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金屬材料的3D打印技術(shù)，涉及激光選取熔融（SLM），選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)， 激光工程化凈成形技術(shù)，這里主要討論成形件強(qiáng)度的影響因素。

 

金屬基3D打印材料，整體材料強(qiáng)度滿足質(zhì)量平方規(guī)律，過剩質(zhì)量密度要求高達(dá)0.9mg.cm-3，因而整體材料強(qiáng)度提高，更利于實(shí)際應(yīng)用拓展。

 

在激光選取熔融（SLM）成形過程中，均勻鋪展的粉層被激光焦點(diǎn)選擇性的熔化，熔體在表面張力作用下聚合成形，這一過程涉及到復(fù)雜的物理過程，如圖1所示。

 

 

圖1 SLM激光微熔池

 

相比較，選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)過程中，系統(tǒng)參數(shù)，如鋪粉密度、激光功率、激光光斑直徑、燒結(jié)間距、掃描速度等對(duì)燒結(jié)件密度、溫度殘余應(yīng)力及其力學(xué)性能有直接影響。

 

激光功率小，則上下層粘結(jié)性能降低，引起燒結(jié)體分層；激光功率大，則燒結(jié)溫度高，易產(chǎn)生較大收縮而影響打印精度，并可能出現(xiàn)翹曲變形和開裂。

 

激光光斑能量呈高斯分布，燒結(jié)密度中間高而邊緣低，由此，設(shè)計(jì)合理的光斑直徑、燒結(jié)間距，方使得燒結(jié)能量在平面上分布均勻。掃描速度會(huì)影響燒結(jié)溫度梯度，導(dǎo)致粉末燒結(jié)密度不均勻，不利于粘性流動(dòng)和顆粒的重排，同樣對(duì)燒結(jié)成型質(zhì)量有影響。

 

因此，在激光燒結(jié)過程中，與激光功率一樣，掃描速度也是重要的影響因素，對(duì)燒結(jié)的溫度影響較大，直接影響燒結(jié)的質(zhì)量。

 

在激光選區(qū)燒結(jié)過程中，由于燒結(jié)件中空洞和燒結(jié)孔隙的存在，使得燒結(jié)件的強(qiáng)度等力學(xué)性能降低。未燒結(jié)粉末材料會(huì)受到溫度影響而降低質(zhì)量，多次重復(fù)使用將會(huì)影響燒結(jié)件質(zhì)量。

 

類似地，在激光選取熔融（SLM）成形過程中，當(dāng)激光照射到金屬粉末表面時(shí)，會(huì)發(fā)生多次反射和吸收，在激光波長(zhǎng)一定的情況下，對(duì)激光的吸收率與合金成分、粉體表面粗糙度、粉體堆積密度等因素有關(guān)。

 

激光照射到粉層表面還會(huì)帶來瞬間的局部溫度過高，造成保護(hù)氣體膨脹，氣化等現(xiàn)象，膨脹的氣體形成反沖力，即反沖壓。反沖壓不僅會(huì)帶動(dòng)粉末的運(yùn)動(dòng)，還會(huì)造成熔池表面的波動(dòng)，形成表面波紋。

 

 

圖2 球化現(xiàn)象，（a）Rayleigh 不穩(wěn)定示意圖，（b）SLM后表面的球化現(xiàn)象

 

在激光熔池內(nèi)部，由于溫度分布不均勻，熔體在表面張力梯度的作用下形成Marangoni對(duì)流，使熔池內(nèi)液體處于復(fù)雜的高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下。如果對(duì)流過于激烈，熔體有可能擺脫表面張力的束縛，形成飛濺現(xiàn)象。

 

 

圖3 非擇優(yōu)微觀結(jié)構(gòu)和缺陷

 

在熔池邊緣，熔體與未熔化的粉末在毛細(xì)力的作用下發(fā)生浸潤(rùn)和鋪展作用，浸潤(rùn)不充分的話，就會(huì)形成殘余孔洞。由于粉體導(dǎo)熱作用，熔池邊緣的粉末發(fā)生燒結(jié)頸縮，燒結(jié)的粉末粘結(jié)在成形部件表面，造成表面粗糙。

 

 

