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

摘要

本文介紹了一種基於(yu) 激光衝(chong) 擊噴丸（LSP）與(yu) 選擇性激光熔化（SLM）集成的混合增材製造工藝——三維激光衝(chong) 擊噴丸（3D LSP）。亞(ya) 表層SLM零件的竣工（AB）狀態下眾(zhong) 所周知的拉伸殘餘(yu) 應力（TR）對其疲勞壽命有不利影響。LSP是一種相對昂貴的表麵後處理方法，已知會(hui) 在零件的地下產(chan) 生深度CRS，並用於(yu) 疲勞壽命至關(guan) 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，周期為(wei) 幾個(ge) SLM層。這種方法會(hui) 導致所生產(chan) 零件的次表麵產(chan) 生更高和更深的CRS，並預期改善疲勞性能。在本文中，316L不鏽鋼樣品采用解耦方法進行3D LSP處理，即通過將基板從(cong) SLM機器來回移動到LSP站。與(yu) AB SLM零件或傳(chuan) 統LSP（表麵）處理的零件相比，對於(yu) 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）是一大係列增材製造（也稱為(wei) 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(ge) 步驟中，粉末床沉積在基底上，並通過激光束選擇性地熔化。使用激光束偏轉係統，根據CAD（計算機輔助設計）模型計算的相應零件橫截麵掃描每一層。在選擇性固結後，沉積新的粉末層，並重複操作順序，直到零件完成。最後，未使用的粉末被移除，可以在另一個(ge) 建築過程中重複使用。這種製造方法能夠生產(chan) 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(chan) 。典型的例子涉及用於(yu) 航空航天和醫療應用的晶格結構、用於(yu) 減輕重量的仿生設計、模具中的保形冷卻通道等。

盡管SLM製造的零件的機械性能已接近傳(chuan) 統工藝製造的零件，但SLM仍有一些固有的局限性，其中之一是有害的拉伸殘餘(yu) 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）材料連續性的限製。從(cong) 一層到另一層，製造的部件內(nei) 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(yu) 應力的示意圖，顯示了噴丸（SP）、激光衝(chong) 擊噴丸（LSP）和3D LSP的影響。

不同的方法被用來控製和減少殘餘(yu) 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(hui) 強烈影響殘餘(yu) 應力。作為(wei) 一種後處理，退火被廣泛使用，並已證明在某些情況下殘餘(yu) 應力降低了70%。盡管這些方法確實改善了最終殘餘(yu) 應力狀態，但它們(men) 無法完全消除TRS，也無法引入可提高疲勞壽命的壓縮殘餘(yu) 應力（CRS）。此外，後處理無法避免工藝失效，這意味著原位加熱或優(you) 化掃描策略不成功的材料無法通過SLM進行處理。

激光衝(chong) 擊噴丸（LSP）是一種高應變率（~ 106 s 1）表麵處理方法，類似於(yu) 噴丸（SP）和超聲波噴丸（USP），用於(yu) 在材料的近表麵區域引入CRS。眾(zhong) 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(jue) 於(yu) 處理的材料），抵消近表麵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(lin) 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作為(wei) 傳(chuan) 統表麵處理方法應用於(yu) SLM零件的初步研究表明，LSP能夠將TRS轉化為(wei) 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(yu) 應力。然而，傳(chuan) 統的LSP仍然是表麵後處理，無法解決(jue) 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(chong) 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(zhuan) 利的工藝。該方法成功地實現了對SLM零件殘餘(yu) 應力的三維控製。特別是有害TRS狀態繼承SLM轉化為(wei) 有益的CRS的表麵區域,在一個(ge) 深度大於(yu) 表麵獲得與(yu) 傳(chuan) 統太陽能發電係統(圖1)。3 d LSP過程實際上是能夠積累CRS在任何關(guan) 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(ge) SLM層就進行LSP處理。為(wei) 了使這種方法功能齊全，能夠生產(chan) 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(men) 廣泛研究了殘餘(yu) 應力對疲勞壽命的影響，並證明了近表麵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(yu) 給定的量級），近表麵裂紋將減少得越多，疲勞壽命也越長。盡管LSP設置比更傳(chuan) 統的SP（甚至是超聲波SP）更複雜，但由於(yu) CRS深度更大（圖1），LSP設置仍然是不可替代的，作為(wei) 具有嚴(yan) 格規格的零件的表麵處理，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(ge) SLM層上重複LSP處理，3D LSP旨在與(yu) 傳(chuan) 統表麵LSP工藝相比，增加CRS的大小和深度，從(cong) 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(ti) 不鏽鋼，其極限抗拉強度（UTS）為(wei) 760 MPa。粉末為(wei) 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，波長為(wei) 1070 nm，光斑尺寸為(wei) 90μm。試樣幾何形狀為(wei) 3 mm厚支撐結構上的20×20×7 mm3長方體(ti) 。選擇的SLM工藝參數為(wei) ：激光功率125W，掃描速度600mm/s，填充距離0.105mm，層厚0.03mm。采用平行於(yu) 零件邊緣的雙向掃描策略，層與(yu) 層之間的掃描方向沒有變化，以故意產(chan) 生較大的殘餘(yu) 應力。在N2氣氛下進行處理，整個(ge) 過程中O2含量控製在1%以下。

