综述:增材制造构件的后处理(中)

本文概述了增材制造金属工件的多种后处理技术,对其机理、应用范围、优势以及缺陷等进行了全面的梳理。

不同的精加工技术可提高AM金属构件的表面光洁度。这些技术分为机械、辐射和化学等类别。因为AM金属零件的表面光洁度在x-z平面和x-y平面上显著不同(前文图2),所以在不牺牲零件其他几何特征的情况下,将所有表面抛光到相同的光洁度是极具挑战的。为了便于讨论,镜面光洁度的表面被定义为小于1微米(39 μin,1μm=39.37μin)的线表面粗糙度Ra、面表面粗糙度Sa。

在磨料流化床(abrasive fluidized bed,AFB)加工中,粗糙表面受控制选择性地或完全暴露于运动的磨料中。随机定向磨料的微喷射/切割去除了零件表面峰状物,并改善了其表面光洁度。在AFB技术中,零件安装在由流动空气中的小磨料混合物组成的流化床中、并在其中旋转。在钢球、砂砾和短钢丝的对比研究中,切割钢丝(1毫米长,45至55 HRC硬度)是最有效的介质,可以在以1200 rpm旋转后将SLM AlSi10Mg的表面光洁度从17降低到1.57微米Ra(图14)。之后仅移除了整体质量的0.9%。

※ 不均匀抛光——抛光程度存在差别,因为焦斑在构件表面上移动的速度取决于其位置到旋转轴的距离,并且SLM零件表面光洁度存在差异

※ 锋利——在这个过程中需要将一些锋利的点和边缘磨圆,同时需要繁琐的防护措施或者掩模对其进行保护

※ 可循环利用——亟待进一步的研究来确定磨料的使用寿命磨料流加工(Abrasive flow machining,AFM)是一种可以抛光金属零件内部和外部“独特”特征的后处理技术,原理在于工件表面和磨料流在不同冲角下的相互作用。一般来说,较高的介质压力和相对速度会导致较高的材料去除率,磨料粒度越细,所得表面越光滑。包含适当研磨介质的粘弹性流体可被设计成在往复运动中沿一个方向或两个方向流过零件表面(图15)。通过控制介质(含磨料的磨料流体)的粘度,该系统可以更有效地磨圆尖角(低粘度)或抛光均匀表面(高粘度)。

AFM常用于对选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)制备的马氏体时效钢 Maraging(Fe-18Ni-9Co-5Mo)进行表面抛光。未经热处理的印刷样品(35.5 HRC)和热处理样品(55.5 HRC)的材料硬度不同。通过将磨料浓度更改为35%、50%和65%来改变介质粘度。所得的区域表面光洁度(图16)表明,当使用最高磨料浓度(65%)和中等粘度介质抛光时,AFM可以将较软的未热处理表面光洁度Sa从12降低到约2微米。最终的表面光洁度似乎达到了饱和点,因为即使再增加抛光时间(或往复循环)也难以进一步改善表面。使用更精细的介质进行另一轮抛光可能会改善结果。因此,通过使用合适的磨料尺寸和类型,完全可以将表面粗糙度降低一个数量级(表6)。

此外,研磨形状对最终结果也有影响。具有锋利边缘的块状磨料以高材料去除率犁削(Plowing)、去除材料,而具有圆形轮廓的球形磨料抛光表面并获得较低的材料去除率。

※ 均匀性——去除率以及表面光洁度和形状因上、下游位置而异。尽管这一限制因素的影响通过双向流动设置被最小化,但是仍需要对沿着整个表面的完整性进行量化。可以通过修改初始零件的几何形状来补偿这种不均匀性。

※ 介质使用寿命——尚不清楚介质属性和抛光循环次数会因抛光碎屑而发生怎样的变化。

时至今日,我们已经实施了用于大量精加工AM金属的诸多机械技术,包括振动翻滚(vibratory tumbling)、离心盘(centrifugal disk)、高能离心桶(high-energy centrifugal barrel)、阻力精磨抛光(drag finishing)和流抛光(stream finishing)。印刷好的构件浸没在具有受控再循环的移动介质中——构件可以在环形介质流中旋转,在环形涡流中下沉和自升。

