江苏激光联盟导读：
本文介绍了一种基于激光冲击喷丸硬化( LSP )和选择性激光熔化( SLM )集成的混合增材制备工艺——三维激光冲击喷丸硬化( 3D LSP )。
摘要
本文介绍了一种基于激光冲击喷丸硬化( LSP )和选择性激光熔化( SLM )集成的混合增材制备工艺——三维激光冲击喷丸硬化( 3D LSP )。
在亚表层SLM部件竣工( AB )状态下众所周知的拉伸残馀应力) TR )对其疲劳寿命有不良影响。 LSP是一种比较昂贵的表面后处理方法，已知零件地下会产生深CRS，已用于航空航天、核能等疲劳寿命极其重要的高端APP应用。 新提出的3D LSP工艺利用了反复中断零件制造的可能性，周期为几个SLM层。 在该方法中，在制造零件的二次表面产生更高的CRS和更深的CRS，有望改善疲劳性能。 本文采用去耦方法对316L不锈钢样品进行3D LSP处理，即将电路板从SLM机往返移动到LSP工位。 与AB SLM零件和传统的LSP (表面)处理零件相比，对于所有研究的工艺参数，观察到CRS的大小和深度明显增加。
1 .前言
选择性激光熔化( SLM )是一系列增材制造(也称为3D打印)过程的一部分，也是近几年来研究最多的过程。
在SLM过程中，零件由金属、陶瓷、聚合物或复合粉末按层制作。 在各工序中，粉末床堆积在基板上，通过激光束选择性地熔融。 使用激光束偏转系统，根据计算机辅助设计( CAD )模型计算出的相应零件截面扫描每一层。 选择性固结后，沉积新粉末层，重复操作步骤直到零件完成。 最后，未使用的粉末被去除，可以在另一个建筑中再利用。 这种制造方法附加值高，可以生产非常复杂的几何形状的零件。 否则，生产将很困难或不可能。 典型的例子包括用于航空航天和医疗APP应用的格子结构、轻量化仿生设计、模具内的保形冷却通道等。
SLM制造的零件的机械性能已经接近传统技术制造的零件，但SLM仍然存在一些固有的限制，其中之一如图1所示，是有害的拉伸残馀应力( TR )的累积。
在SLM工艺中，最终熔融的最上层在冷却后收缩，但其宽度受最下层(固化的)材料的连续性限制。 从一层到另一层，在制造的部件的内部蓄积大量的TR，导致疲劳寿命降低和最终部件的变形。 在建设阶段，高应力也可能导致工艺故障(破裂)。
图1 SLM部件中的残馀应力的示意图显示了镜头( SP )、激光冲击镜头( LSP )、3D LSP的影响。
用于通过多种方式控制和减少残馀应力。 一般采用原位加热(例如基板预热或激光重熔)。
也证明了调整扫描策略对残余应力有很强的影响。 作为后处理之一，退火被广泛应用，事实证明在某些情况下残余应力降低了70%。 这些方法确实改善了最终残余应力状态，但不能完全消除TRS，也不能引入提高疲劳寿命的压缩残余应力( CRS )。 另外，后处理不可避免地会导致流程失效。 这意味着无法通过SLM处理无法优化原位加热或扫描策略的材料。
激光冲击喷丸( LSP )是高应变率( 106s1 )的表面处理方法，与喷丸( SP )和超声波喷丸( USP )一样，用于向材料表面附近导入CRS。
LSP已知提高的各种金属材料的疲劳寿命、耐应力腐蚀裂纹、微动疲劳。 引入的CRS深度为1 mm (取决于处理的材料)，可以部分或全部抵消近表面区域的拉应力，降低裂纹扩展速度，有效降低应力强度因子，提高疲劳裂纹闭合效果，增加裂纹扩展的临界应力，因此( 010 –
图2拉伸和压应力对裂纹扩展和疲劳寿命的影响。
LSP作为传统表面处理方法应用于SLM零件的初步研究表明，LSP可以将TRS转化为地下区域更有益的CRS。 对于所有可能的LSP参数，成功地转换了残余应力。 但传统的LSP仍然是表面后处理，不能解决SLM构建阶段高TRS的大量累积问题。
