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原创 高功率半导体激光退火降低增材制造过程中的残余应力

_本文原始标题：高功率半导体激光退火降低增材制造过程中的残余应力
江苏激光联盟导读：高的残余应力是金属3D打印过程中经常出现的比较典型的现象 ， 并且残余应力的值甚至可以超过拉伸应力的水平 ， 从而导致部件的变形和甚至产生裂纹 。 在这里 ， 来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LawrenceLivermoreNationalLaboratory ， LLNL）的研究人员提出一种在粉末床3D打印（SLM）过程中原位控制残余应力的新方法 。 通过均匀强度的激光能量照射SLM制造的打印部件的表面 ， 这一激光能量是具有一定形状的一套半导体激光 ， 通过控制激光对部件加热历史的热控制来减少SLM制造316L不锈钢的残余应力 。 制造桥形的316L不锈钢样品来表征对SLM制造的不锈钢进行原位退火的效果 。 结果表面残余应力可以降低90%以上 ， 且并没有造成SLM制造部件晶粒的长大 。 对一些胞状-枝晶凝固组织（高固溶含量的模式）的退火效应的发生区域 ， 则经历着较长时间的高温处理 。 原位退火处理的SLM部件和传统的后热退火部件相比较 ， 其应力释放水平几乎相当 。 采用这一手段可以降低或者不需要采用后热处理的手段 ， 来消除SLM打印过程中产生的残余应力 。
原创 高功率半导体激光退火降低增材制造过程中的残余应力
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激光3D打印的状态图和采用半导体激光进行退火的状态图
图解：第一张照片和横排的第二张照片是聚焦的激光能量扫描熔化紧挨着底层部件的粉末 。 第三张照片（第二排第一张照片）则是定制的激光能量照射部件表面进行加热并实现退火 。 最后一张照片则显示的是激光刚刚结束扫描时的照片 ， 显示部件的表面温度已经高达>950°C 。
在3D打印的过程中 ， 残余应力由于加热的部件的膨胀和部件冷却时的收缩 ， 在部件打印过程中不断地积累 。 产生应力 ， 从而导致部件的变形和甚至造成裂纹的产生 ， 这会导致部件撕裂或者减弱部件的性能 ， 这一现象在金属部件的打印过程中非常明显 。
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采用半导体激光进行退火和不退火的模拟结果图
来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LawrenceLivermoreNationalLaboratory ， LLNL）和加利福尼亚大学（UniversityofCalifornia）的研究人员发布了一种采用高功率半导体激光 ， 原本是劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火工程（NationalIgnitionFacility(NIF)）的研究成果 ， 来快速的加热正在打印过程中的金属部件的表面 。 这一新技术 ， 已经发表在期刊《AdditiveManufacturing》上 ， 可以将３D打印过程中形成的残余应力有效的降低９０％ 。 这一技术是通过降低温度梯度（即极热和极冷之间的温度差别）和控制冷却速率来实现的
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半导体扫描退火系统、试样形状及其扫描时的时间和激光功率的变化图
图解：a)半导体激光退火系统的示意图；b)ａ图中点线区域的详细的图解 ， 表明激光扫描头和分色镜接近制造平板；c)本实验中拟制造的１英寸的桥形试样 ， 采用的是叠加的两个遮罩形状的样式；d)半导体激光退火工艺应用时的时间和激光功率斜降的示意图
对于金属来说 ， 与残余应力进行挑战是非常困难的一件事情 。 目前已经有大量的工作致力于降低或消除残余应力 ， 如改变扫描策略以改变残余应力的分布 。 但目前报道的研究工作则可以在制造的过程中直接消除残余应力 。 这样你就不用再为残余应力的事情而感到困扰 。 采用这一手段 ， 研究人员可以有效的降低残余应力 ， 这样 ， 你再也不会在打印的时候得到打印失效的部件了 。