如今约有15种不同形状的松散磨料,常见的有三角形、圆锥形、圆柱形、球形和四面体形。主要介质材料包括陶瓷、金属和塑料/合成材料。可以根据特定的零件几何形状选择介质尺寸。有时混合介质形状和大小可能更加有效。大型介质可以加快加工速度,但与此同时也会损坏易碎、柔软的工件材料。

通过添加适当的液体来加速该过程,同时去除松散的碎片,可以在干燥或潮湿的条件下进行大规模精加工过程。在对SLM生产的Ti6Al4V合金进行大规模精加工的对比研究中,在进行不同的大规模精加工工艺之前,将印刷好的样品从基板上取下并喷砂。图17显示了使用高能离心工艺获得的最低表面光洁度(约1.2微米Sa)。批量精加工也可以应用于珠宝行业的AM贵金属。为了抛光18k金首饰,当使用振动翻滚时,加工时间可能长达37小时;当使用流抛光时,加工时间可能只要几分钟(图18)。

※ 需要进行喷砂等预处理,以使印刷部件的表面光洁度变得均匀,因为光洁度受零件的方向影响(图2)

机械喷丸是另一种可以用来提高增材制造金属表面光洁度的工艺,还可在喷丸表面形成有益的压缩残余应力层。与其他材料去除工艺不同,该技术使用高速硬化珠“轰击”表面并使其塑性变形,从而使其变平。珠子可以通过压缩空气、离开转轮后的离心力或在加压水中(湿喷丸)被推向它们的目标。

喷丸介质通常是球形或短须状的钢、不锈钢、陶瓷和玻璃。钢珠可以从45至62 HRC的硬度范围中选择,氧化锆陶瓷珠的维氏硬度为700 HV或60 HRC。如果想要避免钢或不锈钢珠造成的金属污染,一般可用玻璃珠替代用作喷丸介质。为了表征能量束,可以将束功率(P)、束尺寸(H)和束扫描参数集中到单个变量中。线性(Linear energy densities,LED )、面积(area energy densities,AED)和体积能量密度(volume energy densities,VED)可以表示为:

其中LED:线性能量密度(焦耳/毫米),AED :面积能量密度(焦耳/平方毫米),VED:体积能量密度(J/mm3),P :能量束功率(瓦),H:扫描线间距(毫米), D :层深(mm),S:光束扫描速度(毫米/秒)

虽然LED和AED都已有过相关研究,但相比而言VED更具可信度,因为它代表了在三维空间中如何耗散功率来熔化材料。

玻璃球用于喷丸处理通过直接金属激光烧结(DMLS,一种粉末床熔融工艺)生产的AlSi10Mg。两个完工样品的表面在0.95和2.38J/mm2 的极端面积能量密度下,在不同气压下进行玻璃喷丸处理。在图19中,15号样品上的大扫描线 的较低面积能量密度和非常多孔的表面。喷丸处理使表面变平并“弥合”了表面孔隙。表8比较了喷丸前后的表面光洁度。该工艺在0.8兆帕的最高压力下对AlSi10Mg合金最有效,将表面光洁度从14.35降低到2.50微米。

▲图19 上图:玻璃喷丸前后直接金属激光烧结(DMLS)AlSi10Mg的表面光洁度

下图:a 成品DMLS样品的表面形貌图,b:30分钟后的表面形貌显示表面峰消失

与此同时,需要注意使用喷丸处理很难获得亚微米Ra的光学光洁度,因为喷丸处理的球体在撞击时只是塑性地移动了它们周围的材料(图19)。如果需要镜面抛光,则需要额外的工艺。其他影响因素包括珠直径、入射角和珠速度等。

据估计,每次加工后玻璃珠造成的损坏约为10%,因此这种喷丸介质可以回收9至12次。另一个需要考虑的问题是,尽管产生了有益的压缩应力,但当累积塑性应变超过喷丸材料的临界极限时,微裂纹仍可能会产生。

