納秒激光對激光3D打印的鈦合金表面進行拋光
時間：2023-07-12 10:30 來源：長三角G60激光聯盟 作者：admin 閱讀：次
據報道，采用納秒激光對激光增材制造的鈦合金進行激光拋光具有獨特的優勢。
成果簡要：
前面已經有諸多的研究結果表明，激光拋光工藝在對表面粗糙度小于10μm的初始表面進行拋光是非常有效的。然而，對增材的制品的表面進行拋光所獲得的性能，在表面形貌程度不同和粗糙度大于10μm的研究方面還是不充分的。
來自泰國王科技大學（King Mongkut's University of Technology Thonburi） 的研究人員瞄準在表面粗糙度不同且起始形貌不同的增材制造樣品進行激光拋光的有效性。3D打印后和激光噴丸后的鈦合金Ti6Al4V合金具有不同的粗糙度，在不同的加工工藝條件下進行了激光拋光。設置了三種不同的參數組合來進行研究起始表面粗糙度。激光掃描速度、激光脈沖重復頻率、掃描道次以及氬氣流量對激光拋光后的表面粗糙度和形貌的影響。使用較慢的掃描速度、高的激光脈沖重復頻率以及躲到掃描時可以獲得較為光滑的表面。除了起始表面粗糙度之外，表面光潔度的提高還同起始表面形貌密切相關，當采用合適的工藝參數進行拋光時，表面粗糙度可以提高到73%左右。本文的研究結果提供了激光拋光以及該工藝在光滑3D打印表面粗糙度上的深入的研究結果。增材制造部件的后加工，尤其是表面粗糙度是一個關鍵的問題，將會從激光拋光中獲益。
背景介紹：
增材制造在制造復雜形狀的部件方面同傳統制造工藝相比較具有獨特的優勢。但比較遺憾的是，金屬增材制造部件的表面具有比較典型的5到17μm之間的粗糙度。這一點比傳統工藝的機加工的表面粗糙度要差。這些表面往往還存在不理想的缺陷，如內部空隙、裂紋和部分未熔的粉末顆粒，從而造成表面粗糙度比較差。盡管增材制造的部件，氣表面粗糙度可以通過傳統的機加工倆進行拋光，而這一策略僅僅適合形狀比較簡單的部件和表面易達性比較好的部件。當部件尺寸或表面要拋光的區域比較小（如小于mm）或部件比較復雜的時候，就需要進行特別的設計以滿足機加工的設備和工裝的設計。
激光工藝在光滑金屬表面這一方面具有獨特的優勢，該工藝不需要額外的工具對工件進行物理接觸。該工藝依靠的是表面的重熔和激光重熔層的再凝固。當金屬表面被足夠高能量的激光所照射時，其表面經受一定程度的重熔，再分布和通過表面拉應力和重立的作用下，在凝固之前實現了光滑表面。熔化層的整個厚度小于波谷到波峰的高度，從而讓整個熔化的金屬填充到附近的波谷中，這一填充的驅動力是通過毛細效應來實現的，而較厚的熔化層則會促使液體金屬從熔池中心向外流動，驅動力是熱毛細效應或馬可尼效應，從而讓其重新分布，如下圖所示。激光拋光的機理是表面窄熔和表面過熔。
激光拋光的工藝過程（上圖）以及幾種典型的激光拋光工藝過程（下圖）（Laser polishing process）
(a) 激光拋光的示意圖和 (b) 增材制造鈦合金的示意圖
激光噴丸后鈦合金的表面粗糙度和形貌: a Sa = 10 μm; b Sa = 15 μm
在不同參數下進行激光拋光時得到的區域粗糙度： a–b 激光脈沖頻率何掃描速度變化的時候； c激光掃描搭接率的變化 ； d 激光能量密度變化
鈦合金表面粗糙度Sa 為 10 μm時進行激光拋光后得到的表，現形貌: a 激光脈沖頻率為500-kHz何掃描速度為 50-mm/s ; b 激光脈沖頻率為500-kHz 且掃描速度為 100-mm/s
鈦合金表面粗糙度Sa 為 15 μm時，激光拋光后得到的樣品的表面形貌: a 激光脈沖重復評率為500-kHz何掃描速度為 50-mm/s ; b 激光脈沖頻率為500-kHz何掃描速度為 100-mm/s
激光拋光后樣品的橫截面: a SEM照片; b EDS 元素面分布，主要是元素氧和鈦
鈦合金表面粗糙度Sa 為 10 μm的時候，激光拋光后得到的表面形貌: a 三道次掃描且要求流量為0-l/min; b三道次掃描且氬氣流量為 20-l/min
在表面粗糙度Sa為15 μm時，激光拋光后鈦合金的表面形貌: a 三道次掃描且氬氣流速為0-l/min; b掃道次掃描且要求流速為 20-l/min
增材制造后，沒有進行激光拋光的樣品的 (a) 頂部和 (b) 側邊
激光拋光后的表面形貌：增材制造鈦合金的(a) 頂部和 (b)側邊 ; c 激光拋光區域和沒有進行拋光區域的比較
