导读
选择性激光熔化 (SLM) 是一种基于粉末床的增材制造技术，近十年来已在多个工业领域得到发展和应用。然而，SLM 过程中由热应力引起的变形和膨胀无法通过测量进行预测。本文提出了一种应用于 SLM 过程的现场变形测量系统。该3系统可以实时精确记录激光扫描下部件的变形行为。基于实验结果，讨论了 SLM 过程中试件变形的详细演变和驱动力。单次激光扫描的变形在激光加热过程中表现出中心部分强烈的瞬时向上运动，而在冷却过程中中心部分则表现出相对缓慢的向下恢复运动。对比了有和没有金属粉末层的样品的变形行为，发现在裸露的样品表面上进行激光扫描会导致明显更高的残余变形。还分析了 SLM 参数变量（例如扫描速度、激光功率、扫描宽度、层厚度和扫描次数）对 SLM 变形的影响。最后，通过高分辨率 EBSD 分析验证了激光熔化的应力分布。
方法
所有实验均在 SLM 125HL 机器（SLM Solutions GmbH，德国吕贝克）上进行。该机器配备 400 W 光纤激光器，最小光斑尺寸为 50 μm。SLM 建筑模型由 Magics 软件设计，并根据 SLM 系统分层。测试样品由尺寸为 25 mm × 8 mm × 5 mm（长×宽×高）的 SS304 板加工而成。采用325目筛分的球形 SS316L粉末作为起始粉末。基材和粉末所用的SS304和SS316L的化学成分如表1所示。选择材料的主要原因是激光熔化前后体积变化一致，相变对材料应变的影响较小。此外，SS316L中独有的Mo元素作为目标元素，可用于观察粉末层扩散区域。SLM工艺过程中变形分析的激光参数详细信息如表2所示。对有粉末层的试件和裸露试件表面都进行了变形测量。在前一种情况下，通过塞尺将粉末铺在试件表面，以确保层厚度为50μm。在后一种情况下，目的是模拟SLM工艺的多扫描模式和多激光源扫描过程中的重叠情况。由于铺粉和激光工艺重置时间，连续层激光扫描之间的等待间隔对于粉末层为3分钟，对于裸露表面为40秒。
实验中所用的原位变形测量装置示意图如图1（a、b）所示。BX12010AA型应变计以半桥温度补偿连接的形式附着在试件的底部和侧面，如图1（c）所示。试件在SLM过程中的变形和压缩被应变计捕捉并转换成电信号。应变计连接到XL2101DS动/静态电阻应变指示器，指示器测量并记录电信号。集成系统的组合线性精度为±5με。图2（a）显示了SLM系统工作室中附着应变计的试件。试件在SLM过程中被粉末覆盖，应变计的电缆穿过粉末层并与工作室外的指示器相连，如图2（b）所示。样品尺寸的设计方式是，侧面和底面的中心点与顶面的中心点距离相同，以尽量减少样品侧面和底部之间的温差。这将应变测量中温度引起的误差限制在 5% 以内（相对误差）。
图 1. 原位SLM 畸变测量系统示意图（3D 视图（a）、顶视图（b）和组装的测试样品（c）。
图 2. 附有应变计的试件放置在SLM工作室中（a），试件浸没在粉末之下且保留电缆穿过粉末层（b）。
为了比较不同材料表面对激光的吸收率，在紫外可见近红外光谱仪（AGILENT CARY 5000，美国安捷伦科技公司）上进行激光吸收率测试。测试在原始试件表面（无粉末）和316L粉末层上进行。激光波长测试范围在1020至1100nm之间。
激光扫描后，所有样品均垂直于激光扫描方向切割。样品按照经典程序进行研磨和抛光。样品在 9% 硝酸乙醇试剂中蚀刻以进行金相检查。微观结构分析采用光学显微镜（奥林巴斯，倒置金相显微镜 GX53）进行。 使用 JEOL IT500HR 场发射扫描电子显微镜 (FESEM) 和 Oxford Instruments Symmetry EBSD 探测器进行电子背散射衍射 (EBSD) 测量
主要图表
图3. 激光加工304块体表面及316L粉末层激光能量吸收率演变。
图4. 有粉末层单次扫描变形曲线(a)，无粉末层单次扫描变形曲线(b)。
图5. 单次扫描过程的放大变形行为曲线：样品顶部有一层粉末（a），样品表面没有粉末（b），不同阶段的变形行为（c）。
图 6. 前 5 层粉末激光粉末层工艺的变形行为曲线 (a)；变形曲线残余应变值和加热应变值的直方图 (b)。
图7. 表1中不同激光参数对裸露的SS 304样品表面进行多激光扫描的变形行为。
图 8. 加热/恢复变形分布与能量密度输入。
图 9. 相同激光参数下粉末层（a）、裸露样品表面（b）激光扫描轨迹横截面的 SEM 图像（参考）。
图10. 激光扫描过程中带有粉末层的试件的应力与变形（a），冷却后试件的应力与变形（b），激光扫描裸露表面过程中试件的应力与变形（c），冷却后试件的应力与变形（d）。
图 11. 相同激光参数下粉末层（a）和裸露试件表面（b）横截面激光扫描轨迹的 KAM 映射（参考）
主要结论
本研究开发了一种基于应变计的原位变形测量技术，并应用于研究激光扫描过程中试件的变形行为。该测量技术适用于分层增材制造工艺，无需对设备结构进行实质性修改。基于测量可以得出几个结论：（1）与以往研究中的间接SLM变形测量不同，该技术可以高精度地获取实时变形数据。（2）激光扫描过程中可以发现三个不同变形机制的阶段：在激光加热阶段，试件底部在顶部表面膨胀下被压缩，激光停止时压缩应变在弹性恢复下立即减小，试件最终呈现底部向下弯曲的形状。（3）粉末层吸收更多的激光能量，但传递到顶部表面的热量较少，导致热膨胀较弱，屈服层较小，加热变形可以达到-550με，最终变形稳定在+50με。表面裸露的试件在激光加热和冷却过程中发生明显变形，加热变形可达−690 με，最终变形稳定在+460 με。(4)虽然冷却阶段新沉积层和重熔层的收缩会增大变形，但屈服层面积才是影响残余应变的最关键因素。(5)实验结果表明，激光扫描裸露表面试件的残余应变与激光能量输入呈线性正相关。
主要信息
A novel experimental method for in situ strain measurement during selective laser melting
（来源：激光制造研究）