能夠將TRS轉化為地下區(qū)域更有益的CRS。針對所有考慮的LSP參數(shù)，成功地轉換了殘余應力。然而，傳統(tǒng)的LSP仍然是表面后處理，無法解決SLM構建階段高TRS的大量累積問題。

本文提出了一種新型的混合增材制造工藝——三維激光沖擊噴丸(3D LSP)。3D LSP是一種由Fédérale de洛桑理工學院(EPFL)熱機械冶金實驗室(LMTM)授予專利的工藝。該方法成功地實現(xiàn)了對SLM零件殘余應力的三維控制。特別是有害TRS狀態(tài)繼承SLM轉化為有益的CRS的表面區(qū)域,在一個深度大于表面獲得與傳統(tǒng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)(圖1)。3 d LSP過程實際上是能夠積累CRS在任何關鍵區(qū)域的大部分地區(qū)。其思想是將SLM和LSP過程結合起來，每隔幾個SLM層就進行LSP處理。為了使這種方法功能齊全，能夠生產大零件，必須將具有相應掃描頭的LSP激光器集成到SLM機中。

人們廣泛研究了殘余應力對疲勞壽命的影響，并證明了近表面區(qū)域壓應力的有益作用，沒有任何模糊之處。還觀察到，CRS的深度對疲勞壽命有顯著影響。深度越大（對于給定的量級），近表面裂紋將減少得越多，疲勞壽命也越長。盡管LSP設置比更傳統(tǒng)的SP（甚至是超聲波SP）更復雜，但由于CRS深度更大（圖1），LSP設置仍然是不可替代的，作為具有嚴格規(guī)格的零件的表面處理，例如核或航空航天應用中遇到的零件。通過在地下區(qū)域的多個SLM層上重復LSP處理，3D LSP旨在與傳統(tǒng)表面LSP工藝相比，增加CRS的大小和深度，從而進一步提高疲勞壽命。

2.實驗裝置

2.1. 材料和SLM參數(shù)

此處使用的參考材料是廣泛使用的316L奧氏體不銹鋼，其極限抗拉強度（UTS）為760 MPa。粉末為Diamaloy 1003，來自瑞士Sulzer Metco公司?；瘜W成分如表1所示。使用ConceptM2（Concept laser GmbH，德國）進行選擇性激光熔化，該M2配備了以連續(xù)模式運行的光纖激光器，波長為1070 nm，光斑尺寸為90μm。試樣幾何形狀為3 mm厚支撐結構上的20×20×7 mm3長方體。選擇的SLM工藝參數(shù)為：激光功率125W，掃描速度600mm/s，填充距離0.105mm，層厚0.03mm。采用平行于零件邊緣的雙向掃描策略，層與層之間的掃描方向沒有變化，以故意產生較大的殘余應力。在N2氣氛下進行處理，整個過程中O2含量控制在1%以下。

表1 316L不銹鋼的化學成分，重量百分比。

AM粉末進料系統(tǒng)的通用說明。

AM粉末進料系統(tǒng)的一般圖示如上圖所示。這些系統(tǒng)的建造體積通常較大（例如，Optomec LENS 850-R裝置的建造體積大于1.2 m3）。此外，粉末進料系統(tǒng)比粉末床裝置更容易擴大體積。在這些系統(tǒng)中，粉末通過噴嘴輸送到構建表面。激光用于將單層或多層粉末熔化成所需形狀。重復此過程以創(chuàng)建實體三維組件。市場上主要有兩種類型的系統(tǒng)。1.工件保持靜止，沉積頭移動。2.沉積頭保持靜止，工件移動。這種系統(tǒng)的優(yōu)點包括其更大的制造體積，以及能夠用于翻新磨損或損壞的部件。

2.2. 激光沖擊噴丸

激光沖擊噴丸（LSP）試驗使用中所述的設備進行。激光源是Thales茲激光公司的Nd:YAG GAIA級激光器，脈沖寬度為7.1納秒，工作波長為532納米。光束空間能量分布為“頂帽”，脈沖形狀接近高斯分布。使用直徑為1 mm和5 mm的圓形激光光斑，每個脈沖的激光能量為0.4 J或10 J。選擇光斑大小和每個脈沖的能量之比，以保持7.2 GW/cm2的恒定功率密度。使用較低的每脈沖能量（對于給定的功率密度）的優(yōu)勢在于開放使用更容易獲得的激光器，通常以更高的重復頻率工作，因此可能會提高生產率。

