综述：激光抛光3D打印金属部件（三）

来源：江苏激光联盟

导读：本综述（三）主要介绍激光抛光技术 在3D打印钛合金上的应用现状。

2.3激光抛光在增材制造钛合金中的应用
在航空场合应用最为广泛的3D打印材料为钛合金。Ti6Al4V合金具有优异的性能，如高的比强度、高硬度、耐腐蚀、抗氧化等性能。由于钛合金比强度高、从而在航空航天、海洋等工程中得到应用，同时由于钛合金具有生物相容性，从而作为生物植入材料而得到应用。SLM制造时表面氧化膜的形成已经被观察到并发现氧化膜的形成主要富集氧，而没有进行外表扫描的表面则富集钛。V的浓度发现在扫描的表面要比非扫描的表面的区域要高。扫描模式同网板相似的时候，其初始的强度要下降85%。Marimuthu采用连续光纤激光研究了激光抛光对SLM制造的Ti6Al4V的影响。该部件是采用45°方向制造的，其平均表面粗糙度为10.2μm。在激光抛光参数为功率60W，扫描速度750mm/min,光束偏移0.35mm的时候，平均表面粗糙度为2.4μm。在优化的参数条件下，得到的最小表面粗糙度时，SEM照片揭示，Ti6Al4V钛合金在抛光前后其柱状晶显微组织没有发生显著的变化。用发展的计算流体动力学（CFD）来研究熔池动力学和表面形貌。需要较高的能量来避免熔池速度的增加，从而进一步的造成在抛光的表面形成条纹。

Ma等人采用LAM技术制备了TC4（Ti6Al4V）和TC11钛合金部件，并对其进行了研究。其制造的部件暴露在激光辐照之下来研究表面形貌、显微硬度和耐磨性的变化。其平均表面粗糙度Sa在TC4和TC11进行抛光前后分别从5.226降低到0.375μm和从7.21降低到0.73μm。TC4样品的显微组织，据观察在激光抛光区域为马氏体α’，且厚度为170μm。XRD分析表明沉积态 的TC4部件的相组成为α和β，而在同激光进行相互作用之后，其表面显微组织变为α’马氏体相而没有β相的形成。形成均匀的α’相的原因是在同激光相互作用时瞬时的熔化和随后的快速冷却。当沉积态的表面皿暴露在激光辐照之下时，表面温度升高，当温度超过β相的相转变温度时（大约为1273K），α+β相完全转变为β相。在冷却过程中，取决于冷却速率，β相会转换回来形成二次α相或α’马氏体。形成的相似的马氏体α’相在TC11中会被观察到，但抛光区域只有90μm，对TC4来说，冷却速率临界点为410K/S,比TC11高得多。基于摩擦测试分析，观察到TC4和TC11同沉积态相比较均得到了提高。这归因于在激光抛光后形成了硬的马氏体α’相的缘故。

▲图1. 激光抛光对TC4合金的影响：(a)LAM部件的表面上进行激光抛光的区域；(b)激光抛光区域和沉积态区域的界面利用SEM进行观察所得到的照片; (c) 沉积态的表面形貌图; (d) 激光抛光之后得到的表面形貌图

▲图2. 激光抛光对TC11合金的影响：(a)LAM部件的表面上进行激光抛光的区域；(b)激光抛光区域和沉积态区域的界面利用SEM进行观察所得到的照片; (c) 沉积态的表面形貌图; (d) 激光抛光之后得到的表面形貌图

▲图3. 对TC4钛合金进行激光抛光之后的分析结果：(a) 总体图; (b) 激光抛光区域的显微组织; (c) 基材的显微组织; (d) XRD 衍射分析结果

▲图4. 对TC11钛合金进行激光抛光之后的分析结果：(a) 总体图; (b) 激光抛光区域的显微组织; (c) 基材的显微组织; (d) XRD 衍射分析结果

同Ma的工作相类似，Li等人也研究了采用SLM制造的Ti6Al4V部件的表面形貌、显微组织的演变和机械性能。在激光加工参数为90W的激光功率、搭接率为10%、扫描速度为150mm/s的时候，SLM制造的初始粗糙度表面为6.53μm，获得的最佳平均粗糙度值为0.32μm。一个3D流体模型和传热模型构建起来来检查激光抛光时溶体的形成和熔池的凝固行为。通过模拟结果，峰值温度大约为2800℃，熔池的深度为60μm。沉积态表面的α+β相转变成马氏体α’相，这同Ma的研究结果非常类似，但其冷却速率为10exp(6)/s。XRD分析、有限元模拟结果、基材显微组织、热影响区和熔池见下图5所示。激光抛光之后其表面硬度达25%，从340HV（沉积态）上升到426HV（抛光后的表面）。通过摩擦测试，激光抛光后的表面，其磨损速率比沉积态低39%。连续快速熔化和熔池的快速凝固造成残余应力的形成，应力范围在300-500MPa。据观察，沉积态和激光抛光的部件，其拉伸强度和屈服强度变化不超过1%，延伸率为5%。激光抛光后的部件，其疲劳强度会有一定程度的减少。这一疲劳强度的减少归因于SLM制造部件缺陷的减少。

