激光粉末床熔融Ti6Al4V材料的双激光分区扫描过程中，排孔间距对残余应力及表面质量的影响

《Optics & Laser Technology》：Influence of hatch spacing on residual stress and surface quality in dual-laser partition scanning of laser powder bed fused Ti6Al4V

　　

Zhongxu Xiao|Pan Liu|Jun Hu|Yuxuan Xian|Shuisheng Chen|Jun Wang|Gao Huang|Changpeng Chen

湖北工业大学机械工程学院现代制造质量工程重点实验室，中国湖北省武汉市430068

摘要

为了解决传统激光粉末床熔融（LPBF）原位应力释放方法的局限性，本研究提出了一种新颖的双激光分区扫描（DLPS）策略来控制残余应力。通过有限元模拟研究了不同辅助激光间隙下的热场和应力场。结果表明，激光间隙对温度分布和应力状态都有显著影响。DLPS策略通过正交扫描提高了热均匀性并改变了应力分布。值得注意的是，随着激光间隙从0.05毫米增加到0.25毫米，残余应力并没有呈现单调趋势：首先增加，在0.1毫米时达到最大值，然后随着间隙的进一步增加而减小。这种行为归因于热量积累和次级温度峰值（SP-1和SP-2）处重熔的竞争效应。此外，根据激光间隙的不同，发现了两种不同的应力演化机制：在较小间隙下为连续的多岛扫描，在较大间隙下为三阶段应力演化，并伴有空闲时间。随着激光间隙从0.05毫米增加到0.25毫米，表面粗糙度参数Rz从41微米显著增加到102微米，在0.15毫米后趋于稳定，因为此时重熔轨迹变得不连续。尽管0.05毫米的激光间隙样品具有最佳的表面质量和最低的残余应力，但它显著增加了加工时间。相反，0.25毫米的激光间隙虽然能更有效地降低残余应力，但导致表面粗糙度较差（102微米）。因此，必须根据具体应用要求选择激光间隙，平衡表面质量、残余应力和加工效率。本研究为多激光扫描设计提供了基本见解，并为优化DLPS参数以在提高表面光洁度的同时最小化残余应力提供了指导。

引言

激光粉末床熔融（LPBF）是一种利用高功率激光逐层选择性地熔化和固化金属粉末的先进金属增材制造技术[1]。由于其能够制造高性能、复杂几何形状和紧密尺寸精度的部件，LPBF已在航空航天、生物医学和海洋工程等领域得到广泛应用[2]、[3]、[4]。然而，LPBF过程中快速的冷却速率和巨大的温度梯度，以及由此产生的复杂热历史、温度依赖的机械性能和微观结构演变，经常导致高残余应力，从而引起部件变形和开裂[5]、[6]、[7]、[8]。因此，已有大量研究致力于减轻LPBF制造部件的残余应力[9]、[10]。

通常采用后热处理来减少残余应力并实现所需的机械性能。然而，这也增加了制造时间和成本[11]。因此，原位应力释放方法引起了广泛的研究关注。Prabhat Pant等人研究了四种不同的扫描策略来制造Inconel 718合金，发现重新扫描策略效果最为显著，可将最大拉伸残余应力降低约25%[12]。同样，Bang等人通过改变重新扫描能量密度研究了LPBF制造的CoCrMo合金的残余应力，并报告称10%的重新扫描能量密度可最大程度地减少残余应力[13]。这些发现支持了重新扫描可以有效减轻制造过程中残余应力的假设。

Ti6Al4V是最广泛使用的钛合金，由于其优异的高温稳定性、高比强度和出色的耐腐蚀性，占全球钛消费量的50%以上[14]。在过去十年中，Ti6Al4V合金在LPBF中得到了广泛研究，众多研究表明成功制造出了具有高相对密度和机械性能的样品[15]、[16]、[17]。重新扫描方法也在Ti6Al4V合金中得到了广泛研究。在扫描策略方面，Miao等人报告称分区重新扫描策略的效果最为显著，可将残余应力从322 MPa降低到254 MPa[18]。Ma等人结合有限元分析和实验验证研究了有无层间间隔的重新扫描策略的影响，结果表明无层间间隔的重新扫描在降低残余应力方面最为有效[19]。关于工艺参数，Ali等人指出将重新扫描能量密度提高到150%可使残余应力降低33.6%[20]。我们之前关于重新扫描参数的研究也表明，在适当的参数下，残余应力可以有效降低22%[21]。总之，尽管重新扫描方法能有效减轻单激光粉末床熔融过程中的残余应力，但它会显著降低制造效率。