激光拋光和沒有拋光的放在一起的對比圖
激光拋光后的顯微組織：a 次表面的顯微組織； b 激光拋光后樣品中存才表面裂紋的情形
SLM制造的鈦合金Ti-6Al-4 V 部件經過激光拋光后的實物圖 及其測量結果
主要結論：
在這一研究中，采用納秒激光來對激光增材制造的鈦合金 (Ti6Al4V)進行拋光。采用激光噴丸和激光增材制造后的樣品，兩者含有不同程度的表面粗糙度和表面形貌，進行了激光拋光。初始的表面粗糙度、激光掃描速度、激光脈沖重復頻率、掃描道次以及氬氣的流量等參數對激光拋光后的形貌和粗糙度通過實驗進行了研究。本文研究的主要結論如下：
1)
增材制造樣品的頂部的 Sa 和側面的粗糙度在激光拋光后，改善程度分別為27%和73%，而激光噴丸后的樣品進行激光拋光后可以得到幾乎等同的粗糙度 Sa 。這一結果意味著改善的程度不僅取決于初始的表面粗糙度，還取決于工件表面的形貌。
2)
增材制造樣品側邊的重熔會更加顯著，從而部分熔化的粉末在表面沉積會比其他區域吸收更多的激光能量。然而，熔池的快速冷卻會導致在拋光表面形成微小裂紋。
3)
采用慢的掃描速度（50 mm/s），伴隨著較高的激光脈沖重復頻率(500 kHz)和多導掃描（3道次）可以獲得令人滿意的表面粗糙度。氬氣流速對表面質量的改善，在激光拋光的時候并不明顯。
4)
激光拋光的表面和沒有進行激光拋光的表面，其內在的顯微組織結構并沒有發生明顯的改變。以 α′相為代表的馬氏體相主要在表面形成。較小比例的殘余β相在拋光后的表面上可以觀察到。此外，熔化后金屬的顯微硬度，在激光拋光后從370Hv增加到512Hv。
5)
增材制造的鈦合金 Ti6Al4V在激光拋光后其表面粗糙度和形貌得到了改善。目前的研究結果可以成為增材制造部件的表面，在粗糙度是一個關鍵問題時的解決方案，例如生物植入器械，牙科以及其他同生物功能相關的產品。
激光拋光后的應用案例：工程部件和醫療用部件（下圖）（資料來源：Fraunhofer ILT, Laser material Processing, Polishing, Aachen, Germany)）
激光3D打印的AISI H11樣品進行激光拋光的實物圖
文章來源：Jaritngam, P., Saetang, V., Qi, H. et al. Surface polishing of additively manufactured Ti6Al4V titanium alloy by using a nanosecond pulse laser. Int J Adv Manuf Technol 127, 3463–3480 (2023). https://doi.org/10.1007/s00170-023-11722-5
參考資料：Lee S, Ahmadi Z, Pegues JW, Mahjouri-Samani M, Shamsaei N (2021) Laser polishing for improving fatigue performance of additive manufactured Ti-6Al-4V parts. Opt Laser Technol 134:106639. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106639
Gisario, A., Barletta, M. & Veniali, F. Laser polishing: a review of a constantly growing technology in the surface finishing of components made by additive manufacturing. Int J Adv Manuf Technol 120, 1433–1472 (2022). https://doi.org/10.1007/s00170-022-08840-x
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.155833
https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128872
https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128179
成果簡要：
