導讀
以GH4169合金為研究物件，分析了鐳射功率、掃描速度、掃描間隔和掃描策略等工藝引數對選區鐳射熔化成形件表面品質的影響。對試驗資料進行正交分析，觀察不同工藝引數下成形件的表面品質。結果表明，當鐳射功率為320 W、掃描速度為1000 mm/s、掃描間隔為60 μm、掃描旋轉角度為67°、體能量密度為130~150 J/mm3時，包層通道光滑、均勻、筆直，且搭接良好，表面幾乎沒有球化和粉末附著現象。因此，在該工藝視窗下GH4169成形件表面平整，品質較好，Ra值也相對較低。
作者簡介
王亮
1981年出生，哈爾濱工業大學，教授。《特種鑄造及有色合金》期刊青年編委會委員。主要從事鈦基合金、鈦基複合材料、難熔高熵合金等先進材料的研發、製備和成形。在液態氫化和增材製造過程，合金熔化、凝固基礎理論和工程應用等方面的研究取得特色成果。發現了氫對鈦合金等材料的組織和相組成，以及氫對鈦合金熱加工效能的影響規律；發現了鈦合金氫致淨化（降低雜質元素含量）現象，特別是液態氫化降低鈦合金內氧含量的效果十分明顯，揭示了鈦合金氫致脫氧的機理，為了實現超低氧含量鈦合金的製備和廢鈦的回收，開發了新型鈦合金液態氫化裝置。在鐳射和電子束熔化增材製造過程中的合金凝固方面開展了研究工作，主要研究微熔池的凝固行為、凝固組織及表面形態。在科研專案方面：973專案專題負責人、國家自然基金專案、總裝預研基金（結題優秀）、重點實驗室基金、哈爾濱市科技攻關專案等專案二十餘項。獲獎方面：黑龍江省技術發明一等獎、教育部自然科學二等獎。參與編撰了專著《精密熱加工技術》，共發表論文45篇，申請和授權專利10餘項。
選區鐳射熔化(SLM)成形件表面存在球化、粘粉、翹曲、熔化不足、過熔化等缺陷，改善SLM成形件表面粗糙度可以促進SLM成形技術更廣泛的應用。同時，GH4169合金因其優異的耐高溫效能，在航空航天、民用發動機渦輪葉片等高溫部件中得到了廣泛的應用。然而，傳統的製造方法不僅零件設計週期長、模具製造成形成本高，而且還存在材料熱加工效能差、成分偏析和組織不穩定等問題。本課題系統研究選區鐳射熔化工藝引數對GH4169成形件表面品質的影響，關注點聚焦在GH4169成形件的上表面品質。透過測量表面粗糙度和觀察表面形貌，確定了最優的工藝引數組合。
1 試驗材料與方法
GH4169合金是一種時效強化的Ni-Fe基高溫合金，其主要強化相為γ’-Ni3 (Al,Ti, Nb)和γ”-Ni3Nb，化學成分見表1。採用L1645正交表(見表2)所列的工藝引數開展試驗研究，且統一層厚h為40 μm。
2 試驗結果與分析
2.1 試驗結果
表面粗糙度結果見表3。透過計算各因素、各水平下表面粗糙度的平均值和範圍，結果見表4。可以發現，鐳射功率和掃描速度都在極值範圍內。
2.2 鐳射功率對錶面品質的影響
由表4可知，隨著鐳射功率的增加，Ra值先減小後增大。選擇4個不同的鐳射功率部件(見圖1)，掃描速度為120 mm/s, Ra值分別為4.78、3.46、3.10和3.43 μm。
圖1不同鐳射功率下的立體顯微圖
(a)P=280 W; (b)P=300 W; (c)P=320 W; (d) P=340 W
從圖1a可以看出，粉末未完全熔化，熔覆通道不連續。結果表明，部分粉末發生了嚴重的球化，沒有明顯的過燒結狀態和過熔化現象，見圖1b和圖1c。當鐳射功率為320 W時，熔覆通道連續光滑、規則，幾乎沒有粉末粘附現象。因此，在這種狀態下，表面品質最佳。當鐳射功率為340 W時，見圖1d，熔覆通道雖然是連續的，但不夠光滑。過度融化現象明顯。鐳射功率越大，熔池凝固時間越長，粉末吸附現象越嚴重。與此同時，熔化的液體池飛濺，液體在凝固前是流動的，然後形成蠕蟲狀不規則分佈的粗糙表面。
2.3 掃描速度對錶面品質的影響
隨著掃描速度的增加，Ra值先減小後增大，見表4。選擇了4個不同掃描速度的零件(見圖2)，鐳射功率為280 W, Ra值分別為5.22、3.96、3.99和4.78 μm。