圖4 SLM過程缺陷

 

為此，激光選區(qū)熔融最關(guān)鍵的問題就是，如何消除球化現(xiàn)象，從而有效地減少殘余孔洞。在激光與粉體的復(fù)雜交互作用中，粉體參數(shù)和激光參數(shù)會(huì)對(duì)成形件的質(zhì)量產(chǎn)生決定性的影響。如圖5所示。

 

 

圖5 殘余孔洞缺陷的影響因素

 

此外，球化現(xiàn)象可導(dǎo)致熔化道搭接不良，最終使得成型部件中形成孔洞，如圖6所示。這種孔洞缺陷一般有銳利的棱角，對(duì)力學(xué)性能影響嚴(yán)重。

 

 

圖6 不同掃描速度時(shí)的316L 不銹鋼形貌 (a) v = 100 mm/s; 孔洞少 (b) v = 200 mm/s; 孔洞多 (c) v = 300 mm/s. 孔洞較多 h = 0.15mm, d = 0.05mm and P = 190W

 

不同掃描速度時(shí)，孔洞的形成，因成形材料的不同而不同，如圖7所示。不同掃描速度下，純鉬的選擇性激光熔化，缺陷和缺陷的演變具有工藝參數(shù)的晶體織構(gòu)。

 

 

圖7 不同掃描速度時(shí)的純鉬織構(gòu)圖

 

為應(yīng)對(duì)殘余孔洞和球墨化現(xiàn)象，需要實(shí)現(xiàn)SLM成形過程中部件的致密化，并且有效地控制孔洞的形成，通常情況下，對(duì)熔點(diǎn)金屬材料，例如鎢，可能致密化相對(duì)比較困難。

 

而對(duì)于鋁合金來說，可以利用T6熱處理的方式，有效地增強(qiáng)材料的致密度，從而提高成形件強(qiáng)度。

 

 

圖8 不同熱處理?xiàng)l件下，AlSi10Mg成形件的氧化孔洞和突起缺陷。

 

激光選區(qū)逐點(diǎn)燒結(jié)技術(shù)實(shí)際上提供了一種逐點(diǎn)控制、設(shè)計(jì)金屬材料微結(jié)構(gòu)的方法，從而有可能獲得超越傳統(tǒng)冶金工藝的優(yōu)異機(jī)械性能。

 

然而，影響金屬激光選區(qū)燒結(jié)打印部件力學(xué)性能的因素眾多，如金屬粉末的合金成分、粒度分布、球形度、表面形貌等材料因素，以及鋪粉密度和厚度、激光功率、光斑直徑、掃描速度和掃描方向等工藝因素。

 

激光微熔池溫度的時(shí)間和空間變化率極大，快速冷卻引起非平衡片狀馬氏體、有特定取向的微觀組織、溫度應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋、層間脫粘或翹曲變形。

 

激光產(chǎn)生的局部高溫使金屬瞬間熔解氣化并產(chǎn)生極強(qiáng)的高壓，將影響金相組織結(jié)構(gòu)并引發(fā)孔隙和裂紋等缺陷。這些因素都將降低打印部件的拉伸強(qiáng)度、疲勞性能和斷裂韌性。

 

通常采用熱處理以降低或消除材料的微結(jié)構(gòu)特征、孔隙、裂紋和殘余應(yīng)力。此外，激光逐點(diǎn)選區(qū)燒結(jié)技術(shù)的粉末固化時(shí)，液滴在粗糙固體材料表面蒸發(fā)的潤(rùn)濕效應(yīng)等物理力學(xué)行為，會(huì)產(chǎn)生所打印產(chǎn)品的表面質(zhì)量，氣孔夾雜等界面缺陷，也會(huì)影響材料強(qiáng)度。

 

激光工程化凈成形技術(shù)相關(guān)研究工作的重點(diǎn)在于熔覆設(shè)備的研制與開發(fā)、熔池動(dòng)力學(xué)、合金成分的設(shè)計(jì)、裂紋的形成、擴(kuò)展和控制方法、以及熔覆層與基體之間的結(jié)合力等。

 

