作者：张毅
研究者已对不同材料体系的选区激光熔化成形性能进行了研究。目前，选区激光熔化(SLM)材料体系的研发主要集中在铁基、镍基、钛基等合金材料。其中，铁基粉末的SLM成形是研究最广泛、最深入的一种合金类型。铁基粉末的激光直接成形以及纯铁粉适用于SLM的能力，结果发现纯铁粉直接激光熔化时容易产生孔洞，但通过合金化能改善纯铁粉的成形能力。镍基合金因具有优良的抗氧化、耐腐蚀和耐高温性而被广泛应用于航空发动机涡轮叶片、石化工业和船舶等需要耐蚀的关键部件，应用SLM技术制造此类高性能零部件的最大优势就是可以整体成形。钛合金SLM成形主要集中在纯钛粉、Ti-6Al-7Nb与T1-6Al-4V合金粉末方面，主要应用于医学领域。
镍铁高温合金具有良好的耐蚀性、耐磨性及综合性能，且其粉末适合使用激光熔化技术进行加工，容易获得具有良好致密性的金属件。因此，本课题研究了镍铁粉末的SLM成形工艺，确定了镍铁金属粉末选区激光熔化成形的工艺参数，为制备高品质的金属件提供参考。
1 试验材料及设备
选用的Ni-Fe金属粉末是由76%（质量分数，下同）的纯镍粉与24%的纯铁粉混合而成。采用LMY400激光设备，该设备所用激光器为YAG脉冲激光器，其最大输出功率为400 W，激光束最小光斑直径为0.15 mm，最大单脉冲能量为70 J，最大扫描速度为1 600 mm／min，工作室最大成形尺寸为220 mm×220 mm×400 mm。
2 试验过程与分析
试验主要研究了激光电流、脉冲宽度（脉宽）、频率、扫描速度、铺粉厚度、扫描间距等对金属零件成形质量的影响。试验先进行了单道试验和单层试验，确定出优化工艺参数匹配组合并为块体研究做准备，以制备组织性能较好的试样。
2.1 工艺参数对单层单道扫描试样的影响
2.1.1激光电流对单层单道扫描成形质量的影响
为研究激光电流对单道扫描线线宽、线高及外观形貌的影响，设定其他参数不变，从小到大改变激光电流。试验参数为：激光脉宽为4.0 ms;扫描速度为150 mm／min；激光扫描频率为10 Hz;铺粉厚度为0.15 mm;激光电流从100 A逐渐增大到170 A。图1为不同激光电流下单层单道扫描试样的宏观形貌。可以看出，激光电流为100 A时，由于电流较小，粉末不足以完全熔化而烧结在基板上。随着激光电流逐渐增大，单道线越来越高，更多的金属粉末吸收能量，熔化区域增大。当电流达到160 A时，单道线不仅具有一定的高度和宽度，
表面光滑程度也达到了最佳。而当激光电流继续增大到170 A时，表面品质开始下降，变得不光滑，此时的金属粉末已经完全熔化，继续增大电流会导致球化现象产生。
2.1.2激光脉宽对单道扫描成形质量的影响
激光电流为160 A时不同激光脉宽下单层单道扫描线形貌见图2。可以看出，激光脉宽对单道扫描的高度及表面品质影响较大，但对其宽度影响不大。激光脉宽较小时，单道线高度较小而且线条表面凹凸不平．球化现象比较严重。当激光脉宽达到4.4 ms对表面品质明显变好，整体比较平整，只有少部分区域有凹凸：当激光脉宽达到4.6 ms时表面品质最佳；当激光脉宽超过4.6 ms时，表面品质又有所降低。
2.1.3扫描速度对单道扫描成形质量的影响
试验参数：激光电流为160 A;激光脉宽为4.6 ms; 激光频率为10 Hz;铺粉厚度为0.15 mm;扫描速度从50 mm/min逐渐增大到400 mm／min。不同扫描速度下单层单道扫描线形貌见图3。可以看出，激光扫描速度对单道扫描的宽度、高度及表面形貌都有较大的影响。当扫描速度较小时，球化现象很严重，甚至无法连成线，主要是由于速度太低，激光在熔化部位停留时间太长，使已熔化粉末将未熔化粉末粘吸而导致无法连成完整的线条。随着扫描速度逐渐增大，这种现象有所改善。当扫描速度达到150 mm／min时，球化现象开始减弱，表面变得比较平整；当扫描速度达到200 mm／min时，球化现象明显降低，单道线有明显的高度。当扫描速度超过200 mm／min时，基板上的单道线高度开始下降，主要是由于扫描速度太快使得粉末还未完全熔化。当扫描速度达到400 mm／min时，由于扫描速度过快，
金属粉末熔化不完全，基板上几乎看不到单道线的痕迹。
2.1.4激光频率对单道扫描成形质量影响
