综述：激光抛光3D打印金属部件（五）

导读：本综述主要介绍激光抛光技术在3D打印铝合金基材料上的应用现状。

综述：激光抛光3D打印金属部件（一）：https://www.nanjixiong.com/thread-147626-1-1.html
综述：激光抛光3D打印金属部件（二）：https://www.nanjixiong.com/thread-147870-1-1.html
综述：激光抛光3D打印金属部件（三）：https://www.nanjixiong.com/thread-147937-1-1.html
综述：激光抛光3D打印金属部件（四）：https://www.nanjixiong.com/thread-146027-1-1.html

激光抛光增材制造的铝合金时可以得到如下优点：

• 激光抛光增材制造的铝合金部件之后可以得到更高的热导率；
• 在抛光的时候采用隔热的保持基材的温度来辅助材料实现自熔化；
• 采用详细的残余应力分析技术来分析激光抛光铝合金之后的残余应力；
• 一定深度的表面完整性和亚表面的温度测量分析技术的应用来进行了相应的分析；同AM制造的沉积态部件相比较，激光抛光之后，其平均表面粗糙度提升了大约88%。
  

激光抛光增材制造的铝合金，实际上是一种再熔化的过程，是一种面临着巨大挑战的工艺，这是因为铝合金具有热导率高、扩散性好和发射率高的特点。在本研究中，采用一个新颖的激光抛光策略来提高材料的再熔化效率，采用的办法是使用一个隔热的陶瓷基板，在纳秒脉冲激光在大气中和Ar环境中进行抛光的时候辅助加热铝合金。这一策略考虑的是提高铝合金材料再熔化时的效果，通过表面温度的测量来实现。这一抛光技术可以提高表面粗糙度到80-88%，残余压应力达到-19 MPa，这是在空气中的测试结果，此时的激光能量密度为12 J/cm2，扫描道次为10次。相反，没有进行抛光的增材制造的铝合金部件呈现出拉应力为+55 MPa。激光抛光，然而，在一定程度上会降低增材制造铝合金部件的硬度（大约为15-25%），同沉积态的部件相比较的话。在富集Al的白色层中的热影响区的深度达到大约35 μm，研究结果揭示了控制热耗散对激光抛光导热材料来获得理想的表面完整性提供了一个借鉴。

▲图1. 激光抛光铝合金总的研究图

在当前，SLM制造铝合金面临着一定的挑战，这是因为铝合金材料的流动性差，反射率高和传热效果好，充分的理解SLM增材制造铝合金，尤其是AlSi10Mg合金，在过去进行了充分的研究并且得到了相当优化的结果，如可接受的致密度、显微组织和机械性能。这主要是因为AlSi10Mg所具有的良好的焊接性能、硬化效应和耐腐蚀性能等，导致了这一类的轻质材料在航空、汽车和电子包装等领域的应用潜力十分巨大。尽管铝合金材料具有这些优点，SLM制造铝合金部件依然经受着表面粗糙度高（~4–15 μm）、球化效应、台阶效应和不利的残余拉应力的存在等问题严重的制约着制造部件的耐磨性和疲劳性能。

一个有效的提高SLM制造的铝合金部件的表面粗糙度和质量的办法是激光抛光（LP），这一技术是一种清洁、柔性、无接触和可以完全实现自动化的操作技术。这一技术在过去几十年里得到了持续的发展。LP的研究主要集中在铁基材料中，尤其占据主导地位的是工具钢，尽管也有几种碳钢和不锈钢得到了研究。相似的，这一工艺已经成功的应用于镍基合金和钛合金部件的表面形貌的改善。

早期的激光抛光增材制造的部件主要集中在提高增材制造的部件的表面粗糙度上。并且有大量的工作是这方面的报道，但对于铝合金的激光抛光面临的挑战还是比较大的，同SLM制造Al合金相类似，由于材料的高的发射率、热扩散和巨大的热膨胀系数等。通过再熔化进行抛光来维持材料中的热输入。由此，这在抛光高热导率和高扩散材料的时候就会存在困难。铝合金，如AlSi10Mg合金具有非常高的热导率(~113 W/mK) ，同其他材料相比较，316L不锈钢为~15 W/mK， Ti-6Al-4V为~7 W/mK。正是由于这个原因，所以316L和钛合金是研究和应用最多的两种激光抛光材料。相反，对于铝合金材料的抛光却是非常少的，而且这种材料还主要是锻造和压铸来制造的。关于激光抛光SLM制造的铝合金方面的研究就更少了。Burzic等人研究了脉冲激光和连续激光在变化的激光能量密度、扫描速度和频率下抛光铸造的AlSi9MnMg。其表面粗糙度从Ra = 2.17–2.34 μm下降到Ra = 0.19 μm和 Ra = 0.16 μm ，这一结果是脉冲激光和连续激光抛光的结果。相似的，采用激光抛光SLM制造的AlSi10Mg合金，其表面粗糙度也得到了改善。最小的粗糙度是在单个和双道的脉冲纳秒激光抛光之后得到的。