本文提出了一种新型的混合增材制备技术——三维激光冲击发射( 3D LSP )。
3D LSP是由Fdrale de洛桑理工学院( EPFL )热机械冶金实验室( LMTM )授予专利的技术。 该方法成功地实现了SLM零件残馀应力的三维控制。 特别是有害的TRS状态继承SLM转化为有益的CRS的表面区域，在比表面更深的地方可以得到传统的太阳能发电系统(图1 )。 3 d LSP过程实际上是能够积累CRS的重要地区的大部分。 这是组合SLM和LSP过程，并对若干SLM层执行LSP处理。 为了使该方法完全发挥作用，能够生产大的部件，必须将具有对应的扫描头的LSP激光器集成在SLM机上。
人们广泛研究了残馀应力对疲劳寿命的影响，证明了近表面压应力的有益作用，没有任何模糊之处。 还观察到CRS的深度对疲劳寿命有明显的影响。 深度越大，表面附近的裂纹越少，疲劳寿命也越长。 LSP的设定比传统的SP、甚至超声波SP更复杂，但由于CRS的深度很大(图1 )，所以不能将LSP的设定作为核和航天APP中遇到的零件等具有严格规格的零件的表面处理来代替。 通过在地下区域的多个SLM层重复LSP处理，3D LSP与传统表面LSP过程相比增加了CRS的大小和深度，以进一步提高提高疲劳寿命。
2 .实验装置
2.1 .材料和SLM参数
这里使用的参考材料是广泛使用的316L奥氏体不锈钢，其极限拉伸强度( UTS )为760 MPa。
粉末是Diamaloy 1003，来自瑞士的Sulzer Metco公司。 化学成分如表1所示。 使用conceptM2(conceptlasergmbh，德国)进行选择性激光熔融。 该m-2配备了在连续模式下工作的光纤激光器，波长为1070 nm，光斑尺寸为90m。 试料的几何形状为厚度3 mm的支撑结构上的20207 mm3长方体。 选择的SLM工艺参数为：激光功率125W、扫描速度600mm/s、填充距离0.105mm、层厚0.03mm。 采用平行于零件边的双向扫描策略，层与层之间的扫描方向不变，有意产生较大的残余应力。 在N2气氛下进行处理，全程将O2含量控制在1%以下。
表1不锈钢1 316L的化学成分、重量百分比。
AM粉末供应系统的一般说明。
AM粉末供应系统的一般图示如上图所示。 通常，这些系统的建设体积很大。 例如，Optomec LENS 850-R装置的建造体积大于1.2 m3。 另外，粉体供给系统比粉体床装置更容易扩大体积。 在这些系统中，粉末通过喷嘴被输送到构建表面。 激光用于将单层或多层粉末熔融为所需形状。 重复此过程以创建实体三维部件。 市场上主要有两种系统。 1 .工件保持静止，堆积头移动。 2 .堆积头保持静止，工件移动。 这种系统的优点包括制造体积变大，以及可用于修复磨损和损坏的部件。
2.2 .激光冲击片
激光冲击喷丸硬化( LSP )试验在使用中记载的设备上进行。
激光源为Thales兹激光公司的Nd:YAG GAIA级激光，脉冲宽度为7.1纳秒，工作波长为532纳米。 光束的空间能量分布为“顶帽”，脉冲形状接近高斯分布。 使用直径1 mm和5 mm的圆形激光光斑，每脉冲的激光能量为0.4 J或10 J。 选择光斑大小与每个脉冲的能量之比，以保持7.2 GW/cm2的恒定功率密度。 降低每脉冲能量(对于给定的功率密度)的优点为开放使用更容易获得的激光器，通常在较高的重复频率下工作，可获得提高的生产效率。
2.3 .钻孔法测量残余应力
残馀应力的测量采用钻孔法( HDM )。
