综述：激光抛光3D打印金属部件（二）

来源：江苏激光联盟

导读：本综述主要介绍激光抛光技术在3D打印钢铁材料上的应用现状。接上篇：综述：激光抛光3D打印金属部件（一）https://www.nanjixiong.com/thread-147626-1-1.html

2.2激光抛光技术在3D打印钢铁上的应用
Lamikiz等人检查了热作回火工具钢（DIN 1.2344）在激光相互作用时的结果，结果发现不管3D打印时其原始形貌如何，得到的最终表面粗糙度几乎是一样的。其平均表面粗糙度降低了76.45%到23.8%，这一结果是在简单的线和激光表面抛光后得到的结果。在另外一个研究中，他们分析了激光烧结后DIN C45钢和DIN X40CrMoV51工具钢的不同表面形貌。前者在激光抛光后实施研磨和电火花加工，而后者则采用球磨作为最终的加工结果。通过保持焦距和扫描速度不变，表面粗糙度值最低的时候是在1500 W和1700 W的时候实现。在加工DIN X40CrMoV51工具钢的时候，其表面粗糙度的最低值为0.356μm，激光功率为800 W，激光焦距为33mm。对X2CrNiMo17-2-2钢（代号为1.4404）的表面形貌进行研究，发现其较低的表面粗糙度值为12.5μm到0.35μm，扫描速度为4cm2/min，采用的是纳米光纤激光。对激光抛光300级别的马氏体时效钢进行研究发现，几乎在所有的参数组合下均存在额外的飞溅、脉冲频率为5 KHz，当这一频率继续增加时，熔池的不稳定性在功率超过12 W的时候观察到的。在激光功率为25W到50W的时候，其表面粗糙度随着扫描速度的变化和扫描间距的变化的研究结果见下图1。从该图中可以观察到，激光功率为25W的时候其表面粗糙度并没有显著的变化，在激光功率为50W，扫描速度超过200 mm/s的时候其粗糙度低于1μm。

▲图1 扫描速度和扫描间距在不同激光功率的作用下进行激光抛光之后的粗糙度：(a) 25 W; (b) 50 W

Yasa等人对激光抛光SLM制造的316L不锈钢时对提高其致密度、表面质量和显微组织方面的变化开展了大量的研究。为了完全消除SLM制造得到的气孔，他们采用在SLM工艺过程中对每一层进行重熔，见下图2所示。这就意味着每一层沉积层经历了一次重熔，同一熔化层在铺展下一层粉末的时候经历了一次重新扫描。这一操作增加了产品的制造时间，但这是唯一一种可以将气孔率控制在1%以内且可以不易造成裂纹生成和扩展的办法。通过金相观察，SLM制造的部件的气孔率在激光重熔和没有激光重熔的时候分别为0.036%（这几乎相当于为100%的致密度）和0.77%。SLM制造的部件在没有重熔前其表面粗糙度大约为12μm，而在经历激光重熔之后其表面粗糙度减少到1.5μm，这有将近90%的提高。为了提高SLM制造的微加工的能力，该工艺结合选择性激光烧蚀（Selective Laser Erosion，SLE）来选择性的烧蚀掉SLM部件中的材料。采用SLE时材料的粗糙度的减少不如激光重熔，但也可以减少50%，且其速度要快于激光重熔。由于SLE和SLM整合在一起，就有可能采用SLM工艺制造出数值在50~100μm之间的微观特征的结构。同时发现由于这一策略的重熔是熔化的已经凝固的材料，这样就可以在每一层均得到细化的晶粒和几乎接近100%的致密度，因为得到的部件在即使只有1%的孔隙率的时候也会显著的影响到机械性能。对LMD部件进行研究，其在制造方向上的平均粗糙度和在垂直于沉积方向上是不同的。在高的激光功率和热输入条件下，注意到其表面粗糙度在沉积方向和垂直方向上在重熔之后均比较大，这一状况在激光功率为200 W和扫描速度为500 mm/min的时候没有被观察到。

