隨著增材制造技術(shù)在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用對(duì)工藝過(guò)程中的穩(wěn)定性，如產(chǎn)品的制造性，魯棒性，部件質(zhì)量以及可以加工的材料的范圍越來(lái)越引起關(guān)注。但由于SLM制造過(guò)程中高的冷卻速率，高的熱溫度梯度和層層堆積的特點(diǎn)，采用SLM工藝制造的部件會(huì)出現(xiàn)各種不同的缺陷。這些缺陷會(huì)導(dǎo)致高的孔隙率，變形，裂紋和表面粗糙度等。當(dāng)采用另外一個(gè)激光束在熔池附近進(jìn)行加熱時(shí)會(huì)均質(zhì)化熔池的溫度，減慢熔池的冷卻速度及其周邊的冷卻速度，從而提高其潤(rùn)濕性。一個(gè)概念性的想法，討論的比較廣泛和可能實(shí)施的，如通過(guò)一定程度的重熔來(lái)提高表面質(zhì)量或致密化顯微組織，這一策略被提上日程并得以實(shí)施。
SLM這種增材制造技術(shù)是一種非常年輕的用于制造復(fù)雜形狀的金屬部件的增材制造技術(shù)。該技術(shù)采用層層堆積的辦法來(lái)制造出依據(jù)CAD數(shù)字模型生成的三維實(shí)體。該技術(shù)選擇性的熔化預(yù)先鋪設(shè)的粉末并對(duì)其進(jìn)行熔化而凝固，從而形成一個(gè)幾乎為完全致密的部件。由于高能聚焦激光束的高的溫度梯度和冷卻速率導(dǎo)致高的殘余應(yīng)力，變形和裂紋，氣化和飛濺等，增加了顯微結(jié)構(gòu)缺陷的生成，如氣體所造成的氣孔或未熔合氣孔和降低了表面質(zhì)量。這些問(wèn)題均顯著的降低了增材制造產(chǎn)品的實(shí)用性。盡管目前有不同的金屬，如不銹鋼，鎳基高溫合金，鈦合金和鈷基合金已經(jīng)可以采用SLM技術(shù)進(jìn)行成功的制造，但仍然需要大量的工作來(lái)提高制造產(chǎn)品的靜力學(xué)性能和動(dòng)力學(xué)拉伸行為方面的性能，以及理解其背后的作用機(jī)理。
多光束加工策略
很少有研究工作是針對(duì)多光束復(fù)合加工策略用于SLM的制造工藝中。對(duì)于金屬的直接沉積， Aggarangsi 和Beuth同時(shí)研究表明采用一個(gè)激光束來(lái)預(yù)熱可以降低最大應(yīng)力到20%到30%。Wilkes等人的研究則采用一個(gè)靜止的激光束來(lái)增加整個(gè)粉末床的溫度，可以提高到 1800°C，從而減少了溫度梯度和由此可以實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的加工。此外，電子束增材制造的經(jīng)驗(yàn)表明殘余應(yīng)力和變形可以通過(guò)加熱熔池周?chē)牟牧蟻?lái)降低溫度梯度。
Abe等人的研究則表明一個(gè)激光束熔化熔化的時(shí)候馬上緊跟一個(gè)光斑更大一些的激光束來(lái)重熔可以實(shí)現(xiàn)彎曲強(qiáng)度和硬度的最大化。Heeling等人的模擬研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SLM制造過(guò)程中的多光束策略是可行的且可以實(shí)現(xiàn)降低殘余應(yīng)力且在同樣的功率條件下幾乎沒(méi)有降低制造的產(chǎn)能。為了更深入的理解多光束加工策略和建立該加工的常識(shí)，需要進(jìn)一步的工作來(lái)研究多光束加工對(duì)熔池形狀，熔覆道的平整度和最終的密度進(jìn)行研究。
實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)自研制的SLM實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行，采用兩個(gè)水冷卻的200W光纖激光，波長(zhǎng)為1070nm以及兩個(gè)獨(dú)立控制的掃描振鏡， f-theta為420mm的有效焦距。通過(guò)將激光頭定位在一定的間隔位置，一個(gè)掃描范圍為160mm×280mm的區(qū)域可以進(jìn)行激光掃描。
圖1. 可以實(shí)現(xiàn)大范圍激光掃描的實(shí)驗(yàn)室自研制的多光束設(shè)備
▲圖2. 縱斷面的顯示圖：(a)預(yù)熱和 (b)后續(xù)加熱。加熱用的激光束比用來(lái)熔化粉末的激光束的光斑要大得多
▲圖3. 單激光束制造時(shí)而的橫截面和采用光斑直徑為270μm的激光，功率為100W進(jìn)行預(yù)熱時(shí)得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比
圖4. 單激光束制造時(shí)得到的橫截面和采用光斑直徑為380μm的激光。功率為200W進(jìn)行預(yù)熱時(shí)得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比
圖5. 采用過(guò)濾和不過(guò)濾時(shí)得到的表面粗糙度的結(jié)果
圖6. 在研究的參數(shù)條件下 Ra的算術(shù)平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)誤差結(jié)果
圖7. 在本文的參數(shù)條件下得到的平均相對(duì)致密度的數(shù)值
主要結(jié)論
研究結(jié)果表明多光束復(fù)合的策略，即采用第二束光且光斑直徑比用來(lái)熔化粉末的激光束要大得多且緊跟第一個(gè)激光束的辦法來(lái)微熔材料可以顯著的影響部件的顯微組織，表面粗糙度和致密度。主要結(jié)果如下：
1.在進(jìn)行后熱且激光束偏離的距離為 90μm的時(shí)候可以顯著的觀(guān)察到兩個(gè)熔池邊界的存在，這是因?yàn)槟瘫坏诙€(gè)激光束進(jìn)行了給予延緩。模擬的溫度曲線(xiàn)表明凝固甚至可以反轉(zhuǎn)到一定的深度，前提時(shí)加熱的激光束存在的時(shí)間一定的話(huà)。
2.多光束復(fù)合的策略造成材料的表面粗糙度比單激光束要好得多。
3.由于加熱會(huì)在原先的熔池附近誘導(dǎo)形成一個(gè)新的熔池，這樣激光功率就可以用來(lái)提高制造的產(chǎn)能，這意味著在高的掃描速度下，在相同的能量密度條件下，得到的材料致密度就會(huì)相對(duì)較小，然而掃描速度比較低的時(shí)候，即使是單激光束，即使采用了高的能量輸入，其能量分布在一個(gè)較大的區(qū)域內(nèi)。其大量的熱會(huì)導(dǎo)致密度增加。
4.在雙光束的掃描間距為90μm進(jìn)行預(yù)熱的時(shí)候和進(jìn)行后續(xù)加熱的時(shí)候均可以得到最大的材料致密度。致密度測(cè)量結(jié)果表明在掃描間距低至45μm的時(shí)候會(huì)得到相反的結(jié)果。
此時(shí)的雙光束復(fù)合的加工結(jié)果證明了多光束復(fù)合在SLM中的有效性。這些策略為降低殘余應(yīng)力，提高致密度和降低表面粗糙度且同時(shí)不降低產(chǎn)嗯能和柔性提供了一個(gè)借鑒。
文章來(lái)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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