该技术广泛应用于深度残馀应力分布的测量，尤其是表面处理后，如LSP、USP或SP。 测量装置来自SINT Technology的RESTAN-MTS 3000 (图3.a )，测量基于ASTM标准E837进行。 HDM测量是通过在被测量表面定位应变片花环(图3.b )，在表面打孔直径1.8 mm来进行的。 钻孔时，孔位置的残馀应力会得到缓解，应变会发生变化。 残馀应力由Kirsch理论给出。 应用了钻头的可变深度增量。 在从表面到100m深度的区域，每10m进行一次测量。 从0.1 mm到0.5 mm，台阶增加到25m，从0.5 mm到1 mm，台阶进一步增加到50m。 该程序在1 mm的总深度共测量了36个点。
图3 a )带SINT-b应变仪的钻孔技术。
图4显示了典型的残馀应力分布最相关的参数。 这些是( I ) CRS的最大数目-最大CRS，) ii )观察到最大CRS的深度-最大CRS的深度，和( iii )从CRS转移到TRS的深度-CRS的深度。
图4显示最相关参数的残馀应力曲线：最大CRS最大CRS量； 最大CRS深度——观察最大CRS深度； CRS深度——从CRS转移到TRS的深度。
三.结果和讨论
3.1 .竣工状态
表2显示了AB状态下316L SLM样品的残馀应力测量。 在131m深度的342 MPa的高拉伸值表示材料uts(760MPa )的45%。 应力是从表面到1 mm深度的拉伸应力，这是SLM制零件的典型情况。
表2 RS测量结果：用UTS标准化的最大RS/R； 最大水深； CRS的深度。 在竣工状态( AB )下测量，或无烧蚀涂层时，按1 mm和5 mm、40%和80%重叠的LSP处理。
图5ab和LSP处理状态下测量的样品残馀应力曲线。 斑点大小为80毫米，重复率为1%。
蚀刻条件下光学显微镜照片和SLM试样的EBSD扫描方向照片。 垂直于建筑方向(上列)平行(下列)切割的标本。 样品在“完成”条件下进行研究，后续热处理后进行研究。 对于建筑方向z，所有方向图均使用标准IPF颜色键着色。 黑色线段表示高角度晶界的痕迹。 由最近像素之间的15偏移定义。
EBSD扫描得到的方向图验证了光学观测结果(上图)。 平行于构筑方向的截面切口证实了柱状晶粒的形态，垂直于构筑方向的截面切口证实了“棋盘格”的微观结构，其晶界优先与x轴和y轴成45角。 所有贴图都显示了大量的方向梯度和晶粒内的小角度边界(看起来是颜色的细微变化)，由大角度边界(用黑线可见)分隔。 在地图中，红色的偏好表明晶体的优势与建筑方向z的〈001〉轴一致。
3.2. LSP的处理状态
从SLM机取出附着在基板上的SLM样本，用LSP进行处理。 LSP处理以1mm和5mm的斑点尺寸进行，进行40%或80%的重叠。 每个LSP处理条件共处理4个样品。 LSP处理后，从基板上取出各LSP处理条件的4个样本中的1个进行分析，同时将剩下的3个样本返回SLM机，进行1、3、10新层的重建步骤。 表2显示了AB和LSP处理状态下样品的残馀应力的测量结果。 对应的应力分布如图5所示。
由表2可知，重复率从40%增加到80%，1mm和5mm的光斑尺寸的CRS整体增加。
这与迄今为止的PH1不锈钢的研究一致，其中也观察到了( I )基于更大光斑尺寸的深度CRS，以及( ii )基于更小光斑尺寸的更高的最大RS。 结果( I )与使用过小光斑尺寸相关的几何效应引起冲击波的强2D衰减，减少LSP处理的塑性影响深度。 这种影响可以从某一表面积小光斑尺寸增加的碰撞次数中解释。
使用具有80%重叠的1 mm光点尺寸时，会出现CRS的最大值。 应力值表示材料UTS的96%。