表1 316L不鏽鋼的化學成分，重量百分比。

AM粉末進料係統的通用說明。

AM粉末進料係統的一般圖示如上圖所示。這些係統的建造體(ti) 積通常較大（例如，Optomec LENS 850-R裝置的建造體(ti) 積大於(yu) 1.2 m3）。此外，粉末進料係統比粉末床裝置更容易擴大體(ti) 積。在這些係統中，粉末通過噴嘴輸送到構建表麵。激光用於(yu) 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(ti) 三維組件。市場上主要有兩(liang) 種類型的係統。1.工件保持靜止，沉積頭移動。2.沉積頭保持靜止，工件移動。這種係統的優(you) 點包括其更大的製造體(ti) 積，以及能夠用於(yu) 翻新磨損或損壞的部件。

2.2. 激光衝(chong) 擊噴丸

激光衝(chong) 擊噴丸（LSP）試驗使用中所述的設備進行。激光源是Thales茲(zi) 激光公司的Nd:YAG GAIA級激光器，脈衝(chong) 寬度為(wei) 7.1納秒，工作波長為(wei) 532納米。光束空間能量分布為(wei) “頂帽”，脈衝(chong) 形狀接近高斯分布。使用直徑為(wei) 1 mm和5 mm的圓形激光光斑，每個(ge) 脈衝(chong) 的激光能量為(wei) 0.4 J或10 J。選擇光斑大小和每個(ge) 脈衝(chong) 的能量之比，以保持7.2 GW/cm2的恒定功率密度。使用較低的每脈衝(chong) 能量（對於(yu) 給定的功率密度）的優(you) 勢在於(yu) 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(hui) 提高生產(chan) 率。

2.3. 用鑽孔法測定殘餘(yu) 應力

殘餘(yu) 應力測量采用鑽孔法（HDM）。該技術廣泛用於(yu) 測定深度殘餘(yu) 應力分布，尤其是在表麵處理後，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測量通過在被測表麵上定位應變計花環（圖3.b）並在表麵鑽一個(ge) 直徑為(wei) 1.8 mm的孔來完成。鑽孔時，孔位置處的殘餘(yu) 應力鬆弛，導致應變變化。殘餘(yu) 應力由Kirsch理論給出。應用了鑽頭的可變深度增量。在從(cong) 表麵到100μm深度的區域內(nei) ，每10μm進行一次測量。從(cong) 0.1 mm到0.5 mm，台階增加到25μm，從(cong) 0.5 mm到1 mm，台階進一步增加到50μm。該程序在1 mm的總深度上總共測量了36個(ge) 點。

圖3 a）帶SINT-b應變儀(yi) 的鑽孔技術。

圖4顯示了典型殘餘(yu) 應力分布的最相關(guan) 參數。它們(men) 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(cong) CRS過渡到TRS的深度-CRS的深度。

圖4 顯示最相關(guan) 參數的殘餘(yu) 應力剖麵：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(cong) 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(yu) 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(cong) 表麵到>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，采用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(yu) 應力曲線。斑點大小為(wei) 80毫米，重疊率為(wei) 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(yu) 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(guan) 於(yu) 建築方向z，所有方向圖都使用標準IPF顏色鍵著色。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(yi) )。

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(yu) 構建方向的截麵切口證實了柱狀晶粒形態，垂直於(yu) 構建方向的截麵切口證實了“棋盤”微觀結構，其晶界優(you) 先與(yu) 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(nei) 的小角度邊界（可見為(wei) 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(ti) 的優(you) 勢與(yu) 建築方向Z的一個(ge) 〈001〉軸對齊。

3.2. LSP處理狀態

從(cong) SLM機中取出附著在基板上的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(ge) 樣品。LSP處理後，將每個(ge) LSP處理條件的四個(ge) 樣品中的一個(ge) 從(cong) 基板上取出並進行分析，同時將其餘(yu) 三個(ge) 樣品送回SLM機器，進行1、3和10個(ge) 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(yu) 應力測量結果。相應的應力分布如圖5所示。

從(cong) 表2可以看出，重疊率從(cong) 40%增加到80%，導致1mm和5mm光斑尺寸的CRS總體(ti) 增加。這與(yu) 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(yu) 使用過小光斑尺寸相關(guan) 的幾何效應，這會(hui) 導致衝(chong) 擊波的強烈2D衰減，從(cong) 而減少LSP處理的塑性影響深度。這種影響可以從(cong) 給定表麵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(yu) 表麵在80%重疊LSP條件下受到大量LSP衝(chong) 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(hui) 係統地轉換為(wei) CRS。較小的光斑尺寸會(hui) 導致較大的最大CRS，這與(yu) 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(cong) 5毫米減小到1毫米會(hui) 導致UTS增加45%。然而，較大的光斑尺寸往往會(hui) 增加LSP影響區的深度：對於(yu) 40%的重疊情況，觀察到從(cong) 416μm增加到686μm。對於(yu) 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(guan) 係是由於(yu) 衝(chong) 擊波的2D衰減。更高的重疊預期會(hui) 導致更高的最大CRS和更深的CRS，但代價(jia) 是LSP時間增加。