多激光粉末床熔融（ML-PBF）的最新进展显著提高了生产效率，这得益于多激光带来的能量输入和扫描策略的灵活性[22]、[23]、[24]。此外，ML-PBF为减轻Ti6Al4V合金的残余应力提供了新的途径。Zeng等人提出了一种比较孤立区域和重叠区域的扫描策略，并证明顺序重熔重叠区域可以显著降低残余应力[25]。Zhang等人基于模拟研究了十二种不同的扫描模式，发现层与层之间旋转扫描方向90°可以显著减轻残余应力，无论是立即重熔还是延迟重熔都能在一定程度上减少残余应力[26]。Zou等人模拟了激光数量和扫描策略的影响，发现使用四台激光时残余应力显著增加，而双激光顺序扫描策略可将残余应力降低10.6%[27]。此外，在第二次扫描过程中调节激光功率也被证明能有效控制应力形成。Promoppatum模拟了主激光和辅助激光的工艺参数的影响，确定第二激光的功率是影响残余应力水平的最关键因素[28]。Wang等人提出了一种新的双激光分区扫描（DLPS）方法，可以在不降低构建效率的情况下减少原位残余应力[29]。利用这种方法，他们研究了辅助激光功率的影响，并确定500 W的设置产生了最低的等效应力。

现有的原位应力释放方法往往无法取得令人满意的结果。ML-PBF系统的出现为通过协调多激光扫描策略管理应力开辟了新的途径。然而，以往的研究主要集中在激光数量上，而充分利用ML-PBF能力进行残余应力控制的定制扫描策略的潜力尚未得到充分探索。尽管DLPS策略在有效减少残余应力方面显示出潜力，但对其关键工艺参数（如激光间隙）的系统研究仍然有限。激光间隙通过影响扫描轨迹数量、重叠比例、能量密度和热量积累来影响LPBF过程的热条件，而不是作为一个独立的物理机制。

为了解决这一不足，本研究采用数值实验方法系统研究了激光间隙对Ti6Al4V激光粉末床熔融（DLPS）过程中热场和应力场的影响。开发了一个经过验证的有限元模型，模拟了0.05毫米至0.25毫米范围内的多岛扫描过程，捕捉了温度分布和应力演化。我们的发现为多激光扫描设计提供了基本见解，并为优化DLPS参数以同时最小化残余应力并改善表面光洁度提供了实用指导。

部分摘录

实验

实验使用自主研发的多激光粉末床熔融系统（HUST-SLM-500）进行，该系统配备了四台IPG YLR-500光纤激光器（波长1.07 μm）。打印过程在氩气气氛中进行，氧气含量保持在100 ppm以下。有关实验设置的更多细节，请参阅我们之前的出版物[29]。使用球形形态、粒径分布为20–53 μm的气雾化Ti6Al4V粉末作为

温度分布

图3展示了H3样品在不同时间点的温度分布。可以看出，当辅助激光接近主激光时（图3e），温度分布变得更加均匀。此外，即使在辅助激光完成第一岛的扫描并等待主激光完成第二岛的扫描后，辅助激光引起的残余热量积累仍然会影响主激光的温度分布，

结论

在这项研究中，我们研究了激光粉末床熔融Ti6Al4V的DLPS过程中激光间隙对残余应力和表面质量的影响。主要结论如下：

(1) 残余应力的降低是由于激光间隙控制了能量输入和热历史的综合修改结果。辅助激光的重新扫描由于增强了热量积累，使得样品内的温度分布更加均匀。

作者贡献声明

Zhongxu Xiao：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法论，概念化。Pan Liu：撰写 – 原始草稿，方法论，数据管理，概念化。Jun Hu：研究，正式分析，数据管理。Yuxuan Xian：可视化，研究，正式分析。Shuisheng Chen：监督，方法论，研究。Jun Wang：可视化，验证，方法论，研究。Gao Huang：可视化，验证，研究，数据管理。Changpeng

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了湖北工业大学（XJ2023005201）的博士研究启动基金的支持。