3D激光衝擊噴丸—選擇性激光熔化中殘餘應力3D控制的新方法

江蘇激光聯盟導讀：

本文介紹了一種基於激光衝擊噴丸（LSP）與選擇性激光熔化（SLM）集成的混合增材製造工藝——三維激光衝擊噴丸（3D LSP）。

摘要

本文介紹了一種基於激光衝擊噴丸（LSP）與選擇性激光熔化（SLM）集成的混合增材製造工藝——三維激光衝擊噴丸（3D LSP）。亞表層SLM零件的竣工（AB）狀態下衆所周知的拉伸殘餘應力（TR）對其疲勞壽命有不利影響。LSP是一種相對昂貴的表面後處理方法，已知會在零件的地下產生深度CRS，並用於疲勞壽命至關重要的高端應用（如航空航天、核能）。新提出的3D LSP工藝利用了重複中斷零件製造的可能性，週期爲幾個SLM層。這種方法會導致所生產零件的次表面產生更高和更深的CRS，並預期改善疲勞性能。在本文中，316L不鏽鋼樣品採用解耦方法進行3D LSP處理，即通過將基板從SLM機器來回移動到LSP站。與AB SLM零件或傳統LSP（表面）處理的零件相比，對於所有研究的工藝參數，觀察到CRS的大小和深度明顯顯著增加。

1.前言

選擇性激光熔化（SLM）是一大系列增材製造（也稱爲3D打印）工藝的一部分，也是過去幾年研究最多的工藝。在SLM工藝中，零件由金屬、陶瓷、聚合物或複合粉末逐層製成。在每個步驟中，粉末牀沉積在基底上，並通過激光束選擇性地熔化。使用激光束偏轉系統，根據CAD（計算機輔助設計）模型計算的相應零件橫截面掃描每一層。在選擇性固結後，沉積新的粉末層，並重復操作順序，直到零件完成。最後，未使用的粉末被移除，可以在另一個建築過程中重複使用。這種製造方法能夠生產高附加值和非常複雜的幾何形狀的零件，否則很難或不可能生產。典型的例子涉及用於航空航天和醫療應用的晶格結構、用於減輕重量的仿生設計、模具中的保形冷卻通道等。

儘管SLM製造的零件的機械性能已接近傳統工藝製造的零件，但SLM仍有一些固有的侷限性，其中之一是有害的拉伸殘餘應力（TR）的累積，如圖1所示。在SLM過程中，最後熔化的頂層在冷卻後收縮，但其幅度受底層（已固化）材料連續性的限制。從一層到另一層，製造的部件內部積累了大量的TR，導致疲勞壽命降低或最終零件變形。在建造階段，高應力甚至可能導致工藝失效（開裂）。

圖1 SLM零件中殘餘應力的示意圖，顯示了噴丸（SP）、激光衝擊噴丸（LSP）和3D LSP的影響。

不同的方法被用來控制和減少殘餘應力。原位加熱（例如通過基板預熱或激光重熔）是常用的。調整掃描策略也被證明會強烈影響殘餘應力。作爲一種後處理，退火被廣泛使用，並已證明在某些情況下殘餘應力降低了70%。儘管這些方法確實改善了最終殘餘應力狀態，但它們無法完全消除TRS，也無法引入可提高疲勞壽命的壓縮殘餘應力（CRS）。此外，後處理無法避免工藝失效，這意味着原位加熱或優化掃描策略不成功的材料無法通過SLM進行處理。

激光衝擊噴丸（LSP）是一種高應變率（~ 106 s− 1）表面處理方法，類似於噴丸（SP）和超聲波噴丸（USP），用於在材料的近表面區域引入CRS。衆所周知，LSP可提高各種金屬材料的疲勞壽命、抗應力腐蝕開裂和微動疲勞。引入的CRS深度可達1 mm（取決於處理的材料），抵消近表面區域的部分或全部拉伸應力，降低裂紋擴展速率，有效降低應力強度因子，增強疲勞裂紋閉合效應，增加裂紋擴展的臨界應力，因此，提高了金屬材料的疲勞性能（圖2）。