抛光是另一种机械技术。它使用的电机通常在3000到7000rpm转速之间运行,使用不同硬度、硬度和直径的柔性抛光轮以及各抛光剂。抛光化合物从粗到细的颜色代码为黑色、灰色、棕色、白色、红色和棕色。

对于需要抛光的特定材料,建议使用特殊颜色——例如绿色代表不锈钢材料,橙色代表铝,蓝色代表铂。曾经进行过一项关于SLM Inconel 718的x-z平面抛光的研究。橙色(指粗糙)和白色(指精细)抛光化合物以1650米/分钟在3500rpm、150毫米直径的抛光轮下总共操作十分钟。获得下图中的镜面光洁度,表面光洁度略低于1μm。当在平行或垂直于抛光方向上测量线表面光洁度时,由沿着抛光路径的细槽引起的抛光表面的波纹度显示在表面光洁度数据的微小差异上。

由于表面上不可避免的孔隙,区域表面光洁度Sa的值高于线毫米的抛光样品上测量圆角半径。通过在抛光过程中使用铝掩模来保护零件边缘,圆角半径减小到0.40毫米;通过使用钢掩模,进一步减小到0.10 mm。

SLM Inconel 718合金经橙色化合物粗(rough)抛光和另外的白色化合物细(fine)抛光后的表面光洁度,抛光时间非累计抛光相对其他的机械加工过程,成本相对

。超声波探头产生的气蚀冲击波爆发并推动碳化硅研磨颗粒犁削工件的水平表面。

实验中,K.L.Tan和Yeo在去离子水中以5%的浓度混合研磨碳化硅颗粒(400至1200粒度)。使用频率为20千赫、振幅为60微米的超声波源产生的气穴现象为抛光磨料提供了动能。该工艺在十分钟内去除了表面部分焊接的粉末颗粒;长达30分钟的处理时间没有进一步改善表面光洁度,表面光洁度从8降低到大约3.5微米。

在增材制造中,激光束用于选择性熔融或烧结金属粉末/线。具有特定参数的激光器也可以用于表面微加工或抛光。应使用惰性气体来尽量减少工件的表面氧化。各参数包括激光功率、光束馈送速率、聚焦光束直径、焦偏和光束偏移(

)。光束偏移或扫描线间距决定了光束重叠区域,有助于表面质量提升,但也会影响加工时间。

AM表面改性的激光后处理及参数激光加工有两种不同的机理。假设金属中的热扩散时间在皮秒(10-12秒)范围内,脉冲宽度在微米到纳秒范围内的连续波或脉冲激光将为表面熔化提供热能,而脉冲宽度在飞秒(10-15秒)范围内的超短激光

都可用于AM金属的后处理。当用热激光辐射时,金属表面上的波峰(包括先前粉末床熔化过程产生的部分焊接粉末颗粒),在重力或材料表面张力的影响下熔化并流入较低的波谷,从而产生具有不同冶金和机械性能的重铸层、热影响区和原始母材的复合物。热激光可以选择性地

。但也存在以下局限性:※ 尽量选择水平激光抛光位置,因为熔融液体主要通过重力重新分布。

※ 抛光结果随着光束入射角的变化而变化,因此,需要复杂的多轴机械手来均匀地激光抛光三维工程部件。如果在一个大的构件上使用单个光束,这个过程既慢又繁琐。在这种情况下,需要一个特殊的夹具来固定和移动构件,以使处理过的表面始终与激光源保持恒定的距离。

※ 很难激光抛光内表面。金属表面的熔化和再固化不仅会改变表面形态,而且影响表面微观结构及其物理/光学/机械性能。在此过程中会出现

。除非在惰性气体环境中进行,否则当材料熔化温度冷却后,表面会被氧化。Lamikiz等人研究了使用CO2激光器对420不锈钢(60%)进行激光抛光,420不锈钢由选择性激光烧结生产,有40%青铜。根据他们的研究,在最大生产率(即最大进给速度和最大有效光束直径)下,获得最佳表面光洁度的条件是600瓦,1483毫米/分钟的进给速度和4.58 J/cm2的面积能量密度。激光抛光表面的表面粗糙度降低了86.8%,降至1.49微米。