由於(yu) LSP激光器將與(yu) SLM機集成，因此應解決(jue) 重複頻率、激光尺寸、激光束傳(chuan) 輸和引導方法等與(yu) 激光相關(guan) 的問題。激光光斑尺寸的影響需要注意，因為(wei) 擬議的兩(liang) 組LSP加工參數的激光特征有顯著差異。為(wei) 了達到所需的功率密度，每個(ge) 脈衝(chong) 的能量從(cong) 1毫米光斑的400 mJ躍升到5毫米光斑的10 J。由於(yu) 兩(liang) 個(ge) 光斑尺寸的報告結果沒有太大差異，特別是對於(yu) 80%重疊的情況，低能量激光器（每脈衝(chong) 約400 mJ）可能是有益的，因為(wei) 它們(men) 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(nei) 的較低能量可以耦合到光纖傳(chuan) 輸係統中，並利用掃描頭（類似於(yu) SLM中使用的掃描頭）。這些考慮因素解釋了為(wei) 什麽(me) 在所有與(yu) 3D LSP相關(guan) 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(yu) 每組LSP處理參數，將三個(ge) 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(ge) 額外的新層（圖6）。新層的數量n為(wei) 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(cong) SLM機上取出樣品，重複LSP處理，使用1 mm的光斑大小，重疊率為(wei) 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(yu) 應力測量結果，圖7給出了應力分布的圖形表示。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層的壓力分別為(wei) 358 MPa（47%）。與(yu) 傳(chuan) 統表麵LSP處理相比，這意味著最大RS顯著增加，分別提高了30%、38%和35%。這一結果並不明顯，因為(wei) SLM重建步驟引起的熱效應可能會(hui) 導致應力鬆弛，以及由此產(chan) 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(ge) 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(yu) 傳(chuan) 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(ge) 重建層。

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

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

常規LSP組CRS深度為(wei) 416 μm, 3D LSP組(n = 1、3和10)CRS深度分別為(wei) 652 μm、668 μm和767 μm，分別增加57%、65%和84%。從(cong) 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(ge) 結果並不簡單。由於(yu) SLM層的熔化和凝固非常快，它引入的熱量有限，不會(hui) 導致完全的應力鬆弛。CRS因此會(hui) 累積。然而，這些機製的細節將需要進一步調查。預計將出現一個(ge) 臨(lin) 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(men) 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(yu) 應力測量結果如表4和圖8所示。對於(yu) n = 1、3和10個(ge) SLM層，3D LSP樣品的最大RS分別為(wei) 667 MPa(88%的UTS)、 707 MPa(93%)和 756 MPa(99%)。這些數值與(yu) 常規LSP處理( 730 MPa或94%的UTS)產(chan) 生的數值非常相似，這表明在80%重疊的情況下，由於(yu) 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(cong) 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(yu) 壓應力分別為(wei) 38 MPa、52 MPa和254 MPa。與(yu) 傳(chuan) 統LSP處理相比，這不僅(jin) 是一個(ge) 顯著的增加，而且與(yu) 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(guan) 性，因為(wei) LSP影響區深度甚至可能高於(yu) 常規LSP處理中較大光斑尺寸產(chan) 生的深度。與(yu) 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(men) 展示了LSP處理改變SLM零件殘餘(yu) 應力狀態的能力。在奧氏體(ti) 316L不鏽鋼上進行試驗，將AB樣品的高拉伸狀態轉換為(wei) CRS狀態。研究還表明，如果SLM構建階段與(yu) 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(chuan) 統的LSP治療很容易將TRS轉化為(wei) 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(hui) 導致更高的CRS和更深的CRS剖麵，因為(wei) 處理表麵上的衝(chong) 擊密度更大。雖然這種LSP處理條件會(hui) 帶來更好的結果，但會(hui) 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(yu) 具有較大光斑尺寸和脈衝(chong) 能量的傳(chuan) 統LSP處理相比，具有較小光斑尺寸和脈衝(chong) 能量的3D LSP可以產(chan) 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(chong) 激光器、高重複率和縮短處理時間的興(xing) 趣。這種激光器也更適合於(yu) 在單個(ge) SLM-LSP混合機中實現，體(ti) 積更小，成本更低，在光束傳(chuan) 輸和定位方麵更容易適應。

在LSP處理之間增加SLM層的數量會(hui) 導致CRS深度的增加。

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

另一個(ge) 研究方向將與(yu) 已知由於(yu) 高TRS累積而在SLM條件下失效的材料的製造有關(guan) ，並且預期與(yu) 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