圖2 拉伸和壓縮應力對裂紋擴展和疲勞壽命的影響。

LSP作爲傳統表面處理方法應用於SLM零件的初步研究表明，LSP能夠將TRS轉化爲地下區域更有益的CRS。針對所有考慮的LSP參數，成功地轉換了殘餘應力。然而，傳統的LSP仍然是表面後處理，無法解決SLM構建階段高TRS的大量累積問題。

本文提出了一種新型的混合增材製造工藝——三維激光衝擊噴丸(3D LSP)。3D LSP是一種由Fédérale de洛桑理工學院(EPFL)熱機械冶金實驗室(LMTM)授予專利的工藝。該方法成功地實現了對SLM零件殘餘應力的三維控制。特別是有害TRS狀態繼承SLM轉化爲有益的CRS的表面區域,在一個深度大於表面獲得與傳統太陽能發電系統(圖1)。3 d LSP過程實際上是能夠積累CRS在任何關鍵區域的大部分地區。其思想是將SLM和LSP過程結合起來，每隔幾個SLM層就進行LSP處理。爲了使這種方法功能齊全，能夠生產大零件，必須將具有相應掃描頭的LSP激光器集成到SLM機中。

人們廣泛研究了殘餘應力對疲勞壽命的影響，並證明了近表面區域壓應力的有益作用，沒有任何模糊之處。還觀察到，CRS的深度對疲勞壽命有顯著影響。深度越大（對於給定的量級），近表面裂紋將減少得越多，疲勞壽命也越長。儘管LSP設置比更傳統的SP（甚至是超聲波SP）更復雜，但由於CRS深度更大（圖1），LSP設置仍然是不可替代的，作爲具有嚴格規格的零件的表面處理，例如核或航空航天應用中遇到的零件。通過在地下區域的多個SLM層上重複LSP處理，3D LSP旨在與傳統表面LSP工藝相比，增加CRS的大小和深度，從而進一步提高疲勞壽命。

2.實驗裝置

2.1. 材料和SLM參數

此處使用的參考材料是廣泛使用的316L奧氏體不鏽鋼，其極限抗拉強度（UTS）爲760 MPa。粉末爲Diamaloy 1003，來自瑞士Sulzer Metco公司。化學成分如表1所示。使用ConceptM2（Concept laser GmbH，德國）進行選擇性激光熔化，該M2配備了以連續模式運行的光纖激光器，波長爲1070 nm，光斑尺寸爲90μm。試樣幾何形狀爲3 mm厚支撐結構上的20×20×7 mm3長方體。選擇的SLM工藝參數爲：激光功率125W，掃描速度600mm/s，填充距離0.105mm，層厚0.03mm。採用平行於零件邊緣的雙向掃描策略，層與層之間的掃描方向沒有變化，以故意產生較大的殘餘應力。在N2氣氛下進行處理，整個過程中O2含量控制在1%以下。

表1 316L不鏽鋼的化學成分，重量百分比。

AM粉末進料系統的通用說明。

AM粉末進料系統的一般圖示如上圖所示。這些系統的建造體積通常較大（例如，Optomec LENS 850-R裝置的建造體積大於1.2 m3）。此外，粉末進料系統比粉末牀裝置更容易擴大體積。在這些系統中，粉末通過噴嘴輸送到構建表面。激光用於將單層或多層粉末熔化成所需形狀。重複此過程以創建實體三維組件。市場上主要有兩種類型的系統。1.工件保持靜止，沉積頭移動。2.沉積頭保持靜止，工件移動。這種系統的優點包括其更大的製造體積，以及能夠用於翻新磨損或損壞的部件。

2.2. 激光衝擊噴丸

激光衝擊噴丸（LSP）試驗使用中所述的設備進行。激光源是Thales茲激光公司的Nd:YAG GAIA級激光器，脈衝寬度爲7.1納秒，工作波長爲532納米。光束空間能量分佈爲“頂帽”，脈衝形狀接近高斯分佈。使用直徑爲1 mm和5 mm的圓形激光光斑，每個脈衝的激光能量爲0.4 J或10 J。選擇光斑大小和每個脈衝的能量之比，以保持7.2 GW/cm2的恆定功率密度。使用較低的每脈衝能量（對於給定的功率密度）的優勢在於開放使用更容易獲得的激光器，通常以更高的重複頻率工作，因此可能會提高生產率。