2.3. 用鉆孔法測定殘余應力

殘余應力測量采用鉆孔法（HDM）。該技術廣泛用于測定深度殘余應力分布，尤其是在表面處理后，如LSP、USP或SP。測量設備是來自SINT Technology的RESTAN-MTS 3000（圖3.a），測量是根據ASTM標準E837進行的。HDM測量通過在被測表面上定位應變計花環(huán)（圖3.b）并在表面鉆一個直徑為1.8 mm的孔來完成。鉆孔時，孔位置處的殘余應力松弛，導致應變變化。殘余應力由Kirsch理論給出。應用了鉆頭的可變深度增量。在從表面到100μm深度的區(qū)域內，每10μm進行一次測量。從0.1 mm到0.5 mm，臺階增加到25μm，從0.5 mm到1 mm，臺階進一步增加到50μm。該程序在1 mm的總深度上總共測量了36個點。

圖3 a）帶SINT-b應變儀的鉆孔技術。

圖4顯示了典型殘余應力分布的最相關參數(shù)。它們是（i）CRS的最大數(shù)量-最大CRS，（ii）觀察到最大CRS的深度-最大CRS的深度，以及（iii）從CRS過渡到TRS的深度-CRS的深度。

圖4 顯示最相關參數(shù)的殘余應力剖面：最大CRS–最大CRS量；最大CRS深度——觀察到最大CRS的深度；CRS深度——從CRS過渡到TRS的深度。

3.結果和討論

3.1. 竣工狀態(tài)

表2顯示了AB狀態(tài)下316L SLM樣品的殘余應力測量。131μm深度處342 MPa的高拉伸值代表材料UTS（760 MPa）的45%。應力是從表面到>1 mm深度的拉伸應力（圖5），這是SLM制造的零件的典型情況。

表2 RS測量結果：通過UTS標準化的最大RS/R；最大水深；CRS的深度。在竣工狀態(tài)（AB）下進行測量，或在沒有燒蝕涂層的情況下，采用1 mm和5 mm、40%和80%重疊的LSP處理。

圖5 在AB和LSP處理狀態(tài)下測量的樣品殘余應力曲線。斑點大小為80毫米，重疊率為1%。

蝕刻條件下的光學顯微圖和SLM試樣的EBSD掃描的方向圖。與建筑方向垂直(上排)平行(下排)切割的標本。樣品在“建成”條件下進行研究，并在隨后的熱處理之后進行研究。關于建筑方向z，所有方向圖都使用標準IPF顏色鍵著色。黑色線段表示高角度晶界的痕跡(由最近鄰像素之間的15°錯向定義)。

通過EBSD掃描得到的方向圖驗證了光學觀測結果（上圖）。平行于構建方向的截面切口證實了柱狀晶粒形態(tài)，垂直于構建方向的截面切口證實了“棋盤”微觀結構，其晶界優(yōu)先與X軸和Y軸成45°角。所有貼圖都顯示了大量的方向梯度和晶粒內的小角度邊界（可見為顏色的細微變化），由大角度邊界（由黑色線段可見）分隔。在地圖中，紅色的偏好表明晶體的優(yōu)勢與建筑方向Z的一個〈001〉軸對齊。

3.2. LSP處理狀態(tài)

從SLM機中取出附著在基板上的SLM樣品，并用LSP處理。LSP處理以1毫米和5毫米的斑點大小進行，并進行40%或80%的重疊。每種LSP處理條件共處理四個樣品。LSP處理后，將每個LSP處理條件的四個樣品中的一個從基板上取出并進行分析，同時將其余三個樣品送回SLM機器，進行1、3和10個新層的重建步驟。表2給出了AB和LSP處理狀態(tài)下樣品的殘余應力測量結果。相應的應力分布如圖5所示。

從表2可以看出，重疊率從40%增加到80%，導致1mm和5mm光斑尺寸的CRS總體增加。這與之前對PH1不銹鋼進行的研究一致，其中還觀察到（i）更大的光斑尺寸導致更深的CRS，以及（ii）更小的光斑尺寸導致更高的最大RS。結果（i）來自與使用過小光斑尺寸相關的幾何效應，這會導致沖擊波的強烈2D衰減，從而減少LSP處理的塑性影響深度。這種影響可以從給定表面積上較小的光斑尺寸增加的撞擊次數(shù)來解釋。

