江苏激光产业创新联盟原创 复合SLM+LSP，显著提高SLM部件疲劳性能的利器（2）
_本文原题：复合SLM+LSP ， 显著提高SLM部件疲劳性能的利器（2）
江苏激光联盟导读：尽管SLM技术是当前革命性的制造技术 ， 但仍然存在不可避免地内在缺点 ， 如残余应力地积累和不断增加地孔隙的存在会显著地降低部件的疲劳性能 。 复合SLM+LSP（简称为 3D LSP ）技术是一种复合制造技术 ， 该技术周期性地将激光喷丸技术引入到标准的ＳＬＭ工艺当中 。 利用ＬＳＰ来选区处理３D金属部件 ， 业已证明可以显著地影响部件内在的应力状态和显微硬度 ， 并且可以同时改变材料的孔隙分布 。 在这里 ， 我们为大家展示了 3D LSP 技术 ， 即将LSP 处理技术在SLM过程中进行应用 ， 在SLM工艺进行地过程中将ＳＬＭ部件从SLM的工作室移开 ， 进行LＳＰ处理 ， LSP处理之后再进行SLM ， 如此反复进行 。 我们曾经报道了３１６Ｌ不锈钢在经过３DLSP处理后其疲劳抗力比标准的SLM制造地３１６Ｌ要高出１５倍 ， 是传统工艺制造的３１６L的５７倍多 ， 这一效果远远超过当前任一处理效果 。 采用3D LSP处理SLM部件以及随后地裂纹萌生和裂纹扩展 ， 均通过近表表面的残余应力测量、断口的表面影像、显微组织的分析和显微硬度的测量来进行分析 。
ＳＬＭ ， 又叫粉末床激光打印（增材制造） ， 是目前广泛研究和得到广泛应用的AM制造技术（又叫３D打印 ） 。 随着在过去几十年该技术的持续进步 ， 该技术在可靠性、部件的致密性、制造效率和材料的适应性上均得到了显著地进步 。 同时该技术在工业中的应用也得到了迅速地发展 。
SLM技术的一个显著的优势就是可以制造复杂形状的部件 ， 这是传统工艺不能或很难实现的 。 然而 ， 美中不足的是 ， 其制造过程中存在的残余应力和孔隙这两大弊端则显著的限制了该技术的应用 。 抗拉残余应力（Tensile residual stresses（TRS））是众所周知的会不可避免地存在 ， 会显著降低材料疲劳性能的（造成材料变形、促进材料产生裂纹（如Ni基高温合金）） ， 甚至造成材料分层和打印过程的终止 。 部件的变形会造成后续的机加工工作量的增加 ， 而打印时部件的裂纹则直接限制了其潜在的应用 。 于是 ， 人们研究了各种手段来解决这一问题（去除或降低抗拉残余应力） 。 但成效不甚理想 。 后续的热处理可以释放大约70%的抗拉残余应力 ， 但该技术存在的问题就是 不能解决打印过程中会面临的裂纹和分层问题 。 打印过程中对每层表面进行激光重熔也可以释放一定的TRS 。 然而 ， 尽管该技术可以释放至少50%的TRS ， 但对每层进行重熔的话 ， 则显著地增加了产品的制造时间 。 这一手段同当前要求不断提高产品制造效率相违背 。 要知道 ， 为了提高制造效率 ， 目前人们正在积极地采用多光束激光或者增加激光功率来进行打印 。 对基材进行预热是另外一种可以显著降低热温度梯度和控制TRS积累地一种原位热处理技术 。 该技术也只能降低约40%的抗拉残余应力 。 同时基材的预热温度一般限制在200℃ 。 否则过高的温度则会存在冷却速率较慢的问题 ， 会降低诸如抗拉伸强度或疲劳极限 ， 对TRS的增加也有促进作用 。 热等静压（HIP）技术是另外一种用于铸造和SLM部件以降低抗拉残余应力和闭合气孔的常用手段 ， 以此来提高疲劳抗力 。 然而 ， HIP作为一种后处理技术 ， 会降低材料的显微组织的性能 ， 通常会造成晶粒的过度长大（通常是在再结晶步骤之后进行） 。
本文插图
在SLM打印一层（左）和打印10层时模拟得到的温度分布和应力分布图
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复合SLM技术+LSP技术的示意图 （简称3D LSP）
以上处理工艺均可以在一定程度上降低TRS ， 但以上工艺没有一种手段可以实现引入残余压应力（Compressive residual stress（CRS））的能力 。 尽管大家都知道CRS是对材料的疲劳性能是有帮助的 。 昂贵的且耗时的表面处理技术 ， 如滚磨处理（barrel finishing, BF）、激光喷丸（LSP）、表面喷丸（SP）、超声波喷丸（USP）以及超声冲击处理（UISP）等均是发展起来的可以较为精确的产生CRS的技术 ， 并且还可以减少气孔的含量和增加近表面的显微硬度 ， 进而实现提高处理部件疲劳性能的能力 。 这是后处理的表面强化技术 ， 可以依据影响的深度进行分类 ， 即基于部件近表面CRS引入的深度来分类 。 LSP可以称之为其中较为有效的处理技术 ， 但同时也是以上处理技术当中最为昂贵的表面处理技术 。 这是因为同BF、LSP、SP、USP、UISP相比 ， 其单元处理成本较高且商业化的设备较少 ， 是造成其比较昂贵的原因 。 对TC17钛合金进行送粉3D打印后采用LSP进行处理 ， 其疲劳极限可以提高23.6% 。 最近关于SLM 316L的研究表明SP处理之后 ， 其疲劳抗力同沉积态（AB）相比 ， 提高了2.7倍 。 而当采用LSP技术进行处理之后 ， 其疲劳抗力提高了20倍 。 SLM AB态的样品 ， 其疲劳抗力是变形态的9倍多 。 作为一种后处理工艺 ， 以上这些处理工艺均存在可达性差的弊端 。 并且均不适合用于复杂形状部件的处理 ， 尤其是针对AM制造的形状复杂的部件更是如此 。 在SLM制造过程中 ， 只有LSP是可以做到对部件进行强化处理而不对增材制造过程中的粉末产生不利的影响 。 考虑到AM技术经常用来制造窄的、复杂的和薄壁的形状的部件 ， LSP则成为最有有效的且最为广泛的适合层层堆积工艺且与SLM技术相适应的工艺 。
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