2.3. 用鑽孔法測定殘餘應力

殘餘應力測量採用鑽孔法（HDM）。該技術廣泛用於測定深度殘餘應力分佈，尤其是在表面處理後，如LSP、USP或SP。測量設備是來自SINT Technology的RESTAN-MTS 3000（圖3.a），測量是根據ASTM標準E837進行的。HDM測量通過在被測表面上定位應變計花環（圖3.b）並在表面鑽一個直徑爲1.8 mm的孔來完成。鑽孔時，孔位置處的殘餘應力鬆弛，導致應變變化。殘餘應力由Kirsch理論給出。應用了鑽頭的可變深度增量。在從表面到100μm深度的區域內，每10μm進行一次測量。從0.1 mm到0.5 mm，臺階增加到25μm，從0.5 mm到1 mm，臺階進一步增加到50μm。該程序在1 mm的總深度上總共測量了36個點。

圖3 a）帶SINT-b應變儀的鑽孔技術。

圖4顯示了典型殘餘應力分佈的最相關參數。它們是（i）CRS的最大數量-最大CRS，（ii）觀察到最大CRS的深度-最大CRS的深度，以及（iii）從CRS過渡到TRS的深度-CRS的深度。

圖4 顯示最相關參數的殘餘應力剖面：最大CRS–最大CRS量；最大CRS深度——觀察到最大CRS的深度；CRS深度——從CRS過渡到TRS的深度。

3.結果和討論

3.1. 竣工狀態

表2顯示了AB狀態下316L SLM樣品的殘餘應力測量。131μm深度處342 MPa的高拉伸值代表材料UTS（760 MPa）的45%。應力是從表面到>1 mm深度的拉伸應力（圖5），這是SLM製造的零件的典型情況。

表2 RS測量結果：通過UTS標準化的最大RS/R；最大水深；CRS的深度。在竣工狀態（AB）下進行測量，或在沒有燒蝕塗層的情況下，採用1 mm和5 mm、40%和80%重疊的LSP處理。

圖5 在AB和LSP處理狀態下測量的樣品殘餘應力曲線。斑點大小爲80毫米，重疊率爲1%。

蝕刻條件下的光學顯微圖和SLM試樣的EBSD掃描的方向圖。與建築方向垂直(上排)平行(下排)切割的標本。樣品在“建成”條件下進行研究，並在隨後的熱處理之後進行研究。關於建築方向z，所有方向圖都使用標準IPF顏色鍵着色。黑色線段表示高角度晶界的痕跡(由最近鄰像素之間的15°錯向定義)。

通過EBSD掃描得到的方向圖驗證了光學觀測結果（上圖）。平行於構建方向的截面切口證實了柱狀晶粒形態，垂直於構建方向的截面切口證實了“棋盤”微觀結構，其晶界優先與X軸和Y軸成45°角。所有貼圖都顯示了大量的方向梯度和晶粒內的小角度邊界（可見爲顏色的細微變化），由大角度邊界（由黑色線段可見）分隔。在地圖中，紅色的偏好表明晶體的優勢與建築方向Z的一個〈001〉軸對齊。

3.2. LSP處理狀態

從SLM機中取出附着在基板上的SLM樣品，並用LSP處理。LSP處理以1毫米和5毫米的斑點大小進行，並進行40%或80%的重疊。每種LSP處理條件共處理四個樣品。LSP處理後，將每個LSP處理條件的四個樣品中的一個從基板上取出並進行分析，同時將其餘三個樣品送回SLM機器，進行1、3和10個新層的重建步驟。表2給出了AB和LSP處理狀態下樣品的殘餘應力測量結果。相應的應力分佈如圖5所示。

從表2可以看出，重疊率從40%增加到80%，導致1mm和5mm光斑尺寸的CRS總體增加。這與之前對PH1不鏽鋼進行的研究一致，其中還觀察到（i）更大的光斑尺寸導致更深的CRS，以及（ii）更小的光斑尺寸導致更高的最大RS。結果（i）來自與使用過小光斑尺寸相關的幾何效應，這會導致衝擊波的強烈2D衰減，從而減少LSP處理的塑性影響深度。這種影響可以從給定表面積上較小的光斑尺寸增加的撞擊次數來解釋。