CRS的最大值出現(xiàn)在使用具有80%重疊的1 mm光斑尺寸時：應力值代表材料UTS的96%。這表明，由于表面在80%重疊LSP條件下受到大量LSP沖擊，316L出現(xiàn)循環(huán)硬化。無論選擇的LSP參數(shù)如何，AB狀態(tài)的TR都會系統(tǒng)地轉換為CRS。較小的光斑尺寸會導致較大的最大CRS，這與之前在不同材料上獲得的結果一致。這在80%重疊的情況下尤其明顯，在這種情況下，將光斑尺寸從5毫米減小到1毫米會導致UTS增加45%。然而，較大的光斑尺寸往往會增加LSP影響區(qū)的深度：對于40%的重疊情況，觀察到從416μm增加到686μm。對于80%重疊的情況，這種影響不太明顯，但仍然存在。光斑大小和LSP影響區(qū)深度之間的關系是由于沖擊波的2D衰減。更高的重疊預期會導致更高的最大CRS和更深的CRS，但代價是LSP時間增加。

由于LSP激光器將與SLM機集成，因此應解決重復頻率、激光尺寸、激光束傳輸和引導方法等與激光相關的問題。激光光斑尺寸的影響需要注意，因為擬議的兩組LSP加工參數(shù)的激光特征有顯著差異。為了達到所需的功率密度，每個脈沖的能量從1毫米光斑的400 mJ躍升到5毫米光斑的10 J。由于兩個光斑尺寸的報告結果沒有太大差異，特別是對于80%重疊的情況，低能量激光器（每脈沖約400 mJ）可能是有益的，因為它們的尺寸更小，成本更低，重復率更高?？紤]到斑點大小和可用重復率，當使用較小的斑點大小時，LSP處理時間可能減少4倍。此外，ns范圍內的較低能量可以耦合到光纖傳輸系統(tǒng)中，并利用掃描頭（類似于SLM中使用的掃描頭）。這些考慮因素解釋了為什么在所有與3D LSP相關的進一步研究中選擇1 mm的光斑尺寸。

3.3. 3D LSP

在初始LSP處理后，對于每組LSP處理參數(shù)，將三個處理過的樣品固定在基板上。帶有這些樣品的基板被送回SLM機器進行重建階段。仔細重新校準后，重新填充粉末，并重建n個額外的新層（圖6）。新層的數(shù)量n為1、3或10。SLM參數(shù)和掃描策略保持不變，包括層厚30μm。重建階段后，從SLM機上取出樣品，重復LSP處理，使用1 mm的光斑大小，重疊率為40%和80%。

圖6 3D LSP過程的示意圖說明。

3.3.1. 3D LSP，40%重疊

表3顯示了AB、LSP處理和3D LSP處理樣品的殘余應力測量結果，圖7給出了應力分布的圖形表示。3D LSP樣本的最大RS非常相似 345 MPa（UTS的45%， 368兆帕（48%）和 n=1、3和10 SLM層的壓力分別為358 MPa（47%）。與傳統(tǒng)表面LSP處理相比，這意味著最大RS顯著增加，分別提高了30%、38%和35%。這一結果并不明顯，因為SLM重建步驟引起的熱效應可能會導致應力松弛，以及由此產生的拉伸應力。然而，觀察到所有3D LSP處理參數(shù)的CRS累積（圖7、圖8）。這表明，在重建步驟中，由多個n SLM層的后續(xù)激光熔化引起的應力松弛不是主要影響，并且與傳統(tǒng)LSP處理相比，3D LSP確實導致CRS的大小和深度明顯增加。

表3 RS測量結果：通過UTS標準化的最大RS/R；最大水深；CRS的深度。在竣工狀態(tài)（AB）下進行測量；LSP處理1毫米，重疊40%；3D LSP 1毫米40%，含1、3和10個重建層。

圖7 在AB、LSP 1 mm 40%和3D LSP 1 mm 40%以及1、3和10個重建層中測量的樣品殘余應力曲線。

圖8 在AB、LSP 1 mm 80%和3D LSP 1 mm 80%的1、3和10個重建層中測量的樣品殘余應力曲線。

常規(guī)LSP組CRS深度為416 μm, 3D LSP組(n = 1、3和10)CRS深度分別為652 μm、668 μm和767 μm，分別增加57%、65%和84%。從這些結果中可以提取出總的趨勢是，n的增加導致了CRS深度的增加。如上所述，這個結果并不簡單。由于SLM層的熔化和凝固非?？?，它引入的熱量有限，不會導致完全的應力松弛。CRS因此會累積。然而，這些機制的細節(jié)將需要進一步調查。預計將出現(xiàn)一個臨界值nc，超過該值后，對CRS的強度和深度的累積效應將開始減弱。nc本身的值應該是SLM加工參數(shù)和掃描策略的函數(shù)。在本例中，如2.1節(jié)所述，我們特意選擇了最不利的SLM參數(shù)和掃描策略，以顯示3D LSP過程的潛力，并留有進一步改進的空間。