)显示了具有柔软和细小的颗粒的不同重铸层,被较硬的热影响区包围。由此产生的微观结构缺陷(缩孔、气孔、微裂纹、硬度差和残余应力)会影响激光抛光部件的机械和物理性能。

SLS 420不锈钢的显微组织,抛光区域下方的材料中存在缺陷。虽然10微米波长的CO2激光器需要数百瓦来抛光金属,但

,因为它抛光AM金属的功率要小得多。光纤激光器(1.06微米波长,90瓦功率,10%光束重叠,60至150毫米/秒扫描速度)用于选择性激光熔融后抛光Inconel 718。在最佳条件下,表面光洁度从7.5降到小于0.1微米。硬化的重铸层(具有120微米深的细晶粒)是由于细小γ′′ 热诱导沉淀。与基底的350 HV相比,所得的重铸层达到了440 HV的更高硬度,并且将耐磨性提高了90%,同时将表面摩擦系数从SLM表面的0.6降低到抛光表面的0.5。

激光抛光选择性激光熔融钛合金的特性此外,C.P. Ma等人使用热激光抛光SLM钛合金。他们使用光纤激光器(1.06微米波长,220纳秒脉冲,1.2 × 107瓦/平方厘米面积功率密度,200毫米/秒,扫描速率和50%重叠)来成功地

。重铸层的显著硬度增加是由快速冷却重铸层后形成的硬马氏体α′沉淀造成的(表9)。

图25激光抛光对TC4钛合金的影响:(a)LAM表面激光抛光区;(b)激光抛光区域和未处理区域边界的扫描电镜显微照片;(c)未处理区域的LSCM形貌图;(d)激光抛光表面的LSCM图。

激光抛光SLM钴铬高温合金的显微组织由表面的薄氧化层( oxide layer)、再铸层(recast layer)和热影响区(HAZ)组成。Yung等人激光熔化并抛光了一种钴铬超合金。使用1.06微米波长的激光束抛光凸面、凹面和斜面,散焦至6 mm以覆盖更大的有效面积。在抛光参数中,

,其次是扫描速度(15至300毫米/秒)和阴影距离(20至50微米)。在表面发现了薄的13-微米氧化层,随后是覆盖母体材料的重铸层和热影响区(图26)。重铸层的硬度为415 HV,比母材的390 HV略微增加了6.5%。所有测试的几何形状都达到了亚微米表面光洁度(图27)。

7所有测试的几何形状,激光抛光的SLM钴铬合金都达到了亚微米级的表面光洁度。与热激光相比,具有小波长或非常短的脉冲持续时间的烧蚀激光可用于烧蚀AM金属,可以锐化几何轮廓或平滑表面。Hallmanna等人使用光纤激光器(纳秒脉冲,200瓦功率,60微米直径光束)烧蚀马氏体时效工具钢,使用0至27°入射角、30至80%泵浦电流和不同扫描模式的工艺变量。发现小于7°的小入射角(即激光束几乎平行于烧蚀表面)导致非常尖锐的烧蚀轮廓(

)和表面光洁度在1.3至1.8微米范围内的光滑表面,而与泵浦电流无关(图29)。

SLM马氏体时效工具钢的激光烧蚀和轮廓锐化:(a)激光烧蚀前和(b)烧蚀后。

可以有效地烧蚀AM金属。在抛光SLM Ti6Al4V的研究中,烧蚀激光(185 fs脉冲持续时间,100μJ/脉冲,10 kHz速率)成功去除了部分焊接粉末颗粒的粗糙表面。烧蚀激光没有形成重铸层或热影响区(图30)。因为激光束几乎垂直于工件表面,所以可以形成纳米光栅阵列。除了原子力显微镜之外,大多数表面测量技术都没有合适的分辨率来检测这种纳米级特征。烧蚀激光将SLM钛合金的表面光洁度从4.2降低到0.8微米。

激光烧蚀SLM Ti6Al4V的截面图。激光去除了粗糙的表面和部分焊接的粉末颗粒(a),而没有形成重铸层或热影响区(b)。

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