激光拋光選區激光熔化制備的Ti6Al4V零件
時間：2023-07-21 11:44 來源：西安交通大學 作者：孫嘯宇 張航 閱讀：次
激光選區熔化(SLM)作為一種極具發展前景的增材制造技術，正越來越被國內外研究人員所重視。但是，基于SLM制備的金屬零件經常表現出高表面粗糙度值和多種表面缺陷。激光拋光是一種提高金屬表面質量的新技術，它通過激光輻照金屬表面產生的熱效應，使得局部金屬熔化或蒸發，在毛細力或熱毛細力的作用下驅動熔融金屬流動，實現凸峰填充凹谷，從而獲得光滑的表面。近年來關于激光拋光的相關研究已經成為熱點問題，成果不斷涌現。
河北工業大學Chunyong Liang等人使用波長1064nm的納秒脈沖光纖激光器，對SLM制備的Ti6Al4V零件表面進行激光拋光。作者保證激光在X和Y方向上的重疊率不變，改變激光的能量密度設計了三組不同的激光拋光參數，如表1所示。原始SLM制備的零件表面粗糙度Ra=10.2μm。
三組激光參數拋光后，LP-2的粗糙度最低，將原始Ra=10.2μm的表面，拋光到2.1μm。原因是LP-1和LP-2均發生表面淺熔（SSM），而LP-3能量密度大，發生了表面過熔。SSM效應可以有效降低表面粗糙度，但是LP-1能量太小，熔化不足，因此LP-2粗糙度最低。用激光共聚焦顯微鏡對表面粗糙度進行測試，并對原始樣品和拋光后樣品表面進行了接觸角測試，如圖1所示。
參考文獻：
Liang C, Hu Y, Liu N, et al. Laser Polishing of Ti6Al4V Fabricated by Selective Laser Melting[J]. Metals, 2020, 10(2).https://www.mdpi.com/2075-4701/10/2/191
河北工業大學Chunyong Liang等人使用波長1064nm的納秒脈沖光纖激光器，對SLM制備的Ti6Al4V零件表面進行激光拋光。作者保證激光在X和Y方向上的重疊率不變，改變激光的能量密度設計了三組不同的激光拋光參數，如表1所示。原始SLM制備的零件表面粗糙度Ra=10.2μm。
表1 保證X和Y方向上激光重疊率不變設計的三組不同的激光拋光參數
三組激光參數拋光后，LP-2的粗糙度最低，將原始Ra=10.2μm的表面，拋光到2.1μm。原因是LP-1和LP-2均發生表面淺熔（SSM），而LP-3能量密度大，發生了表面過熔。SSM效應可以有效降低表面粗糙度，但是LP-1能量太小，熔化不足，因此LP-2粗糙度最低。用激光共聚焦顯微鏡對表面粗糙度進行測試，并對原始樣品和拋光后樣品表面進行了接觸角測試，如圖1所示。
圖1 (a)激光共聚焦測得的表面粗糙度圖，(b)接觸角測試圖
測試結果表明LP-2參數下，表面粗糙度最低，接觸角也最小，有最強的親水性。用CT對樣品表面及內部的孔隙率進行測試，如圖2所示。激光拋光修復了原有SLM制件表面的裂紋、孔隙和未熔顆粒等缺陷，并且在內部深達100μm的熔池深度內，孔隙均有所減少，觀察到更為致密的微觀組織。
圖2 (a)、(b)分別為SLM成型樣品和LP-2樣品重建的偽彩色圖像，(c)為SLM樣品和LP-2樣品距離表面不同距離的孔隙體積率
對樣品表面進行細胞黏附和增殖實驗，如圖3所示。發現在光滑的LP-2表面細胞的黏附和增值更好。證明了激光拋光的光潔表面可以提高零件的生物相容性。
圖3 MC3T3-E1骨細胞在不同樣品表面的黏附和增殖。(a)SLM樣品，(b) LP-1樣品，(c) LP-2樣品，(d) LP-3樣品。圖a-d:播種1天后成骨細胞的f -肌動蛋白骨架(紅色)和細胞核(藍色)
Ti6Al4V是一種常用于骨科和牙科治療的材料，通常和SLM增材制造技術相結合。本文的研究通過激光拋光降低了零件的表面粗糙度，修復了孔隙等缺陷。提高了親水性和生物相容性，有利于Ti6Al4V的推廣和應用。參考文獻：
Liang C, Hu Y, Liu N, et al. Laser Polishing of Ti6Al4V Fabricated by Selective Laser Melting[J]. Metals, 2020, 10(2).https://www.mdpi.com/2075-4701/10/2/191
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