CRS的最大值出現在使用具有80%重疊的1 mm光斑尺寸時：應力值代表材料UTS的96%。這表明，由於表面在80%重疊LSP條件下受到大量LSP衝擊，316L出現循環硬化。無論選擇的LSP參數如何，AB狀態的TR都會系統地轉換爲CRS。較小的光斑尺寸會導致較大的最大CRS，這與之前在不同材料上獲得的結果一致。這在80%重疊的情況下尤其明顯，在這種情況下，將光斑尺寸從5毫米減小到1毫米會導致UTS增加45%。然而，較大的光斑尺寸往往會增加LSP影響區的深度：對於40%的重疊情況，觀察到從416μm增加到686μm。對於80%重疊的情況，這種影響不太明顯，但仍然存在。光斑大小和LSP影響區深度之間的關係是由於衝擊波的2D衰減。更高的重疊預期會導致更高的最大CRS和更深的CRS，但代價是LSP時間增加。

由於LSP激光器將與SLM機集成，因此應解決重複頻率、激光尺寸、激光束傳輸和引導方法等與激光相關的問題。激光光斑尺寸的影響需要注意，因爲擬議的兩組LSP加工參數的激光特徵有顯著差異。爲了達到所需的功率密度，每個脈衝的能量從1毫米光斑的400 mJ躍升到5毫米光斑的10 J。由於兩個光斑尺寸的報告結果沒有太大差異，特別是對於80%重疊的情況，低能量激光器（每脈衝約400 mJ）可能是有益的，因爲它們的尺寸更小，成本更低，重複率更高。考慮到斑點大小和可用重複率，當使用較小的斑點大小時，LSP處理時間可能減少4倍。此外，ns範圍內的較低能量可以耦合到光纖傳輸系統中，並利用掃描頭（類似於SLM中使用的掃描頭）。這些考慮因素解釋了爲什麼在所有與3D LSP相關的進一步研究中選擇1 mm的光斑尺寸。

3.3. 3D LSP

在初始LSP處理後，對於每組LSP處理參數，將三個處理過的樣品固定在基板上。帶有這些樣品的基板被送回SLM機器進行重建階段。仔細重新校準後，重新填充粉末，並重建n個額外的新層（圖6）。新層的數量n爲1、3或10。SLM參數和掃描策略保持不變，包括層厚30μm。重建階段後，從SLM機上取出樣品，重複LSP處理，使用1 mm的光斑大小，重疊率爲40%和80%。

圖6 3D LSP過程的示意圖說明。

3.3.1. 3D LSP，40%重疊

表3顯示了AB、LSP處理和3D LSP處理樣品的殘餘應力測量結果，圖7給出了應力分佈的圖形表示。3D LSP樣本的最大RS非常相似− 345 MPa（UTS的45%，− 368兆帕（48%）和− n=1、3和10 SLM層的壓力分別爲358 MPa（47%）。與傳統表面LSP處理相比，這意味着最大RS顯著增加，分別提高了30%、38%和35%。這一結果並不明顯，因爲SLM重建步驟引起的熱效應可能會導致應力鬆弛，以及由此產生的拉伸應力。然而，觀察到所有3D LSP處理參數的CRS累積（圖7、圖8）。這表明，在重建步驟中，由多個n SLM層的後續激光熔化引起的應力鬆弛不是主要影響，並且與傳統LSP處理相比，3D LSP確實導致CRS的大小和深度明顯增加。

表3 RS測量結果：通過UTS標準化的最大RS/R；最大水深；CRS的深度。在竣工狀態（AB）下進行測量；LSP處理1毫米，重疊40%；3D LSP 1毫米40%，含1、3和10個重建層。

圖7 在AB、LSP 1 mm 40%和3D LSP 1 mm 40%以及1、3和10個重建層中測量的樣品殘餘應力曲線。

圖8 在AB、LSP 1 mm 80%和3D LSP 1 mm 80%的1、3和10個重建層中測量的樣品殘餘應力曲線。

常規LSP組CRS深度爲416 μm, 3D LSP組(n = 1、3和10)CRS深度分別爲652 μm、668 μm和767 μm，分別增加57%、65%和84%。從這些結果中可以提取出總的趨勢是，n的增加導致了CRS深度的增加。如上所述，這個結果並不簡單。由於SLM層的熔化和凝固非常快，它引入的熱量有限，不會導致完全的應力鬆弛。CRS因此會累積。然而，這些機制的細節將需要進一步調查。預計將出現一個臨界值nc，超過該值後，對CRS的強度和深度的累積效應將開始減弱。nc本身的值應該是SLM加工參數和掃描策略的函數。在本例中，如2.1節所述，我們特意選擇了最不利的SLM參數和掃描策略，以顯示3D LSP過程的潛力，並留有進一步改進的空間。