试验参数：激光电流为160 A;激光脉宽为4.6 ms;扫描速度为200 mm／min;铺粉厚度为0.15 mm;激光频率从6Hz逐渐增大到为14 Hz。不同激光频率下单层单道扫描线形貌见图4。可以看出，激光扫描频率对单道扫描的宽度、高度及表面品质都没有太大的影响。比较而言，激光扫描频率为6、8 Hz时，单道线的高度稍微低一些；激光扫描频率为12、14 Hz时，单道线轻微球化；激光扫描频率为10 Hz时，单道线具有了一定的高度和宽度，且表面平整光滑。
2.1.5 粉末厚度对单道扫描线成形质量的影响
试验参数：激光电流为160 A;激光脉宽为4.6 ms;扫描速度为200 mm／min;激光频率为10 Hz;铺粉厚度从0.15 mm逐渐增大到为0.35 mm。不同铺粉厚度下单道扫描的形貌见图5。可以看出，铺粉厚度对单道扫描线的宽度、高度及表面品质都有较大的影响。铺粉厚度为0.15 mm时，单道线线条较细，而且表面不平整，这主要是由于粉末太薄，激光束冲击使得粉末分布不均匀。铺粉厚度逐渐增加，表面先变得平整然后又开始逐渐变得不光滑。铺粉厚为0.2 mm时，单道线有明显的高度及宽度，表面也变得平整；当铺粉厚超过0.2 mm时，单道线线条宽度较大但表面很不平整。
由以上试验可得，Ni-Fe金属粉末SLM单层单道扫描优化工艺参数匹配范围见表1。
2.2工艺参数对单层多道扫描试样的影响
单道扫描不能很好地表现出连续加工的影响，所以采用单层多道扫描方式。图6为不同工艺参数下的单层多道扫描形态。
考虑多道之间能量传递的影响并基于单道扫描试验工艺参数的优化，工艺参数中重点考虑扫描间距的影响。扫描间距为两相邻平行扫描线中心的距离，是由单道到单层过渡的关键工艺参数。由图6d可知，随着扫描间距的增大，成形效率相应提高，但也引起了成形表面品质的变化。扫描间距过小时，扫描线重叠过多，导致大部分已烧结部分重熔，造成粉末的成形效率较低且可能引起制件较大的收缩、翘曲及过烧等缺陷。当扫描间距过大，扫描线彼此搭接不好，使得相邻区域内的总能量小于粉末烧结所需的能量，其成形表面品质较差，出现了明显的球化和不连续现象。所有，扫描间距选为0. 25 mm。
通过进一步的优化选取试验，Ni-Fe金属粉末选区激光熔化单层多道扫描优化工艺参数见表2。
2.3 工艺参数对多层多道扫描试样质量的影响
单层试验较好反映了激光参数对Ni-Fe粉末熔化过程的影响，但需要进行多层多道扫描来研究单层影响的叠加效应。试验发现，激光电流、激光脉宽对多层多道扫描的影响是最大的，改变这两个参数会对多层多道扫描的可加工层数和表面品质影响明显，激光电流、激光脉宽过大或过小都将导致表面光滑程度和平整程度都显著下降，甚至表面上有球化现象。而扫描速度和扫描间距等对多层多道扫描的影响则相对较小，虽然表面出现凹凸现象但还算光滑，可加工层数变化不是很明显。图7为优化工艺参数匹配下制备出的块体试样，其扫描电流为140 A，激光频率为10 Hz，扫描速度为200mm／min，脉宽为5．0 ms，铺粉厚度为0.2 mm，扫描间距为0. 25 mm。
3 结 论
(1)激光电流、扫描速度、激光脉宽对单道扫描的影响较大。改变这些参数时，单道线的高度、宽度及表面光滑度都变化明显；铺粉厚度主要对单道线的高度影响明显；激光脉冲频率对单道线的高度、宽度及表面光滑程度影响都较小。
(2)镍铁粉末单层扫描的优化工艺参数为：激光电流为140 A、激光脉冲频率为10 Hz、扫描速度为200mm/min、激光脉宽为5.0 ms、扫描间距为0.25 mm、铺粉厚度为0.15 mm。
(3)多层多道扫描优化工艺参数：扫描间距为0.20mm;激光电流为140 A；激光脉宽为5．O ms，扫描速度为200 mm／min，激光频率为10 Hz，铺粉厚度为0.20mm，扫描层数为15层。
4 摘要采用镍铁金属粉末进行选区激光熔化试验，研究工艺参数对镍铁粉末成形性的影响。通过单层单道、单层多道扫描试验，分析了激光电流、脉冲宽度、扫描速度、激光频率、铺粉厚度、扫描间距等工艺参数对单层单道、单层多道扫描质量的影响。以此为基础，研究了不同工艺参数对多层多道扫描质量的影响，并对不同工艺参数下的试样形貌加以观察和分析，最终确定镍铁金属粉末选区激光熔化成形的优化工艺参数匹配。
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