激光抛光选区激光熔化制备的Ti6Al4V零件

供稿人：孙啸宇 张航 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

激光选区熔化(SLM)作为一种极具发展前景的增材制造技术，正越来越被国内外研究人员所重视。但是，基于SLM制备的金属零件经常表现出高表面粗糙度值和多种表面缺陷。激光抛光是一种提高金属表面质量的新技术，它通过激光辐照金属表面产生的热效应，使得局部金属熔化或蒸发，在毛细力或热毛细力的作用下驱动熔融金属流动，实现凸峰填充凹谷，从而获得光滑的表面。近年来关于激光抛光的相关研究已经成为热点问题，成果不断涌现。

河北工业大学Chunyong Liang等人使用波长1064nm的纳秒脉冲光纤激光器，对SLM制备的Ti6Al4V零件表面进行激光抛光。作者保证激光在X和Y方向上的重叠率不变，改变激光的能量密度设计了三组不同的激光抛光参数，如表1所示。原始SLM制备的零件表面粗糙度Ra=10.2μm。

表1 保证X和Y方向上激光重叠率不变设计的三组不同的激光抛光参数

三组激光参数抛光后，LP-2的粗糙度最低，将原始Ra=10.2μm的表面，抛光到2.1μm。原因是LP-1和LP-2均发生表面浅熔（SSM），而LP-3能量密度大，发生了表面过熔。SSM效应可以有效降低表面粗糙度，但是LP-1能量太小，熔化不足，因此LP-2粗糙度最低。用激光共聚焦显微镜对表面粗糙度进行测试，并对原始样品和抛光后样品表面进行了接触角测试，如图1所示。

图1 (a)激光共聚焦测得的表面粗糙度图，(b)接触角测试图

测试结果表明LP-2参数下，表面粗糙度最低，接触角也最小，有最强的亲水性。用CT对样品表面及内部的孔隙率进行测试，如图2所示。激光抛光修复了原有SLM制件表面的裂纹、孔隙和未熔颗粒等缺陷，并且在内部深达100μm的熔池深度内，孔隙均有所减少，观察到更为致密的微观组织。

图2 (a)、(b)分别为SLM成型样品和LP-2样品重建的伪彩色图像，(c)为SLM样品和LP-2样品距离表面不同距离的孔隙体积率

对样品表面进行细胞黏附和增殖实验，如图3所示。发现在光滑的LP-2表面细胞的黏附和增值更好。证明了激光抛光的光洁表面可以提高零件的生物相容性。

图3 MC3T3-E1骨细胞在不同样品表面的黏附和增殖。(a)SLM样品，(b) LP-1样品，(c) LP-2样品，(d) LP-3样品。图a-d:播种1天后成骨细胞的f -肌动蛋白骨架(红色)和细胞核(蓝色)

Ti6Al4V是一种常用于骨科和牙科治疗的材料，通常和SLM增材制造技术相结合。本文的研究通过激光抛光降低了零件的表面粗糙度，修复了孔隙等缺陷。提高了亲水性和生物相容性，有利于Ti6Al4V的推广和应用。

参考文献：
Liang C, Hu Y, Liu N, et al. Laser Polishing of Ti6Al4V Fabricated by Selective Laser Melting[J]. Metals, 2020, 10(2).https://www.mdpi.com/2075-4701/10/2/191