3.3.2 3D LSP, 80%重疊

經過80%重疊處理後的殘餘應力測量結果如表4和圖8所示。對於n = 1、3和10個SLM層，3D LSP樣品的最大RS分別爲−667 MPa(88%的UTS)、−707 MPa(93%)和−756 MPa(99%)。這些數值與常規LSP處理(−730 MPa或94%的UTS)產生的數值非常相似，這表明在80%重疊的情況下，由於彈丸密度高，應變硬化水平較高。

表4 RS測量結果:最大RS值/ UTS歸一化;最大RS深度;CRS的深度。測量是在竣工狀態下進行的(AB);LSP處理1 mm, 80%重疊;3D LSP 1mm 80%， 1、3、10層重建。

CRS的深度從常規LSP處理的804μm增加到1 mm以上，超過了當前鑽孔實驗裝置研究的最大深度。在1 mm深度處，n=1、3和10時的剩餘壓應力分別爲38 MPa、52 MPa和254 MPa。與傳統LSP處理相比，這不僅是一個顯著的增加，而且與5 mm斑點大小的LSP處理相比也是如此（見表2和圖5）。這些結果說明了在3D LSP中選擇小光斑尺寸的相關性，因爲LSP影響區深度甚至可能高於常規LSP處理中較大光斑尺寸產生的深度。與40%重疊的情況類似，n的增加導致CRS深度顯著增加。

4.結論和今後的工作

在本文中，我們展示了LSP處理改變SLM零件殘餘應力狀態的能力。在奧氏體316L不鏽鋼上進行試驗，將AB樣品的高拉伸狀態轉換爲CRS狀態。研究還表明，如果SLM構建階段與LSP處理交替，最大CRS的大小和深度都可以顯著增加。對各種LSP加工參數進行了測試，可以得出以下結論：

•傳統的LSP治療很容易將TRS轉化爲CRS狀態

•光斑尺寸越小，最大CRS越大

•光斑尺寸越大，CRS深度越大。

•更高的重疊率（80%）會導致更高的CRS和更深的CRS剖面，因爲處理表面上的衝擊密度更大。雖然這種LSP處理條件會帶來更好的結果，但會增加LSP處理時間。

•3D LSP增加了CRS的大小和深度。在所有加工條件下都觀察到了這一點。

•與具有較大光斑尺寸和脈衝能量的傳統LSP處理相比，具有較小光斑尺寸和脈衝能量的3D LSP可以產生更深的CRS。在40%和80%的重疊中都觀察到了這一點，並證明了使用低能量脈衝激光器、高重複率和縮短處理時間的興趣。這種激光器也更適合於在單個SLM-LSP混合機中實現，體積更小，成本更低，在光束傳輸和定位方面更容易適應。

•在LSP處理之間增加SLM層的數量會導致CRS深度的增加。

進一步的工作將側重於（i）更準確地研究兩次後續LSP處理之間SLM層數量的影響，（ii）開發原型機，用於構建具有最佳拉應力和壓應力空間分佈的較大樣品，（iii）3D LSP處理樣品的疲勞壽命評估，以及與常規表面LSP處理樣品的比較。

另一個研究方向將與已知由於高TRS累積而在SLM條件下失效的材料的製造有關，並且預期與3D LSP的結合對其有益。

來源：3D Laser Shock Peening – A new method for the 3D control of residual stresses in Selective Laser Melting，Materials& Design，doi.org/10.1016/j.matdes.2017.05.083

參考文獻：R.S. Gideon, N. Levy，Rapid manufacturing and rapid tooling with layer manufacturing (LM)technologies, state of the art and future perspectives. CIRP Ann—Manuf Technol52 2:589–609，CIRP Ann. Manuf. Technol., 52 (2) (2003), pp. 589-609