导读

以GH4169合金为研究对象，分析了激光功率、扫描速度、扫描间隔和扫描策略等工艺参数对选区激光熔化成形件表面品质的影响。对试验数据进行正交分析，观察不同工艺参数下成形件的表面品质。结果表明，当激光功率为320 W、扫描速度为1000 mm/s、扫描间隔为60 μm、扫描旋转角度为67°、体能量密度为130~150 J/mm3时，包层通道光滑、均匀、笔直，且搭接良好，表面几乎没有球化和粉末附着现象。因此，在该工艺窗口下GH4169成形件表面平整，品质较好，Ra值也相对较低。

作者简介

王亮

1981年出生，哈尔滨工业大学，教授。《特种铸造及有色合金》期刊青年编委会委员。主要从事钛基合金、钛基复合材料、难熔高熵合金等先进材料的研发、制备和成形。在液态氢化和增材制造过程，合金熔化、凝固基础理论和工程应用等方面的研究取得特色成果。发现了氢对钛合金等材料的组织和相组成，以及氢对钛合金热加工性能的影响规律；发现了钛合金氢致净化（降低杂质元素含量）现象，特别是液态氢化降低钛合金内氧含量的效果十分明显，揭示了钛合金氢致脱氧的机理，为了实现超低氧含量钛合金的制备和废钛的回收，开发了新型钛合金液态氢化设备。在激光和电子束熔化增材制造过程中的合金凝固方面开展了研究工作，主要研究微熔池的凝固行为、凝固组织及表面形态。在科研项目方面：973项目专题负责人、国家自然基金项目、总装预研基金（结题优秀）、重点实验室基金、哈尔滨市科技攻关项目等项目二十余项。获奖方面：黑龙江省技术发明一等奖、教育部自然科学二等奖。参与编撰了专著《精密热加工技术》，共发表论文45篇，申请和授权专利10余项。

选区激光熔化(SLM)成形件表面存在球化、粘粉、翘曲、熔化不足、过熔化等缺陷，改善SLM成形件表面粗糙度可以促进SLM成形技术更广泛的应用。同时，GH4169合金因其优异的耐高温性能，在航空航天、民用发动机涡轮叶片等高温部件中得到了广泛的应用。然而，传统的制造方法不仅零件设计周期长、模具制造成形成本高，而且还存在材料热加工性能差、成分偏析和组织不稳定等问题。本课题系统研究选区激光熔化工艺参数对GH4169成形件表面品质的影响，关注点聚焦在GH4169成形件的上表面品质。通过测量表面粗糙度和观察表面形貌，确定了最优的工艺参数组合。

1 试验材料与方法

GH4169合金是一种时效强化的Ni-Fe基高温合金，其主要强化相为γ’-Ni3 (Al,Ti, Nb)和γ”-Ni3Nb，化学成分见表1。采用L1645正交表(见表2)所列的工艺参数开展试验研究，且统一层厚h为40 μm。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

表面粗糙度结果见表3。通过计算各因素、各水平下表面粗糙度的平均值和范围，结果见表4。可以发现，激光功率和扫描速度都在极值范围内。

2.2 激光功率对表面品质的影响

由表4可知，随着激光功率的增加，Ra值先减小后增大。选择4个不同的激光功率部件(见图1)，扫描速度为120 mm/s, Ra值分别为4.78、3.46、3.10和3.43 μm。

图1不同激光功率下的立体显微图

(a)P=280 W; (b)P=300 W; (c)P=320 W; (d) P=340 W

从图1a可以看出，粉末未完全熔化，熔覆通道不连续。结果表明，部分粉末发生了严重的球化，没有明显的过烧结状态和过熔化现象，见图1b和图1c。当激光功率为320 W时，熔覆通道连续光滑、规则，几乎没有粉末粘附现象。因此，在这种状态下，表面品质最佳。当激光功率为340 W时，见图1d，熔覆通道虽然是连续的，但不够光滑。过度融化现象明显。激光功率越大，熔池凝固时间越长，粉末吸附现象越严重。与此同时，熔化的液体池飞溅，液体在凝固前是流动的，然后形成蠕虫状不规则分布的粗糙表面。

2.3 扫描速度对表面品质的影响

随着扫描速度的增加，Ra值先减小后增大，见表4。选择了4个不同扫描速度的零件(见图2)，激光功率为280 W, Ra值分别为5.22、3.96、3.99和4.78 μm。