▲图5. XRD、有限元分析模拟结果和显微组织：(a) XRD分析结果; (b) 横截面的温度场分布; (c)激光抛光区域; (d) HAZ; (e)沉积态材料的显微组织

有研究人员报到了采用激光抛光技术对电子束增材制造（EBM）的钛合金Ti6Al4V部件进行处理，该部件代表了粉末床制造部件时表面粗糙度最差的案例。选择这一部件作为一个案例来研究和评估激光表面抛光技术在提高AM制造部件的表面质量方面的能力。实验结果显示，其表面粗糙度可以降低到Sa=0.51μm，这一数值几乎同CNC加工的表面相当。在AM制造时存在的缺陷在激光抛光后也得到了消除。然而，重熔层经受着织构的变化，晶粒尺寸和马氏体相变的发生，这是重复的激光束来回扫描造成的原位回火造成的，造成亚表面的硬度提高。此外，高水平的近表面的残余应力也会在激光抛光的时候生成，尽管这一应力会在随后的应力释放热处理过程中得到消除。

▲图6. 激光抛光对EBM制造的钛合金部件进行抛光后得到的结果的总体图

▲图7. 在采用EBM粉末床手段制备Ti6Al4 V样品的垂直方向上观察到的高度方向的粗糙度和典型的基材亚表面的缺陷：(a) 沉积态的表面SEM照片; (b)和 (c)高分辨率X射线CT扫描（XCT） 的分析结果表明表面的侵入缺陷（见箭头）；(d) 电化学抛光后的牙科植入物表面 实物图

▲图8. 没有抛光和进行了激光抛光的测试区域，所有的实验均在优化的参数下进行，在EBM样品的垂直边进行的，(a) 没有进行激光抛光的EBM制造的钛合金部件的表面 , (b) 激光对EBM制造的部件表面进行抛光后得到的表面 , (c)激光抛光区域和没有进行抛光的区域在宏观放大倍数下观察到的结果, (d) 激光抛光后放大的区域 (来自图 (b)中的线框区域); 其中箭头区域在（a）中为深度的局部的表面侵入的缺陷

▲图9. 激光表面抛光后通过表面轮廓测量设备在不同的维度测试得到的表面粗糙度的变化：(a) SEM照片显示原始表面原始表面和抛光后的表面的对比图；(b) 在面积为2 mm × 6 mm的区域内，采用激光轮廓仪测量得到的等效的过渡区的结果（激光抛光区和非抛光区）, (c) 激光抛光的表面，测量的区域为 0.65 mm × 0.86 mm, (d) 采用白光干涉仪测量的 0.13 mm × 0.17 mm 区域的结果

▲图10. XCT测量的样品的结果： (a) 激光抛光区域和 (b) AM基材的结果

结果显示激光抛光技术可以显著且成功的应用到EBM制造的Ti6Al4 V部件的表面处理上，并极大的降低了表面的粗糙度。然而，激光抛光工艺可以显著的改变部件的显微组织和残余应力。

•激光抛光减少了EBM制造的钛合金部件的表面粗糙度，减少程度达到了75%，前提是当测量范围为mm级别的时候，但在微米级别进行测量的时候，其表面粗糙度水平可以达到 Sa = 0.51 μm的水平。这一提高的水平同机械抛光或机加工的表面几乎说相当。此外，激光抛光还移除了表面的应力而不对材料产生损失。

表面薄层（200 μm深度）在激光抛光过程中的重熔之后呈现出不同的晶粒细化结构和一个重新的方向的织构，相对AM制造的基材来说。在重熔层的柱状晶重新自基材进行外延生长而朝向熔化的表面，具有不同的择优生长方向。这同熔化的表面的方位的改变和相对原始的MA制造的相对扫描方向相关。

•在材料表面深度大约450 μm的地方存在一个热影响区。这一热影响区存在一个大约300 μm深度的亚表面，几乎为完全的 β 退火相，与此同时还有部分过渡相转变成。这一完全转变区域大约经受了一个马氏体转变的冷却，紧随其后的是原位的分解，并分解成一个非常细小的α + β薄层结构，这是在随后的光束扫描中发生的。部分转变的过渡层包含一个体积递减的二次 α相和增加体积的粗大的出生 α板条相且具有一定深度。

•结果，亚表面的非常精细的显微组织的存在，造成在同一深度的显微硬度有一个小程度的增加，此时热影响区在激光抛光后也产生。

•在本实验中使用的参数条件下，经过抛光会在部件表面诱导一定程度的残余拉应力（高达580MPa），随着深度的增加而快速的降低。然而，残余应力可以通过一个标准的应力释放热处理来进行几乎完全的释放。

•在优化的参数条件下，激光抛光被发现不存在裂纹，或其他的缺陷，但存在一个相似的低程度的气孔。