这表明，由于在表面重叠80%LSP的条件下受到大量的LSP冲击，316L发生了循环硬化。 无论选择的LSP参数如何，AB状态的TR都会系统地转换为CRS。 光点尺寸越小，与以前用不同材料获得的结果一致的最大CRS就越大。 这在80%重叠的情况下尤为明显，在这种情况下，将光点尺寸从5mm减小到1mm会使UTS增加45%。 但是，大光斑尺寸往往会增加LSP影响区域的深度：相对于40%的重叠，观察到从416m增加到686m。 80%重叠时，这种影响不太明显，但依然存在。 光点尺寸与LSP影响区域深度的关系是冲击波的2D衰减引起的。 预计重叠越高，最大CRS和深度CRS越高，但代价是增加LSP时间。
由于LSP激光器与SLM机集成，需要解决重复频率、激光尺寸、激光束的传输和引导方法等激光相关问题。
由于提出的两组LSP加工参数的激光特性存在明显差异，需要注意激光光斑尺寸的影响。 为了达到所需的功率密度，每1脉冲的能量从1mm光斑的400 mJ上升到了5mm光斑的10 J。 由于两个光点尺寸的报告结果没有大的差异，特别是在80%重叠的情况下，低能量激光(每脉冲约400 mJ )由于尺寸小、成本低、重复率高，因此可能有益。 考虑到斑点的大小和可用的重复率，使用小斑点的大小时，LSP处理时间可能减少4倍。 另外，能够将ns范围内的低能量耦合至光纤传输系统，并利用扫描头(与SLM中使用的扫描头相同)。 这些考虑因素解释了在与3D LSP相关的所有进一步研究中选择1 mm光斑尺寸的原因。
3.3. 3D LSP
初始LSP处理后，针对每组LSP处理参数，将3个处理完毕的样本固定在基板上。 带有这些样品的基板返回SLM机器，进行重建阶段。 仔细重新校准后，重新填充粉末，重建n个额外的新层(图6 )。 新层的数量n是1、3或10。 SLM参数和扫描策略恒定，包括层厚30m。 重建阶段后，从SLM机取出样品，重复LSP处理，使用1 mm的斑点尺寸，重复率为40%和80%。
图6 3D LSP过程的示意图。
3.3.1. 3D LSP，40%重复
表3显示的是AB、LSP处理和3D LSP处理样品的残馀应力测量结果，图7显示的是应力分布曲线图。 3D LSP样品的最大RS与345MPa(uts的45%，368MPa )和n=1，3和10 SLM层的压力分别为358MPa ) 47 )非常相似。 这意味着与传统表面LSP处理相比，最大RS显著增加，提高分别为30%、38%、35%。 这个结果不明确。 这是因为，SLM重建工序中产生的热效应可能会缓和应力，从而产生拉伸应力。 但是，观察到了所有的3D LSP处理参数的CRS累积(图7、图8 )。 这表明，在重建过程中，多个n SLM层后续激光熔化引起的应力松弛不是主要影响，3D LSP与传统LSP处理相比明显增加了CRS的大小和深度。
表3 RS测量结果：用UTS标准化的最大RS/R； 最大水深； CRS的深度。 按竣工状态( AB )测定LSP处理1mm，40%； 3D LSP 1为1mm40%，包含1、3、10的重建层。
图7ab、LSP 1 mm 40%和3D LSP 1 mm 40%以及1、3和10个重建层中测量的样品残余应力曲线。
图8ab、LSP 1 mm 80%和3D LSP 1 mm 80%的1、3和10个重建层测量的样品残余应力曲线。
常规LSP组CRS深度为416 m，3D LSP组( n=1，3和10 ) CRS深度分别为652 m、668 m和767 m，分别增加57%、65%、84%。
从这些结果中，提取了n的增加与CRS深度的增加相关联的总体趋势。 如上所述，这个结果并不简单。 由于SLM层融化和凝固非常快，其引入的热量有限，不会导致完全的应力松弛。 因此，CRS是累积的。 然而，这些机制的细节需要进一步调查。 出现阈值nc，超过该值时，预计CRS对强度和深度的累积效果将开始减弱。 nc本身的值必须是SLM加工参数和扫描策略的函数。 在本例中，如2.1节所述，我们特意选择了最不利的SLM参数和扫描策略，显示了3D LSP流程的潜力，为进一步改进留下了余地。