图2不同扫描速度下的立体显微图

(a)v=600 mm/s; (b)v=800 mm/s; (c)v=1 000 mm/s; (d) v=1 200 mm/s

从图2a可以看出，该试样表面的包层通道是连续的，且搭接紧密，但仍然不够光滑。这是因为扫描速度最慢，因此凝固时间最长，见图2。熔化的液体池四处流动，甚至在冷却前溅起水花，表面呈蠕虫状分布。虽然表面光滑，但图2b和图2c中球化和过熔化的粉末并不严重，也没有明显的粉末粘附现象。熔覆通道光滑，成形品质好。当扫描速度达到1 200 mm/s时，见图2d，熔覆通道不连续，过烧结状态明显，表面粗糙。

2.4 扫描间隔对表面品质的影响

随着扫描间隔的增大，Ra值先减小后增大，见表4。选择了4个不同的扫描间隔部分(见图3)，激光功率为320 W, Ra值分别为3.81、3.10、3.48和4.06 μm。

图3不同扫描间隔下的表面形貌

(a)S=50 μm; (b)S=60 μm; (c)S=70 μm; (d) S=80 μm

从图3a可以看出熔覆通道的研磨紧密，重熔区较宽。同时，能量积累增多，产生了过熔现象。此外，粉末附着力现象严重，上表面凹凸不平。在图3b和图3c中，包层通道良好，特别是当扫描间隔为60 μm时，熔覆层通道连续光滑，几乎没有缺陷。图3d中可以看到，包层通道之间的间隔很远，包层通道呈间歇状态。这是由于一方面，包层通道的搭接不够紧密，热量积累很少；另一方面，波峰与波谷之间的间隔较远，表面波纹效应明显。

2.5 扫描策略对表面品质的影响

当旋转角度为0°和90°时，Ra值较大，见表4。选择了4个不同的扫描策略部分，并逐一进行分析。当旋转角度为0°时，N+1层的扫描线直接落在N层的扫描线上，见图4a和图4b，这导致了峰与峰的叠加，槽与槽的叠加。表面“波纹效应”明显，表面轮廓不规则。表面粗糙不平。然后，波峰与波谷之间的间隔变大，见图4c，表面轮廓的雕刻是不规则的。

图4旋转角度为0°时的金相照片和表面轮廓

采用90°的旋转角度,相邻层之间的扫描方向正交于90°,见图5。当旋转角度为0°时，某种程度上将降低表面的涟漪效应。但并没有完全消除表面波纹的影响，原因是N层和N+2层扫描方向相同，因此旋转角度为0°的缺点仍然存在。此外，正交扫描策略也产生了“凹凸效应”。相邻两层由于扫描方向正交，导致扫描线之间产生许多交点。在接下来的扫描过程中，将这些交叉口相加，使得交叉口的位置高于其周围的位置。从表面轮廓的雕刻(图5c)可以看出，试样表面有很多凸起的相交，从而降低了表面品质。

图5旋转角度为90°时的金相照片和表面轮廓

当采用的旋转角度为67°或105°时，避免了波峰和波谷层。峰值效应也被最小化。同时，由于每一层的扫描方向不同，不会产生“凹凸效应”。表面变得光滑了。峰高和峰谷间隔减小。此外，表面轮廓的雕刻较为规则和平缓(图6a和图6b)，因此表面品质明显优于层数为0°和90°时的表面品质。

图6旋转角度为67°和105°时的表面轮廓

2.6 体积能量密度对表面品质的影响

上述研究4个参数相互影响。因此，将其结合在一起，引入体积能量密度ω:

ω=P/ (VSh) (1)

根据所选试验参数和激光共聚焦显微镜测量的数据，计算各试样的能量密度，见图7。根据不同表面粗糙度对应的体积能量密度，将图6划分为5个区域。I被定义为“未完全熔化”段，II被称为“低体积能量密度”段，III被选择为“良好成形”段，IV被划分为“高体积能量密度”段，V被命名为“过熔化”段。

