一家专注流体压力成形技术
【作 者】韩国梁;石文天;韩玉凡;刘玉德
【引 言】
选区激光熔化技术( Selected Laser Melting，SLM)作为快速成形技术( Ｒapid Prototyping，ＲP) 的一种，在航空航天、汽车制造、医疗、工业产品设计、建筑设计、文娱产品、生物科技等各个产业领域占有较高比重［1－2］。SLM 制造出零件的微观结构和机械性能取决于材料属性、工艺参数、扫描策略以及零件形状和打印时的摆放方式。在 SLM 成形零件的过程中，粉末在很短的时间内经历了从熔化到凝固的过程，凝固速度甚至可以达到 105 ～ 107 K / s［3］。此外，SLM 是一个非常复杂的过程，由一系列不同的物理现象组成: 激光束能量的吸收、熔融和凝固、重熔和凝固、辐 射、熔池中的对流传热和扩散以及蒸发［4－5］。SLM 过程是激光束高速熔化金属粉末的成形过程［6－7］，单熔道成形中的微小缺陷会逐渐积累，最终影响成形件的机械性能、致密度和表面质量［8－9］。研究钛合金打印成形的大多数学者大都从宏观方面探索 SLM 成形的影响因素，并进行分析研究改善工艺方案［10－13］，部分学者则注重对单熔道的研究。Kyogoku 等人研究了激光功率 和 扫 描 速 度 对 散 装钛粉中单道形貌的影响［14］。Xiang，Y 等人则通过建立 3D 瞬态介观模型来模拟 Ti6Al4V 合金颗粒的热力学行为来研究单熔道成形原理并对缺陷进行研究［15］。Yadroitsava 等人通过加工过程中温度模拟，获得了 Ti6Al4V 合金在不同扫描功 率 和 扫 描 速 度 下 最佳工艺参数和特性的结论［16］。
上述研究都侧重于单熔道本身成形方面的研究，对单熔道成形与块体打印质量之间的联系及其影响的研究涉及较少。研究结果侧重于样件的力学性能及其改善，而忽视了几何成形精度及其缺陷。在研究单熔道成形工艺的基础上，以提高选区激光熔化成形Ti6Al4V 钛合金的成形精度为目标，分析了单熔道、多熔道搭接、单层成形搭接之间的作用机理及其互相影响。通过单熔道试验初步选定合适的工艺参数区间，根据多熔道搭接试验的表面粗糙度研究如何提高单层成形试验中的成形精度，根据上述试验确定最终的工艺参数范围，最后通过打印块体来验证工艺参数的有效性。本研究分析了 SLM 成形的机理和工艺过程，从更深层次上揭示了钛合金单熔道成形工艺参数对最终实体打印成形的影响，为钛合金成形表面质量和精度的提高提供了基础工艺参数及试验参考。
【结 论】
本研究采用选区激光熔化技术，对 TC4 钛合金进行了成形表面质量和精度的试验研究。分别做了单熔道、多熔道搭接、单层成形搭接试验，分析了成形工艺参数对成形表面质量和成形精度的影响，得到如下结论:
(1)多熔道搭接试验是钛合金 TC4 打印成形的关键环节，其表面质量还会影响成形块体最终的尺寸精度，Sa 值越小最终的成形厚度也越接近预设值，块体的成形效果也越好。
(2)多熔道搭接试验表明: 增大扫描线功率，减小扫描线间距，将曝光时间控制在合理范围，可以提高熔道搭接质量，减少飞溅现象和侧面粘粉现象，降低 Sa 值，从而提高表面成形质量，试验中取得的 Sa 值最小可以达到 3. 85 μm。
(3)单层成形搭接试验中，随着扫描功率提高，样件的成形厚度逐渐接近预期值，最小误差可以达到 0. 396%。在打印对象厚度较低时可以通过适当减少曝光时间来减小尺寸误差并提高打印效率，当成形厚度较大时应该使用较高的扫描功率来保证尺寸精度。
(4)曝光时间对样件的成形厚度和表面成形质量影响较大，增加曝光时间可以提高熔道搭接质量，降低表面粗糙度值，同时也会增加表面飞溅现象和侧面粘粉的发生几率; 过长的曝光时间同样会降低成形厚度，影响样件的最终尺寸。因此在适当的工艺范围内应选择较低的曝光时间。
以下是正文：