前面已經有諸多的研究結果表明，激光拋光工藝在對表面粗糙度小于10μm的初始表面進行拋光是非常有效的。然而，對增材的制品的表面進行拋光所獲得的性能，在表面形貌程度不同和粗糙度大于10μm的研究方面還是不充分的。
來自泰國王科技大學（King Mongkut's University of Technology Thonburi） 的研究人員瞄準在表面粗糙度不同且起始形貌不同的增材制造樣品進行激光拋光的有效性。3D打印后和激光噴丸后的鈦合金Ti6Al4V合金具有不同的粗糙度，在不同的加工工藝條件下進行了激光拋光。設置了三種不同的參數組合來進行研究起始表面粗糙度。激光掃描速度、激光脈沖重復頻率、掃描道次以及氬氣流量對激光拋光后的表面粗糙度和形貌的影響。使用較慢的掃描速度、高的激光脈沖重復頻率以及躲到掃描時可以獲得較為光滑的表面。除了起始表面粗糙度之外，表面光潔度的提高還同起始表面形貌密切相關，當采用合適的工藝參數進行拋光時，表面粗糙度可以提高到73%左右。本文的研究結果提供了激光拋光以及該工藝在光滑3D打印表面粗糙度上的深入的研究結果。增材制造部件的后加工，尤其是表面粗糙度是一個關鍵的問題，將會從激光拋光中獲益。
背景介紹：
增材制造在制造復雜形狀的部件方面同傳統制造工藝相比較具有獨特的優勢。但比較遺憾的是，金屬增材制造部件的表面具有比較典型的5到17μm之間的粗糙度。這一點比傳統工藝的機加工的表面粗糙度要差。這些表面往往還存在不理想的缺陷，如內部空隙、裂紋和部分未熔的粉末顆粒，從而造成表面粗糙度比較差。盡管增材制造的部件，氣表面粗糙度可以通過傳統的機加工倆進行拋光，而這一策略僅僅適合形狀比較簡單的部件和表面易達性比較好的部件。當部件尺寸或表面要拋光的區域比較小（如小于mm）或部件比較復雜的時候，就需要進行特別的設計以滿足機加工的設備和工裝的設計。
激光增材制造時，由于梯度效應所造成的臺階效應以及表面形成的較為粗糙的表面實物圖和測量得到的結果
激光工藝在光滑金屬表面這一方面具有獨特的優勢，該工藝不需要額外的工具對工件進行物理接觸。該工藝依靠的是表面的重熔和激光重熔層的再凝固。當金屬表面被足夠高能量的激光所照射時，其表面經受一定程度的重熔，再分布和通過表面拉應力和重立的作用下，在凝固之前實現了光滑表面。熔化層的整個厚度小于波谷到波峰的高度，從而讓整個熔化的金屬填充到附近的波谷中，這一填充的驅動力是通過毛細效應來實現的，而較厚的熔化層則會促使液體金屬從熔池中心向外流動，驅動力是熱毛細效應或馬可尼效應，從而讓其重新分布，如下圖所示。激光拋光的機理是表面窄熔和表面過熔。
激光拋光的工藝過程（上圖）以及幾種典型的激光拋光工藝過程（下圖）（Laser polishing process）
(a) 激光拋光的示意圖和 (b) 增材制造鈦合金的示意圖
激光噴丸后鈦合金的表面粗糙度和形貌: a Sa = 10 μm; b Sa = 15 μm
在不同參數下進行激光拋光時得到的區域粗糙度： a–b 激光脈沖頻率何掃描速度變化的時候； c激光掃描搭接率的變化 ； d 激光能量密度變化
鈦合金表面粗糙度Sa 為 10 μm時進行激光拋光后得到的表，現形貌: a 激光脈沖頻率為500-kHz何掃描速度為 50-mm/s ; b 激光脈沖頻率為500-kHz 且掃描速度為 100-mm/s
鈦合金表面粗糙度Sa 為 15 μm時，激光拋光后得到的樣品的表面形貌: a 激光脈沖重復評率為500-kHz何掃描速度為 50-mm/s ; b 激光脈沖頻率為500-kHz何掃描速度為 100-mm/s
激光拋光后樣品的橫截面: a SEM照片; b EDS 元素面分布，主要是元素氧和鈦
鈦合金表面粗糙度Sa 為 10 μm的時候，激光拋光后得到的表面形貌: a 三道次掃描且要求流量為0-l/min; b三道次掃描且氬氣流量為 20-l/min
在表面粗糙度Sa為15 μm時，激光拋光后鈦合金的表面形貌: a 三道次掃描且氬氣流速為0-l/min; b掃道次掃描且要求流速為 20-l/min
增材制造后，沒有進行激光拋光的樣品的 (a) 頂部和 (b) 側邊
激光拋光后的表面形貌：增材制造鈦合金的(a) 頂部和 (b)側邊 ; c 激光拋光區域和沒有進行拋光區域的比較
激光拋光和沒有拋光的放在一起的對比圖
激光拋光后的顯微組織：a 次表面的顯微組織； b 激光拋光后樣品中存才表面裂紋的情形