大多数的文献中关于激光抛光铝合金的文章主要集中在评估抛光之后的形貌和表面粗糙度上，只有少量的文章报道了激光抛光对铝合金的耐磨性和腐蚀性能的影响。Schmidt 等人报道了脉冲Nd：YAG激光抛光锻造AlCu4MgPb 合金和铸造 AlSi10Mg(Fe)的研究，在变化的激光扫描速度、扫描间距和能量密度（通过焦距的变化来实现）的条件下进行研究。前者的材料不能被抛光，这是因为较容易形成裂纹。相反，对铸造铝合金则可以实现抛光，其表面粗糙度下降了66%（Ra），从开始的1.37 μm 下降到抛光后的 0.47 μm。进一步的，激光抛光后的铝合金还呈现出较高的硬度和更好的耐磨性，同没有激光处理的基材相比较，这是因为更加均匀分布的小的富集Si的相在激光处理区域存在。Elahi观察了在激光抛光Al合金表面时在大气环境下发展的人造氧化膜的形成情况，会导致在表面的润湿性得到提高，由此提高了材料同异种材料（此处为聚酰胺，简称为PA）时的润湿性。激光抛光同时据报道还可以提高A2219铝合金的耐蚀性，而不会影响到其熔化层的机械性能。

基于以上的文献报道，可以认为还有很大的空间来挖掘激光抛光在Al合金中的应用。当前的工作是研究脉冲纳秒激光抛光SLM制造的AlSi10Mg 铝合金部件。合金的选择是基于该合金广泛的应用于汽车和航空工业中。在最近还有一个趋势是增材制造的部件将逐渐替代传统的部件，因为增材制造可以减少质量和能源的消耗，这一减少是通过拓扑优化来实现的。在激光抛光工艺有可能成为增材制造的一个快速的后处理工艺，尤其是对选择性的区域进行处理的条件下，同传统的机械抛光相比较，诸如振动抛光，比较典型的需要3-4h才能实现SLM制造的部件表面Sa达到~14–16 μm，变为抛光之后的~4–8 μm。这一研究同时也探究了在SLM制造的时候引入一个隔热的基板，这一隔热的基板在激光抛光的过程中起到再加热的效果。基于作者的知识，这一策略在激光抛光的过程中来辅助实现加热，还没有被报道过。此外，深入的分析更加宽广范围内铝合金部件在不同的条件下，如气体环境（Ar或者N2等）条件下激光抛光铝合金之后的表面完整性，如残余应力、显微硬度和显微组织。因为SLM制造的部件会诱导产生拉伸残余应力，从而需要研究激光抛光之后对部件残余应力的影响。因此，结合激光抛光之后的表面粗糙度和形貌的评估来进行研究，综合评估SLM制造的 AlSi10Mg 样品在大气气氛和Ar气环境下进行激光抛光之后的残余应力、显微硬度和显微组织。

▲图2. 岛状激光扫描策略的示意图，(a). 显示的是每一层被分解成几个矩形区域（岛状）和每一个岛状区域为光栅扫描，(b). 在接下来的一层扫描，其扫描在X和Y方向上位移1mm

▲图3. 示意图显示激光扫描方向的变化，覆盖整个10 × 10 mm2 的顶部区域：第一个扫描方向时沿着X+的方向，而每一个接下来的扫描为逆时针方向，同前一个扫描方向角度为45°，该扫描过程重复25次扫描

▲图4. 表面形貌图：（a）沉积态的SLM部件和样品在12 J/cm2 的条件下进行抛光的结果（b），扫描条件为C2和10次扫描；（c）C2条件下扫描15次和（d）C3条件下扫描10次

▲图5. 在采用陶瓷隔热基板和不采用陶瓷隔热基板的条件下，在大气和Ar气体条件下进行抛光所测量得到的部件中的残余应力

▲图6. 样品在不同条件下进行激光抛光之后得到的横截面的显微组织：(a), (b) C2 和 (c) C3

激光抛光材料在具有高的热导率，诸如铝合金，研究是非常有限的。当前的工作对纳秒脉冲激光抛光SLM制造的AlSi10Mg进行了研究。铝合金的选择对制造轻质场合中应用的航空、汽车和电子部件至关重要。为了减少激光抛光铝合金部件所面临的挑战，由于材料高的热导率、扩散和发射性，这一研究提出了一个新颖的策略来提高材料的再熔化行为，通过应用一个隔热的陶瓷基板来实现。这一策略帮助实现部件的表面粗糙度可以达到亚微米的级别，最小的粗糙度达到0.64 μm，这样部件的表面粗糙度比SLM部件的要低大约 ~80–88%。在表面粗糙度为这一数值的时候，激光能量为12 J/cm2 ，97%的脉冲重复搭接率，且没有发现任何明显的裂纹或坑存在。同时也注意到，表面粗糙度的减少主要取决于SLM制造沉积时的初始表面粗糙度。

提出的策略使用一个隔热的基板来提高材料的再热，意味着这是非常重要的一步来减少铝合金部件的体热的散失，从而实现了激光抛光对高热导率材料的应用。同时研究所采用的策略可以应用到更加复杂部件的激光抛光上，在AM制造的部件在预热的环境下且密闭的环境下将会控制导热和对流，从而保证了在抛光后材料冷却的热温度梯度。

该研究同时还提出了一个实时测量表面温度的办法，例如红外温度测量仪和控制材料在激光抛光时的反应。这将导致部件的功能需求得到满足，如更好的摩擦性能、提高的腐蚀性能和疲劳性能以及更加光滑的表面形貌和形成压缩残余应力。