▲图2. (a) 激光重熔的示意图和 (b) 激光辐照对表面粗糙度的影响

Rosa等人研究了激光抛光技术对激光增材制造的316L不锈钢的薄壁且复杂形状的构件的影响。激光功率、送粉速度、搭接率和激光抛光策略对部件的影响均进行了研究。通过这一可行性研究，注意到扫描多次时可以进一步的减少表面的粗糙度。在优化的工艺参数条件下，在重复5次扫描的时候，激光抛光可以将初始粗糙度为（Sa）21μm减少到最终为1μm，减少达到了96%。激光能量和脉冲重叠对SLM制造的316L 不锈钢的表面影响使用Yb增强的纳秒光纤激光进行了研究。在优化的参数如激光能量为9J/cm2，扫描方向的搭接率为95%和扫描间距方向的搭接率为88~91%的时候，其表面粗糙度从3.8μm降低到0.2μm，在大气条件下进行激光抛光时，其氧化膜的厚度大约为0.5μm。在Ar气氛和同N2气氛条件下相比较，激光抛光时，在Ar气氛下得到的氧化膜厚度最薄。为了证实氧化膜的存在，采用EDX面扫描以及线扫描对激光抛光和未抛光的接头区域进行了分析，结果见下图3所示。EDX面扫描结果揭示了在抛光区域存在26.3wt%的氧，这一数值在未抛光区域为0.8wt%。在高能输入时，其显微硬度在抛光区域会有60%的增加。

▲图3. (a) 激光抛光区域和激光未抛光区域的连接区的微观接头；(b)EDX 成分面扫描结果

▲图4. 表面的形貌图：(a) 原始的材料表面; (b)激光抛光之后的表面，激光参数为 : 5 J/cm2, OPx: 95%, OPy: 95%; (c) Ed: 5 J/cm2, OPx: 95%, OPy: 85%, (d) Ed: 5 J/cm2, OPx: 82%, OPy: 85%

图5所示为沉积的3D打印样品在不同的工艺参数组合下进行激光抛光后得到的3D表面形貌。在图5b中可以观察到激光抛光之后存在小肿块，这表明微小消融和表面的重熔在X和Y方形同时存在95%的搭接率的时候发生。这可以用来解释在这些参数条件下热能的高度聚集。当OPy减少到85%的时候，表面的精饰提高的程度达到96%，同原来的材料相比较，Sa从原来的3.78 μm下降到0.14 μm。然而，在图5c中观察到跨过的标记。进一步的OPx和OPy的减少会导致坑和孔在表面形成，见图5d所示，此时的较高的表面粗糙度Sa为1.73 μm，显示出较低的热吸收和随后材料的不充分的熔化。

▲图5. 激光增材制造的立方体 S1, S2a and S2b在空气中进行激光抛光之后得到的表面形貌图，激光能量分别为：(a) 20 J/cm2, (b)-(c) 9 J/cm2 和 (d) S3，此时的保护气氛为Ar气 ，激光能量为 9 J/cm2

激光增材制造的部件在激光抛光时，在空气条件下 (S1) ，当激光能量Ed = 20 J/cm2的时候表面为黑色或者深褐色，而当激光能量为9 J/cm2 的时候，激光抛光的表面 (S2a and S2b) 则为光亮的褐色，而在Ar气氛下 (S3)则呈现出银色或者明亮的金属色泽。综合的辐照和SOM区域的时候，在S1条件下其表面粗糙度增加，变化范围为 5.9 到 6.4 μm，同沉积态的表面相比较为3.2 μm Sa，而SSM区域，对 S2a和 S2b来说，其粗糙度则减少了82-92%，Sa数值从0.23到0.52 μm变化。S3样品也呈现出相似的粗糙度降低，Sa降低到90–92%，其数值为0.25 到 0.29 μm。下图7为激光抛光后的Alicona图像，由此，可见激光抛光处理之后可以观察到直接制造SS316L工件的高度重复性。图7 为一个抛光应用的实际案例。图8 为激光抛光3D打印的工具钢前后的表面光学形貌的对比图。

▲图6 (a) 激光抛光的时候在DM SS316L部件中的区域; (b) 沉积态的SS316L部件；(c)激光抛光后的金属表面 (处理面积为: 287 × 218 μm)

图7. 3D打印的自由成型表面进行激光抛光之后的表面得到应用的一个案例：

▲图解：a. 3D 模型和层的分解, b. 机械臂控制系统和 c. 3D 打印的原型在激光抛光前后的实物图的对比

▲图8. 对3D打印的工具钢在进行激光抛光前后的表面光学轮廓图：a没有进行激光抛光的结果；b. 激光抛光之后的结果

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