機器人激光送絲增材制造的組織與性能研究

（文章來源：激光天地）

采用機器人為操作系統(tǒng)的激光送絲增材制造系統(tǒng)進(jìn)行了沉積316Si的實驗。對得到的樣品的組織和性能進(jìn)行了分析。沉積樣品分兩種：薄壁強試樣和塊體試樣。制備的樣品掃描間隙的時間也分為兩種，短的和長的掃描間隙。研究發(fā)現(xiàn)，由于不同的掃描間隙造成的熱歷史時間不同而對得到的樣品的組織和性能造成非常大的影響。薄壁墻試樣掃描間隙時間短，得到粗大的柱狀晶、較低的拉伸強度以較低的硬度。

與之相反，塊體試樣的掃描間隙時間長，得到的柱狀晶較細(xì)小、拉伸強度較高、硬度也較高。同時對熔池進(jìn)行了在線監(jiān)測。還建立了熔池和冷卻速率之間的經(jīng)驗公式，用于通過控制熔池尺寸來實現(xiàn)對凝固組織的控制。而且，為了研究其各向異性行為，對垂直和平行于試樣沉積方向的拉伸強度進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，垂直于制造方向的拉伸強度和延伸率，對薄壁試樣和塊體試樣來說，均較低，這表明層間或熔池間由于未熔氣孔存在而存在弱結(jié)合。

增材制造在健康、汽車、模具、乃至航空航天有著較多的應(yīng)用。增材制造之所以應(yīng)用的發(fā)展非常快，是因為該技術(shù)可以制造出復(fù)雜形狀、減少制造周期、不需要額外的機加工和支撐等。該技術(shù)已經(jīng)成為制造小批量高附加值部件最經(jīng)濟(jì)且有效的制造手段。增材制造種類繁多，但主要分兩大類，直接能量沉積（DED）和粉末床（PBF）。其中DED是一種通過連續(xù)喂送金屬粉末或絲材到指定位置，同時激光束或電子束等能量對其進(jìn)行熔化。熱源相對于基材以預(yù)設(shè)的軌跡來運動。從而形成預(yù)設(shè)的制品。

激光直接沉積（LDMD）是DED的一種，有著多種稱唿，如3D激光熔覆、SLM、LMD、DMD、DLD等。并且該技術(shù)在諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。LDMD的優(yōu)點較多，如打印功能梯度材料（FGM）、修復(fù)高附加值材料、在部件表面施加涂層用于提高耐磨、耐腐蝕等性能。同時還可以打印打的泊松比、負(fù)的泊松比；甚至是負(fù)的熱膨脹系數(shù)的材料。

激光送絲直接沉積是采用送粉增材沉積的一種方式，最近頗受重視。激光送絲具有絲材成本低（絲材比粉末便宜）、沉積效率高（對鈦合金來說可以達(dá)到40 lb/h）、材料利用率高、對環(huán)境清潔無污染。國際上著名的公司如GKN和橡樹嶺國家實驗已經(jīng)發(fā)布了采用激光送絲系統(tǒng)制備了大型的結(jié)構(gòu)件用于航空航天。這一結(jié)構(gòu)件采用其他增材制造技術(shù)是很難制造出來的。

除了以上激光送絲的優(yōu)點外，實驗還證明激光送絲在工藝上難以控制。主要參數(shù)有激光功率、送絲速度、激光掃描速度、搭接率和抬高量等必須精確控制以獲得穩(wěn)定和可可重復(fù)的工藝以避免常見的缺陷生成。實驗還表明由于在加工過程中熱傳導(dǎo)模式會從3D到2D傳熱以及傳熱的復(fù)雜性（熔池動力學(xué)）。因此，非常有必要采用在線監(jiān)測系統(tǒng)來保證加工的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

同時在加工過程中送絲速率、激光功率、熱導(dǎo)率等，這些參數(shù)的微小變化都需要采用在線監(jiān)測技術(shù)以確保制品性能的均一性。Herali等人嘗試在激光送絲時配以反饋系統(tǒng)已保證熔池的高度和寬度不變，從而確保最大程度的穩(wěn)定性。Yaoyu等人采用激光頭上安裝同軸相機監(jiān)控熔池，輔以PID控制器成功的實現(xiàn)了調(diào)節(jié)激光功率來保證熔池的穩(wěn)定性。

現(xiàn)有的文獻(xiàn)大都以增材制造的產(chǎn)品同傳統(tǒng)工藝進(jìn)行對比，其性能幾乎相當(dāng)。然而增材制造產(chǎn)品的組織和性能頗受關(guān)注，這是因為該工藝存在復(fù)雜的熱歷史過程。Hederick在綜述中指出，研究熱歷史和組織演變的關(guān)系至關(guān)重要。許多研究工作多集中在認(rèn)知熱循環(huán)對顯微組織和性能的研究上。

在LMD工藝中熱歷史過程包括快速加熱和快速冷卻過程以及一定的溫度梯度。這對顯微組織的影響非常重要，進(jìn)而會影響到最終的機械性能。Yadollahi等人報道了工藝參數(shù)會影響熔池的動力學(xué)。進(jìn)而影響熱歷史。工藝參數(shù)會影響到缺陷的生成。同時研究了層層之間的間隙對機械性能和顯微組織的影響。

結(jié)果顯示較長的時間間隙導(dǎo)致高的冷卻速率，從而顯微組織較細(xì)小。SU等人研究了結(jié)構(gòu)類型（常用的有兩種：薄壁墻和塊體）的組織變化。薄壁墻結(jié)構(gòu)存在柱狀晶且平行于制造方向，而塊體試樣的組織則呈現(xiàn)多個方向。但目前對激光送絲來說，公開報道還比較少。

本文主要報道了采用機器人系統(tǒng)進(jìn)行激光送絲的工藝研究，同時在送絲過程中采用了在線監(jiān)測技術(shù)制造了薄壁墻和塊體試樣，并對試樣的組織和性能進(jìn)行了研究。