【作 者】韓國梁;石文天;韓玉凡;劉玉德

　　【引 言】

　　選區(qū)激光熔化技術(shù)( Selected Laser Melting，SLM)作為快速成形技術(shù)( Ｒapid Prototyping，ＲP) 的一種，在航空航天、汽車制造、醫(yī)療、工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、文娛產(chǎn)品、生物科技等各個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域占有較高比重［1－2］。SLM 制造出零件的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能取決于材料屬性、工藝參數(shù)、掃描策略以及零件形狀和打印時(shí)的擺放方式。在 SLM 成形零件的過程中，粉末在很短的時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷了從熔化到凝固的過程，凝固速度甚至可以達(dá)到 105 ～ 107 K / s［3］。此外，SLM 是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，由一系列不同的物理現(xiàn)象組成: 激光束能量的吸收、熔融和凝固、重熔和凝固、輻 射、熔池中的對流傳熱和擴(kuò)散以及蒸發(fā)［4－5］。SLM 過程是激光束高速熔化金屬粉末的成形過程［6－7］，單熔道成形中的微小缺陷會(huì)逐漸積累，最終影響成形件的機(jī)械性能、致密度和表面質(zhì)量［8－9］。研究鈦合金打印成形的大多數(shù)學(xué)者大都從宏觀方面探索 SLM 成形的影響因素，并進(jìn)行分析研究改善工藝方案［10－13］，部分學(xué)者則注重對單熔道的研究。Kyogoku 等人研究了激光功率 和 掃 描 速 度 對 散 裝鈦粉中單道形貌的影響［14］。Xiang，Y 等人則通過建立 3D 瞬態(tài)介觀模型來模擬 Ti6Al4V 合金顆粒的熱力學(xué)行為來研究單熔道成形原理并對缺陷進(jìn)行研究［15］。Yadroitsava 等人通過加工過程中溫度模擬，獲得了 Ti6Al4V 合金在不同掃描功 率 和 掃 描 速 度 下 最佳工藝參數(shù)和特性的結(jié)論［16］。

　　上述研究都側(cè)重于單熔道本身成形方面的研究，對單熔道成形與塊體打印質(zhì)量之間的聯(lián)系及其影響的研究涉及較少。研究結(jié)果側(cè)重于樣件的力學(xué)性能及其改善，而忽視了幾何成形精度及其缺陷。在研究單熔道成形工藝的基礎(chǔ)上，以提高選區(qū)激光熔化成形Ti6Al4V 鈦合金的成形精度為目標(biāo)，分析了單熔道、多熔道搭接、單層成形搭接之間的作用機(jī)理及其互相影響。通過單熔道試驗(yàn)初步選定合適的工藝參數(shù)區(qū)間，根據(jù)多熔道搭接試驗(yàn)的表面粗糙度研究如何提高單層成形試驗(yàn)中的成形精度，根據(jù)上述試驗(yàn)確定最終的工藝參數(shù)范圍，最后通過打印塊體來驗(yàn)證工藝參數(shù)的有效性。本研究分析了 SLM 成形的機(jī)理和工藝過程，從更深層次上揭示了鈦合金單熔道成形工藝參數(shù)對最終實(shí)體打印成形的影響，為鈦合金成形表面質(zhì)量和精度的提高提供了基礎(chǔ)工藝參數(shù)及試驗(yàn)參考。

　　【結(jié) 論】

　　本研究采用選區(qū)激光熔化技術(shù)，對 TC4 鈦合金進(jìn)行了成形表面質(zhì)量和精度的試驗(yàn)研究。分別做了單熔道、多熔道搭接、單層成形搭接試驗(yàn)，分析了成形工藝參數(shù)對成形表面質(zhì)量和成形精度的影響，得到如下結(jié)論:

　　(1)多熔道搭接試驗(yàn)是鈦合金 TC4 打印成形的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其表面質(zhì)量還會(huì)影響成形塊體最終的尺寸精度，Sa 值越小最終的成形厚度也越接近預(yù)設(shè)值，塊體的成形效果也越好。

　　(2)多熔道搭接試驗(yàn)表明: 增大掃描線功率，減小掃描線間距，將曝光時(shí)間控制在合理范圍，可以提高熔道搭接質(zhì)量，減少飛濺現(xiàn)象和側(cè)面粘粉現(xiàn)象，降低 Sa 值，從而提高表面成形質(zhì)量，試驗(yàn)中取得的 Sa 值最小可以達(dá)到 3. 85 μm。

　　(3)單層成形搭接試驗(yàn)中，隨著掃描功率提高，樣件的成形厚度逐漸接近預(yù)期值，最小誤差可以達(dá)到 0. 396%。在打印對象厚度較低時(shí)可以通過適當(dāng)減少曝光時(shí)間來減小尺寸誤差并提高打印效率，當(dāng)成形厚度較大時(shí)應(yīng)該使用較高的掃描功率來保證尺寸精度。

　　(4)曝光時(shí)間對樣件的成形厚度和表面成形質(zhì)量影響較大，增加曝光時(shí)間可以提高熔道搭接質(zhì)量，降低表面粗糙度值，同時(shí)也會(huì)增加表面飛濺現(xiàn)象和側(cè)面粘粉的發(fā)生幾率; 過長的曝光時(shí)間同樣會(huì)降低成形厚度，影響樣件的最終尺寸。因此在適當(dāng)?shù)墓に嚪秶鷥?nèi)應(yīng)選擇較低的曝光時(shí)間。

　　以下是正文：