3.3.2 3D LSP, 80%重疊

經過80%重疊處理后的殘余應力測量結果如表4和圖8所示。對于n = 1、3和10個SLM層，3D LSP樣品的最大RS分別為 667 MPa(88%的UTS)、 707 MPa(93%)和 756 MPa(99%)。這些數(shù)值與常規(guī)LSP處理( 730 MPa或94%的UTS)產生的數(shù)值非常相似，這表明在80%重疊的情況下，由于彈丸密度高，應變硬化水平較高。

表4 RS測量結果:最大RS值/ UTS歸一化;最大RS深度;CRS的深度。測量是在竣工狀態(tài)下進行的(AB);LSP處理1 mm, 80%重疊;3D LSP 1mm 80%， 1、3、10層重建。

CRS的深度從常規(guī)LSP處理的804μm增加到1 mm以上，超過了當前鉆孔實驗裝置研究的最大深度。在1 mm深度處，n=1、3和10時的剩余壓應力分別為38 MPa、52 MPa和254 MPa。與傳統(tǒng)LSP處理相比，這不僅是一個顯著的增加，而且與5 mm斑點大小的LSP處理相比也是如此（見表2和圖5）。這些結果說明了在3D LSP中選擇小光斑尺寸的相關性，因為LSP影響區(qū)深度甚至可能高于常規(guī)LSP處理中較大光斑尺寸產生的深度。與40%重疊的情況類似，n的增加導致CRS深度顯著增加。

4.結論和今后的工作

在本文中，我們展示了LSP處理改變SLM零件殘余應力狀態(tài)的能力。在奧氏體316L不銹鋼上進行試驗，將AB樣品的高拉伸狀態(tài)轉換為CRS狀態(tài)。研究還表明，如果SLM構建階段與LSP處理交替，最大CRS的大小和深度都可以顯著增加。對各種LSP加工參數(shù)進行了測試，可以得出以下結論：

傳統(tǒng)的LSP治療很容易將TRS轉化為CRS狀態(tài)

光斑尺寸越小，最大CRS越大

光斑尺寸越大，CRS深度越大。

更高的重疊率（80%）會導致更高的CRS和更深的CRS剖面，因為處理表面上的沖擊密度更大。雖然這種LSP處理條件會帶來更好的結果，但會增加LSP處理時間。

3D LSP增加了CRS的大小和深度。在所有加工條件下都觀察到了這一點。

與具有較大光斑尺寸和脈沖能量的傳統(tǒng)LSP處理相比，具有較小光斑尺寸和脈沖能量的3D LSP可以產生更深的CRS。在40%和80%的重疊中都觀察到了這一點，并證明了使用低能量脈沖激光器、高重復率和縮短處理時間的興趣。這種激光器也更適合于在單個SLM-LSP混合機中實現(xiàn)，體積更小，成本更低，在光束傳輸和定位方面更容易適應。

在LSP處理之間增加SLM層的數(shù)量會導致CRS深度的增加。

進一步的工作將側重于（i）更準確地研究兩次后續(xù)LSP處理之間SLM層數(shù)量的影響，（ii）開發(fā)原型機，用于構建具有最佳拉應力和壓應力空間分布的較大樣品，（iii）3D LSP處理樣品的疲勞壽命評估，以及與常規(guī)表面LSP處理樣品的比較。

另一個研究方向將與已知由于高TRS累積而在SLM條件下失效的材料的制造有關，并且預期與3D LSP的結合對其有益。

來源：3D Laser Shock Peening – A new method for the 3D control of residual stresses in Selective Laser Melting，Materials& Design，doi.org/10.1016/j.matdes.2017.05.083

參考文獻：R.S. Gideon, N. Levy，Rapid manufacturing and rapid tooling with layer manufacturing (LM)technologies, state of the art and future perspectives. CIRP Ann—Manuf Technol52 2:589–609，CIRP Ann. Manuf. Technol., 52 (2) (2003), pp. 589-609