为了实现上述目标 ， 来LLNL的工程人员及其合作者 ， 利用粉末床３D打印（laserpowderbedfusion(LPBF)）制造了小型的、桥型的316L不锈钢结构 。 再采用半导体激光照射部件表面之前让每一层先冷却下来 ， 然后开始采用满功率的激光照射表面 ， 马上在20秒内将功率逐渐下降 。 这一结果同将试样的每一层放置在炉子中进行热处理比较相像 ， 其表面的温度可以达到1,000°C（1,832华氏度）
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不同条件下退火的残余应力值及其半导体退火时的温度分布图
图解：a)不同实验条件下残余应力的释放 。 每一个数据点都是３个不同点的平均值 ， 每个点的实验条件都是一致的 。 误差采用的是标准误差 。 采用炉子进行退火的数据（同样是三个不同的测量点）以红色表示出来；b)半导体激光退火工艺（1.83W/mm2）时测量得到的温度
得到的部件 ， 腿部（支撑部分）比较厚且具有比较厚的悬垂截面 ， 这样可以允许研究人员通过砍掉其中一个支撑腿来测量残余应力释放的情况 ， 并分析悬梁截面移除之后弱化的情况 。 当采用半导体进行退火时 ， 桥型试样不存在任何变化
构建一个部件同常规的金属３D打印一样的方式进行工作 ， 但目前这一技术比较新颖的地方就在于使用第二束激光来大面积的投射到部件表面 ， 实现对部件表面的后热 ， 此时表面温度迅速升高 ， 然后在可控的前提下缓慢的冷却 。 当采用半导体激光进行扫描的时候 ， 发现残余应力的下降 ， 并且残余应力下降的程度同采用传统的退火处理所获得的效果相当 。 这是一种非常好的结果 ， 并且该结果促使我们进一步的研究该技术可能产生的影响 。
这一研究成果是我们前期半导体激光项目的一个分枝 ， 系在国家点火工程（NationalIgnitionFacility(NIF)）的激光项目中衍射出来的 ， 采用3D打印一次成形金属打印层 。 这一措施比其他降低残余应力的手段要方便 ， 如改变扫描策略或者加热制造时的基板 。 本项目采用的是从顶部对试样进行加热 ， 这样就不会对试样的高度存在限制 。
原创 高功率半导体激光退火降低增材制造过程中的残余应力
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a,b,c)桥型试样截面的金相和SEM照片（插入的照片）
图解：桥型试样的每一层的熔化痕迹非常清晰（没有半导体激光作用的时候） ， 在采用半导体激光进行退火或者在炉子中进行退火之后其熔化的边界就模糊了 。 垂直方向给出的插入的SEM照片刚好就是其在相应物理位置的照片 ， 标尺在所有的照片中 ， 分别对金相照片和SEM照片都一样
研究人员紧接着就会开展更加深入的研究 ， 将研究的目光投射到每一个加热循环的层数 ， 来确定可以降低残余应力到何种程度 ， 从而实现对复杂部件和更加量化的技术来获得对工艺更深入透彻的理解 。
这一技术在一定程度上可以按照比例增大使用效能 ， 因为我们已经投射了相对小的区域 ， 仍然存在较大的提升空间 。 通过增加更多的半导体激光 ， 我们可以增加更多的加热区域 ， 如果有人想在一个更大打印面积的系统中整合这一技术的话 。
更为重要的是 ， 研究人员将会探究控制Ti64钛合金的相变 。 比较典型的 ， 当制造Ti64钛合金的时候 ， 相变会导致金属变脆 ， 从而造成部件产生裂纹 。 如果研究人员可以通过控制部件的缓慢冷却来避免相变 ， 则将使部件的韧性足够高以符合航空航天的使用标准 。 这也使得该技术的前景更加乐观 。
文献来源:
1.JohnD.Roehlingetal.Reducingresidualstressbyselectivelarge-areadiodesurfaceheatingduringlaserpowderbedfusionadditivemanufacturing,AdditiveManufacturing(2019).DOI:10.1016/j.addma.2019.05.009
【原创 高功率半导体激光退火降低增材制造过程中的残余应力】2.LawrenceLivermoreNationalLaboratory（byJeremyThomas）


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