圖2不同掃描速度下的立體顯微圖
(a)v=600 mm/s; (b)v=800 mm/s; (c)v=1 000 mm/s; (d) v=1 200 mm/s
從圖2a可以看出，該試樣表面的包層通道是連續的，且搭接緊密，但仍然不夠光滑。這是因為掃描速度最慢，因此凝固時間最長，見圖2。熔化的液體池四處流動，甚至在冷卻前濺起水花，表面呈蠕蟲狀分佈。雖然表面光滑，但圖2b和圖2c中球化和過熔化的粉末並不嚴重，也沒有明顯的粉末粘附現象。熔覆通道光滑，成形品質好。當掃描速度達到1 200 mm/s時，見圖2d，熔覆通道不連續，過燒結狀態明顯，表面粗糙。
2.4 掃描間隔對錶面品質的影響
隨著掃描間隔的增大，Ra值先減小後增大，見表4。選擇了4個不同的掃描間隔部分(見圖3)，鐳射功率為320 W, Ra值分別為3.81、3.10、3.48和4.06 μm。
圖3不同掃描間隔下的表面形貌
(a)S=50 μm; (b)S=60 μm; (c)S=70 μm; (d) S=80 μm
從圖3a可以看出熔覆通道的研磨緊密，重熔區較寬。同時，能量積累增多，產生了過熔現象。此外，粉末附著力現象嚴重，上表面凹凸不平。在圖3b和圖3c中，包層通道良好，特別是當掃描間隔為60 μm時，熔覆層通道連續光滑，幾乎沒有缺陷。圖3d中可以看到，包層通道之間的間隔很遠，包層通道呈間歇狀態。這是由於一方面，包層通道的搭接不夠緊密，熱量積累很少；另一方面，波峰與波谷之間的間隔較遠，表面波紋效應明顯。
2.5 掃描策略對錶面品質的影響
當旋轉角度為0°和90°時，Ra值較大，見表4。選擇了4個不同的掃描策略部分，並逐一進行分析。當旋轉角度為0°時，N+1層的掃描線直接落在N層的掃描線上，見圖4a和圖4b，這導致了峰與峰的疊加，槽與槽的疊加。表面“波紋效應”明顯，表面輪廓不規則。表面粗糙不平。然後，波峰與波谷之間的間隔變大，見圖4c，表面輪廓的雕刻是不規則的。
圖4旋轉角度為0°時的金相照片和表面輪廓
採用90°的旋轉角度,相鄰層之間的掃描方向正交於90°,見圖5。當旋轉角度為0°時，某種程度上將降低表面的漣漪效應。但並沒有完全消除表面波紋的影響，原因是N層和N+2層掃描方向相同，因此旋轉角度為0°的缺點仍然存在。此外，正交掃描策略也產生了“凹凸效應”。相鄰兩層由於掃描方向正交，導致掃描線之間產生許多交點。在接下來的掃描過程中，將這些交叉口相加，使得交叉口的位置高於其周圍的位置。從表面輪廓的雕刻(圖5c)可以看出，試樣表面有很多凸起的相交，從而降低了表面品質。
圖5旋轉角度為90°時的金相照片和表面輪廓
當採用的旋轉角度為67°或105°時，避免了波峰和波谷層。峰值效應也被最小化。同時，由於每一層的掃描方向不同，不會產生“凹凸效應”。表面變得光滑了。峰高和峰谷間隔減小。此外，表面輪廓的雕刻較為規則和平緩(圖6a和圖6b)，因此表面品質明顯優於層數為0°和90°時的表面品質。
圖6旋轉角度為67°和105°時的表面輪廓
2.6 體積能量密度對錶面品質的影響
上述研究4個引數相互影響。因此，將其結合在一起，引入體積能量密度ω:
ω=P/ (VSh) (1)
根據所選試驗引數和鐳射共聚焦顯微鏡測量的資料，計算各試樣的能量密度，見圖7。根據不同表面粗糙度對應的體積能量密度，將圖6劃分為5個區域。I被定義為“未完全熔化”段，II被稱為“低體積能量密度”段，III被選擇為“良好成形”段，IV被劃分為“高體積能量密度”段，V被命名為“過熔化”段。
圖7體積能量密度對錶面粗糙度的影響