3.3.2 3D LSP，80%重复
80%重合处理后的残馀应力测量结果如图4和图8所示。 对于n=1、3、10个SLM层，3D LSP样本的最大RS分别为667MPa(88%的UTS )、707MPa ) 93%、756MPa ) 99% )。 这些数值与通常的LSP处理( 730 MPa或94%的UTS )的数值很相似，这表明80%重叠时，由于弹丸密度高，应变硬化水平高。
表4 RS测量结果：最大RS值/UTS归一化； 最大RS深度； CRS的深度。 测量是在竣工状态下进行的( AB； LSP处理1 mm，80%重复； 3D LSP 1mm 80%，1、3、10层重建。
CRS深度由常规LSP处理的804m增加到1 mm以上，超过了目前钻头实验装置研究的最大深度。 在1 mm深度下，n=1、3、10时的残馀压应力分别为38 MPa、52 MPa、254 MPa。 这不仅与传统LSP处理相比显著增加，而且与5 mm光斑大小的LSP处理相比也是如此(见表2和图5 )。 由于LSP影响区域的深度可能高于在传统LSP处理中产生大光点尺寸的深度，因此这些结果显示了在3D LSP中选择小光点尺寸的相关性。 与40%重叠的情况相同，n的增加导致了CRS深度的显著增加。
四.结论和今后的工作
本文展示了改变SLM部件的残馀应力状态的LSP处理能力。 用奥氏体316L不锈钢进行试验，将AB样品的高拉伸状态转化为CRS状态。 研究表明，交替进行SLM构建阶段和LSP处理可以显著增加最大CRS的大小和深度。 通过对各种LSP加工参数的测试，得出了以下结论。
传统的LSP治疗容易将TRS转化为CRS状态
光点尺寸越小，最大CRS越大
光点尺寸越大，CRS深度越大。
重叠率( 80% )越高，CRS越高，CRS配置文件越深。 这是因为处理方面的冲击密度变高。
这样的LSP处理条件可以提供更好的结果，但是增加了LSP处理时间。
•3D LSP增加了CRS的大小和深度。
在所有加工条件下观察到了这一点。
光点尺寸和脉冲能量小的3D LSP与光点尺寸和脉冲能量大的传统LSP处理相比，能够生成更深的CRS。
这在40%和80%的重叠下被观察到，证明了低能脉冲激光的使用、高重复率、缩短处理时间的兴趣。 该激光器也适合用单一的SLM-LSP混合机实现，体积小，成本低，在光束传输和定位方面易于适应。
在LSP处理期间增加SLM层的数量会增加CRS深度。
进一步的工作包括： ( I )更准确地研究SLM层数在两次后续LSP处理之间的影响；( ii )开发样机以构建具有最佳拉伸应力和压应力空间分布的大样品；( iii ) 3D LSP处理样品的疲劳寿命评估
另一个研究方向涉及到由于高TRS积累而在SLM条件下失效的材料的制备，预计与3D LSP的结合将是有益的。
资料来源：3dlasershockpeeninganewmethodforthe3dcontrolofresidualstressesinselectivelasermelting，Materials Design，DOI.org/110
参考文献： R.S. Gideon，N. Levy，rapidmanufacturingandrapidtoolingwithlayermanufacturing ( lm ) technologies，sateoftheartandtandandandties
江苏激光联盟陈长军原创作品！
