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3D打印|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( 二 )


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（laser powder bed fusion (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）
3D打印|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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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（1.83?W/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（ National Ignition Facility (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 。
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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. John D. Roehling et al. Reducing residual stress by selective large-area diode surface heating during laser powder bed fusion additive manufacturing, Additive Manufacturing (2019). DOI: 10.1016/j.addma.2019.05.009


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