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多光束激光复合对SLM制造316L不锈钢的影响

发表时间: 2022-11-02 11:47:12

作者: 【大唐盛世金属3D打印】

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随着增材制造技术在工业中的广泛应用对工艺过程中的稳定性,如产品的制造性,鲁棒性,部件质量以及可以加工的材料的范围越来越引起关注。但由于SLM制造过程中高的冷却速率,高的热温度梯度和层层堆积的特点,采用SLM工艺制造的部件会出现各种不同的缺陷。这些缺陷会导致高的孔隙率,变形,裂纹和表面粗糙度等。当采用另外一个激光束在熔池附近进行加热时会均质化熔池的温度,减慢熔池的冷却速度及其周边的冷却速度,从而提高


随着增材制造技术在工业中的广泛应用对工艺过程中的稳定性,如产品的制造性,鲁棒性,部件质量以及可以加工的材料的范围越来越引起关注。但由于SLM制造过程中高的冷却速率,高的热温度梯度和层层堆积的特点,采用SLM工艺制造的部件会出现各种不同的缺陷。这些缺陷会导致高的孔隙率,变形,裂纹和表面粗糙度等。当采用另外一个激光束在熔池附近进行加热时会均质化熔池的温度,减慢熔池的冷却速度及其周边的冷却速度,从而提高其润湿性。一个概念性的想法,讨论的比较广泛和可能实施的,如通过一定程度的重熔来提高表面质量或致密化显微组织,这一策略被提上日程并得以实施


SLM这种增材制造技术是一种非常年轻的用于制造复杂形状的金属部件的增材制造技术。该技术采用层层堆积的办法来制造出依据CAD数字模型生成的三维实体。该技术选择性的熔化预先铺设的粉末并对其进行熔化而凝固,从而形成一个几乎为完全致密的部件。由于高能聚焦激光束的高的温度梯度和冷却速率导致高的残余应力,变形和裂纹,气化和飞溅等,增加了显微结构缺陷的生成,如气体所造成的气孔或未熔合气孔和降低了表面质量。这些问题均显著的降低了增材制造产品的实用性。尽管目前有不同的金属,如不锈钢,镍基高温合金,钛合金和钴基合金已经可以采用SLM技术进行成功的制造,但仍然需要大量的工作来提高制造产品的静力学性能和动力学拉伸行为方面的性能,以及理解其背后的作用机理。

多光束加工策略

很少有研究工作是针对多光束复合加工策略用于SLM的制造工艺中。对于金属的直接沉积, Aggarangsi 和Beuth同时研究表明采用一个激光束来预热可以降低较大应力到20%到30%。Wilkes等人的研究则采用一个静止的激光束来增加整个粉末床的温度,可以提高到 1800 °C,从而减少了温度梯度和由此可以实现陶瓷材料的加工。此外,电子束增材制造的经验表明余应力和变形可以通过加热熔池周围的材料来降低温度梯度。Abe等人的研究则表明一个激光束熔化熔化的时候马上紧跟一个光斑更大一些的激光束来重熔可以实现弯曲强度和硬度的较大化。Heeling等人的模拟研究和实验结果表明SLM制造过程中的多光束策略是可行的且可以实现降低残余应力且在同样的功率条件下几乎没有降低制造的产能。为了更深入的理解多光束加工策略和建立该加工的常识,需要进一步的工作来研究多光束加工对熔池形状,熔覆道的平整度和较终的密度进行研究

实验是在一个自研制的SLM实验设备上进行,采用两个水冷却的200W光纤激光,波长为1070nm以及两个独立控制的扫描振镜, f-theta为420mm的有效焦距。通过将激光头定位在一定的间隔位置,一个扫描范围为160 mm × 280 mm的区域可以进行激光扫描。

图1. 可以实现大范围激光扫描的实验室自研制的多光束设备


▲图2. 纵断面的显示图:(a)预热和 (b)后续加热。加热用的激光束比用来熔化粉末的激光束的光斑要大得多


▲图3. 单激光束制造时而的横截面和采用光斑直径为270 μm的激光,功率为100W进行预热时得到的结果进行对比


图4. 单激光束制造时得到的横截面和采用光斑直径为380 μm的激光。功率为200W进行预热时得到的结果进行对比


图5. 采用过滤和不过滤时得到的表面粗糙度的结果


图6. 在研究的参数条件下 Ra的算术平均偏差和标准误差结果


图7. 在本文的参数条件下得到的平均相对致密度的数值


主要结论

研究结果表明多光束复合的策略,即采用第二束光且光斑直径比用来熔化粉末的激光束要大得多且紧跟***个激光束的办法来微熔材料可以显著的影响部件的显微组织,表面粗糙度和致密度。主要结果如下:

1.在进行后热且激光束偏离的距离为 90 μm的时候可以显著的观察到两个熔池边界的存在,这是因为凝固被第二个激光束进行了给予延缓。模拟的温度曲线表明凝固甚至可以反转到一定的深度,前提时加热的激光束存在的时间一定的话。

2.多光束复合的策略造成材料的表面粗糙度比单激光束要好得多

3.由于加热会在原先的熔池附近诱导形成一个新的熔池,这样激光功率就可以用来提高制造的产能,这意味着在高的扫描速度下,在相同的能量密度条件下,得到的材料致密度就会相对较小,然而扫描速度比较低的时候,即使是单激光束,即使采用了高的能量输入,其能量分布在一个较大的区域内。其大量的热会导致密度增加。

4.在双光束的扫描间距为90 μm进行预热的时候和进行后续加热的时候均可以得到较大的材料致密度。致密度测量结果表明在扫描间距低至45 μm的时候会得到相反的结果

此时的双光束复合的加工结果证明了多光束复合在SLM中的有效性。这些策略为降低残余应力,提高致密度和降低表面粗糙度且同时不降低产嗯能和柔性提供了一个借鉴。

文章来源:The effect of multi-beam strategies on selective laser melting of stainless steel 316L,Additive Manufacturing,Volume 22, August 2018, Pages 334-342

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多光束激光复合对SLM制造316L不锈钢的影响
随着增材制造技术在工业中的广泛应用对工艺过程中的稳定性,如产品的制造性,鲁棒性,部件质量以及可以加工的材料的范围越来越引起关注。但由于SLM制造过程中高的冷却速率,高的热温度梯度和层层堆积的特点,采用SLM工艺制造的部件会出现各种不同的缺陷。这些缺陷会导致高的孔隙率,变形,裂纹和表面粗糙度等。当采用另外一个激光束在熔池附近进行加热时会均质化熔池的温度,减慢熔池的冷却速度及其周边的冷却速度,从而提高
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