激光熔覆技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚未完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的主要原因是熔覆層質(zhì)量的不穩(wěn)定性。激光熔覆過程中，加熱和冷卻的速度極快，最高速度可達(dá)1012℃/s，由此而引起的不均勻加熱和冷卻會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，進(jìn)而嚴(yán)重影響成品的成型精度。

 

由于熔覆層和基體材料的溫度梯度和熱膨脹系數(shù)的差異，可能在熔覆層中產(chǎn)生多種缺陷，主要包括氣孔、裂紋、變形和表面不平度。例如，新近的EBAM技術(shù)（Electron beam additive manufacturing）使用大功率激光器，光斑直徑一般在1mm左右，所得到的金屬零件的尺寸精度和表面粗糙度都較差，只能制作粗毛坯，需精加工后才能使用。

 

大型金屬構(gòu)件激光快速成形技術(shù)研究能否得到持續(xù)發(fā)展，在很大程度上將取決于對(duì)激光快速成形過程內(nèi)應(yīng)力演化行為規(guī)律、內(nèi)部缺陷形成機(jī)理和內(nèi)部組織形成規(guī)律等關(guān)鍵基礎(chǔ)問題的研究深度和認(rèn)識(shí)程度。

 

要實(shí)現(xiàn)對(duì)大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形過程內(nèi)應(yīng)力的有效控制，和零件變形開裂的有效預(yù)防，有效突破一直制約大型金屬結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)發(fā)展的內(nèi)部強(qiáng)度質(zhì)量瓶頸，須認(rèn)識(shí)清楚周期性長(zhǎng)期激光劇烈熱循環(huán)作用下，零件“熱應(yīng)力”的演化規(guī)律，及其與激光快速成形工藝條件，與掃描填充模式及零件結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

 

周期性、高溫度梯度、劇烈加熱和冷卻過程中材料的短時(shí)非平衡固態(tài)相變“組織應(yīng)力”形成規(guī)律，及其與激光快速成形工藝條件的關(guān)系。超高溫度梯度作用下，移動(dòng)熔池“強(qiáng)約束凝固收縮應(yīng)力”形成機(jī)理、演化規(guī)律，以及熱應(yīng)力、組織應(yīng)力、凝固收縮應(yīng)力和外約束應(yīng)力的非穩(wěn)態(tài)耦合行為演化規(guī)律，及其與零件變形開裂之間的關(guān)系。

 

而要實(shí)現(xiàn)對(duì)激光快速成形大型鈦合金結(jié)構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)量的有效控制調(diào)節(jié)，須深入研究的是移動(dòng)熔池激光超常冶金動(dòng)力學(xué)，快速凝固形核、生長(zhǎng)、局部凝固組織特征，與激光快速成形工藝參數(shù)和激光成形條件之間的相互關(guān)系、移動(dòng)熔池局部快速凝固行為和三維成形零件凝固組織形成規(guī)律之間的關(guān)系，和移動(dòng)熔池局部凝固過程和零件特有內(nèi)部冶金缺陷形成規(guī)律間的關(guān)系等等。

 

因此，三維激光燒結(jié)技術(shù)和多材料三維打印，可以通過相關(guān)的界面增韌，整合制造復(fù)雜的整體架構(gòu)，界面/工藝相關(guān)約束，多材料打印時(shí)的界面層失效問題，界面性能不穩(wěn)定性，界面裂紋擴(kuò)展，夾芯殼體的構(gòu)型。

 

陶瓷和高分子材料間的粘結(jié)體系中，其粘結(jié)界面的力學(xué)機(jī)制（如失穩(wěn)狀態(tài)）和界面層的斷裂破壞機(jī)制。

 

在以剪切為主導(dǎo)的外載荷的作用下，裂紋尖端的奇異性等斷裂問題。多材料結(jié)合處，結(jié)構(gòu)突變區(qū)域形成強(qiáng)度的梯度場(chǎng)等，這些研究工作皆涉及界面裂紋控制和產(chǎn)生機(jī)理。

 

界面強(qiáng)度中斷裂力學(xué)與裂紋擴(kuò)展，界面強(qiáng)度的提高依賴于三維打印制備工藝參數(shù)，整體結(jié)構(gòu)材料裂紋擴(kuò)展斷裂是必須要應(yīng)對(duì)的問題。

 

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