SLM制造的鈦合金Ti-6Al-4 V 部件經過激光拋光后的實物圖 及其測量結果
主要結論：
在這一研究中，采用納秒激光來對激光增材制造的鈦合金 (Ti6Al4V)進行拋光。采用激光噴丸和激光增材制造后的樣品，兩者含有不同程度的表面粗糙度和表面形貌，進行了激光拋光。初始的表面粗糙度、激光掃描速度、激光脈沖重復頻率、掃描道次以及氬氣的流量等參數對激光拋光后的形貌和粗糙度通過實驗進行了研究。本文研究的主要結論如下：
1)
增材制造樣品的頂部的 Sa 和側面的粗糙度在激光拋光后，改善程度分別為27%和73%，而激光噴丸后的樣品進行激光拋光后可以得到幾乎等同的粗糙度 Sa 。這一結果意味著改善的程度不僅取決于初始的表面粗糙度，還取決于工件表面的形貌。
2)
增材制造樣品側邊的重熔會更加顯著，從而部分熔化的粉末在表面沉積會比其他區域吸收更多的激光能量。然而，熔池的快速冷卻會導致在拋光表面形成微小裂紋。
3)
采用慢的掃描速度（50 mm/s），伴隨著較高的激光脈沖重復頻率(500 kHz)和多導掃描（3道次）可以獲得令人滿意的表面粗糙度。氬氣流速對表面質量的改善，在激光拋光的時候并不明顯。
4)
激光拋光的表面和沒有進行激光拋光的表面，其內在的顯微組織結構并沒有發生明顯的改變。以 α′相為代表的馬氏體相主要在表面形成。較小比例的殘余β相在拋光后的表面上可以觀察到。此外，熔化后金屬的顯微硬度，在激光拋光后從370Hv增加到512Hv。
5)
增材制造的鈦合金 Ti6Al4V在激光拋光后其表面粗糙度和形貌得到了改善。目前的研究結果可以成為增材制造部件的表面，在粗糙度是一個關鍵問題時的解決方案，例如生物植入器械，牙科以及其他同生物功能相關的產品。
激光拋光后的應用案例：工程部件和醫療用部件（下圖）（資料來源：Fraunhofer ILT, Laser material Processing, Polishing, Aachen, Germany)）
激光3D打印的AISI H11樣品進行激光拋光的實物圖
文章來源：Jaritngam, P., Saetang, V., Qi, H. et al. Surface polishing of additively manufactured Ti6Al4V titanium alloy by using a nanosecond pulse laser. Int J Adv Manuf Technol 127, 3463–3480 (2023). https://doi.org/10.1007/s00170-023-11722-5
參考資料：Lee S, Ahmadi Z, Pegues JW, Mahjouri-Samani M, Shamsaei N (2021) Laser polishing for improving fatigue performance of additive manufactured Ti-6Al-4V parts. Opt Laser Technol 134:106639. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106639
Gisario, A., Barletta, M. & Veniali, F. Laser polishing: a review of a constantly growing technology in the surface finishing of components made by additive manufacturing. Int J Adv Manuf Technol 120, 1433–1472 (2022). https://doi.org/10.1007/s00170-022-08840-x
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.155833
https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128872
https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128179
(責任編輯：admin)
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