激光金屬沉積制造的Ti6Al4V零件兩步激光表面處理

供稿人：孫嘯宇 張航 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

上海交通大學(xué)Hong Shen等研究者提出了先用高燒蝕精度的皮秒脈沖激光加工（PLM）去除表面波紋，再用低功率連續(xù)激光拋光（LP）改善表面質(zhì)量兩步的方法來對(duì)激光金屬沉積制造的Ti6Al4V零件進(jìn)行激光表面處理，如圖1所示。并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用這種兩步的表面處理方法，可以大大改善零件的表面質(zhì)量，與原始激光金屬沉積制造的零件表面相比，粗糙度能夠提高90%以上。

圖1 針對(duì)激光金屬沉積表面兩步的處理策略示意圖

增材制造技術(shù)在航空航天、國防、汽車和醫(yī)療植入等領(lǐng)域的各種應(yīng)用中不斷發(fā)展。選擇性激光熔化技術(shù)（SLM）和激光金屬沉積（LMD）技術(shù)是增材制造技術(shù)中廣泛探索的兩種主要方法。但是由于“階梯效應(yīng)”和粉末粘附在表面上，導(dǎo)致SLM和LMD成型出的金屬零件表面質(zhì)量非常差，需要進(jìn)一步的表面處理才能夠應(yīng)用。而傳統(tǒng)的機(jī)械研磨和化學(xué)拋光有許多缺點(diǎn)：機(jī)械拋光難以在復(fù)雜表面上實(shí)現(xiàn)，電化學(xué)拋光是一種非選擇性過程。激光拋光作為一種新型表面處理方法具有工藝持續(xù)時(shí)間短、重復(fù)性高、無磨料等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于LMD成型的具有大波紋的零件表面，激光拋光的小熔區(qū)往往不能直接去除表面的波紋和大凸起。而Hong Shen提出的兩步的激光表面處理方法就可以很好地解決這個(gè)問題。

圖2 不同激光處理后的表面掃描電子顯微鏡圖，（a）LMD成型后原始表面；（b）皮秒激光處理后表面；（c）皮秒激光和激光拋光處理后的表面

圖3 不同激光處理后的表面形貌三維圖和實(shí)物圖

從圖2和圖3可以看出皮秒脈沖激光加工可以有效地去除材料，并獲得相對(duì)光滑的表面，使原始LMD成型表面上的大波紋去除。然而，皮秒激光加工后，表面仍然不是很光滑，再采用低功率的連續(xù)激光熔化表面材料，熔化的材料熔體在重力和表面張力的作用下流動(dòng)，從而獲得非常光滑的表面。 近年來隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，通過增材制造成型的零件越來越多。這種兩步激光表面處理的方法給金屬增材制造件的表面處理提供了新思路，為SLM和LMD成型零件的實(shí)際應(yīng)用提供了條件。

參考文獻(xiàn)：
BHANVADIA A A, FARLEY R T, NOH Y, et al. High-resolution stereolithography using a static liquid constrained interface [J]. Commun Mater, 2021, 2(1):