图7体积能量密度对表面粗糙度的影响

当ω＜90 J/mm3时，试样的表面品质处于未完全熔化段，平均Ra值为4.12 μm。这部分的金属粉末没有被激光完全熔化，因此，无法形成连续的包层通道。部分粉末处于过烧结状态。这类成形SLM试样表面粗糙。未完全熔化典型试样的体积能量密度为72.92 J/mm3。从图8a和图8b可以看出，该试样表面有大量的球，包层通道并非连续光滑。由于体积能量密度低，大量粉末未完全熔化并粘附在试样表面。与此同时，未完全融化的粉末被下一个粉末覆盖。层状堆积使试样最终表面不均匀，见图8c和图8d，表面粗糙度Ra为4.78 μm，因此该试样表面品质较差。

图8未完全熔化部分的典型试样

当ω为90 ~ 130 J/mm3，试样的表面品质处于低体积能量密度区域，平均Ra值为3.73 μm。熔化的粉末数量不够。液体包层通道对固体基体的润湿性有严重的影响。II段典型试样的体积能量密度为100 J/mm3。从图9a和图9b可以看出，该试样表面的球化现象非常严重。此外，包层通道不光滑。表面粗糙度Ra为3.99 μm。球化一方面导致相邻熔覆通道之间出现气孔;另一方面，影响下一个粉末的平整度。层的堆积最终使表面品质恶化(图9c和图9d)。因此，球化的存在是影响试样表面粗糙度较差的主要因素。

图9低体积能量密度部分的典型试样

当ω为130 ~ 150 J/mm3，试样的表面品质处于成功成形区，平均Ra值为3.52 μm。扫描后粉末完全熔化，形成连续光滑的熔覆通道。熔覆通道在固体基体上的润湿性较好导致，产生球化的趋势下降。此外，包层通道的研磨效果良好，表面光滑平整。III段典型试样的体积能量密度为141.67 J/mm3。在图10a和图10b中可以看到包层通道光滑均匀，搭接良好。很难发现球化现象。从三维图中可以看出，没有出现变形、翘曲等缺陷(图10c和图10d)，表面品质良好，粗糙度Ra为3.18 μm。

图10良好部分的典型试样

当ω为150 ~ 200 J/mm3，试样的表面品质处于高体积能量密度区域，平均Ra值为3.94 μm。该段出现了轻微的过熔化现象，周围的粉末被液体熔覆通道粘连，导致出现球化现象。IV部分典型试样的体积能量密度为208.33 J/mm3。该试样表面有大量的黑色粉末，这是由于粉末部分过熔化造成的。包层通道搭接紧密，包层通道两侧有球和过熔的东西(图11a和图11b)，而且不够光滑。而且，随着能量输入的增加，热积累变成倍数。因此，试样开始翘曲(图11c和图11d)。由于凝固时间比成形成功段长，因此球化和粉末粘附现象更加严重。因此，图10中试样的表面品质比图9中更差，表面粗糙度Ra为4.53 μm。

图11高体能量密度部分的典型试样

当ω＞200 J/mm3时，试样的表面品质处于过熔段，平均Ra值为4.88 μm。此时能量输入过高，熔化粉末量急剧增加，液包层通道流动剧烈，融化物堆积，甚至产生飞溅。而且过度熔化现象严重，并伴有翘曲等缺陷。V部分典型试样的体积能量密度为233.33 J/mm3。在图12a和图12b中，可以发现粉末存在球化现象，过熔化现象明显。由于体积能量密度高，合金液体流动均匀、飞溅。因此，包层通道不平整(图12c)。大的能量输入也导致了该试样的翘曲(图12d)。结果，表面品质非常差，表面粗糙度Ra为5.22 μm。

图12过熔化部分的典型试样

3 结论

（1）激光功率和扫描速度对GH4169合金表面品质影响较大，扫描间隔和扫描策略对表面品质影响较小。

（2）最佳工艺参数组合为:激光功率为320 W，扫描速度为1 000 mm/s，扫描间隔为60 μm，扫描旋转角度为67°。此时，粉末完全融化。包层通道光滑、均匀、笔直，尤其是搭接良好。表面几乎没有球化和粉末附着力现象。因此，表面平整，品质较好，Ra值相对较低。

（3）当体积能量密度在130 ~ 150 J/mm3之间时，几乎没有发现未完全熔化和过熔化的粉末。熔覆通道在固体基体上的润湿性较好。结果表面光滑平整，Ra值相对较低。

文献来源：王亮，李斌强，马威，等. 选区激光熔化工艺参数对GH4169成形件表面品质的影响[J].特种铸造及有色合金，2021,41（9）：1057-1062.