當ω＜90 J/mm3時，試樣的表面品質處於未完全熔化段，平均Ra值為4.12 μm。這部分的金屬粉末沒有被鐳射完全熔化，因此，無法形成連續的包層通道。部分粉末處於過燒結狀態。這類成形SLM試樣表面粗糙。未完全熔化典型試樣的體積能量密度為72.92 J/mm3。從圖8a和圖8b可以看出，該試樣表面有大量的球，包層通道並非連續光滑。由於體積能量密度低，大量粉末未完全熔化並粘附在試樣表面。與此同時，未完全融化的粉末被下一個粉末覆蓋。層狀堆積使試樣最終表面不均勻，見圖8c和圖8d，表面粗糙度Ra為4.78 μm，因此該試樣表面品質較差。
圖8未完全熔化部分的典型試樣
當ω為90 ~ 130 J/mm3，試樣的表面品質處於低體積能量密度區域，平均Ra值為3.73 μm。熔化的粉末數量不夠。液體包層通道對固體基體的潤溼性有嚴重的影響。II段典型試樣的體積能量密度為100 J/mm3。從圖9a和圖9b可以看出，該試樣表面的球化現象非常嚴重。此外，包層通道不光滑。表面粗糙度Ra為3.99 μm。球化一方面導致相鄰熔覆通道之間出現氣孔;另一方面，影響下一個粉末的平整度。層的堆積最終使表面品質惡化(圖9c和圖9d)。因此，球化的存在是影響試樣表面粗糙度較差的主要因素。
圖9低體積能量密度部分的典型試樣
當ω為130 ~ 150 J/mm3，試樣的表面品質處於成功成形區，平均Ra值為3.52 μm。掃描後粉末完全熔化，形成連續光滑的熔覆通道。熔覆通道在固體基體上的潤溼性較好導致，產生球化的趨勢下降。此外，包層通道的研磨效果良好，表面光滑平整。III段典型試樣的體積能量密度為141.67 J/mm3。在圖10a和圖10b中可以看到包層通道光滑均勻，搭接良好。很難發現球化現象。從三維圖中可以看出，沒有出現變形、翹曲等缺陷(圖10c和圖10d)，表面品質良好，粗糙度Ra為3.18 μm。
圖10良好部分的典型試樣
當ω為150 ~ 200 J/mm3，試樣的表面品質處於高體積能量密度區域，平均Ra值為3.94 μm。該段出現了輕微的過熔化現象，周圍的粉末被液體熔覆通道粘連，導致出現球化現象。IV部分典型試樣的體積能量密度為208.33 J/mm3。該試樣表面有大量的黑色粉末，這是由於粉末部分過熔化造成的。包層通道搭接緊密，包層通道兩側有球和過熔的東西(圖11a和圖11b)，而且不夠光滑。而且，隨著能量輸入的增加，熱積累變成倍數。因此，試樣開始翹曲(圖11c和圖11d)。由於凝固時間比成形成功段長，因此球化和粉末粘附現象更加嚴重。因此，圖10中試樣的表面品質比圖9中更差，表面粗糙度Ra為4.53 μm。
圖11高體能量密度部分的典型試樣
當ω＞200 J/mm3時，試樣的表面品質處於過熔段，平均Ra值為4.88 μm。此時能量輸入過高，熔化粉末量急劇增加，液包層通道流動劇烈，融化物堆積，甚至產生飛濺。而且過度熔化現象嚴重，並伴有翹曲等缺陷。V部分典型試樣的體積能量密度為233.33 J/mm3。在圖12a和圖12b中，可以發現粉末存在球化現象，過熔化現象明顯。由於體積能量密度高，合金液體流動均勻、飛濺。因此，包層通道不平整(圖12c)。大的能量輸入也導致了該試樣的翹曲(圖12d)。結果，表面品質非常差，表面粗糙度Ra為5.22 μm。
圖12過熔化部分的典型試樣
3 結論
（1）鐳射功率和掃描速度對GH4169合金表面品質影響較大，掃描間隔和掃描策略對錶面品質影響較小。
（2）最佳工藝引數組合為:鐳射功率為320 W，掃描速度為1 000 mm/s，掃描間隔為60 μm，掃描旋轉角度為67°。此時，粉末完全融化。包層通道光滑、均勻、筆直，尤其是搭接良好。表面幾乎沒有球化和粉末附著力現象。因此，表面平整，品質較好，Ra值相對較低。
（3）當體積能量密度在130 ~ 150 J/mm3之間時，幾乎沒有發現未完全熔化和過熔化的粉末。熔覆通道在固體基體上的潤溼性較好。結果表面光滑平整，Ra值相對較低。
文獻來源：王亮，李斌強，馬威，等. 選區鐳射熔化工藝引數對GH4169成形件表面品質的影響[J].特種鑄造及有色合金，2021,41（9）：1057-1062.
