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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越引起關(guān)注。但由于SLM制造過程中高的冷卻速率，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，如通過一定程度的重熔來提高表面質(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)力和變形可以通過加熱熔池周圍的材料來降低溫度梯度。

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. 采用過濾和不過濾時(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。

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。

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