3D激光冲击喷丸—选择性激光熔化中残余应力3D控制的新方法

江苏激光联盟导读：

本文介绍了一种基于激光冲击喷丸（LSP）与选择性激光熔化（SLM）集成的混合增材制造工艺——三维激光冲击喷丸（3D LSP）。

摘要

本文介绍了一种基于激光冲击喷丸（LSP）与选择性激光熔化（SLM）集成的混合增材制造工艺——三维激光冲击喷丸（3D LSP）。亚表层SLM零件的竣工（AB）状态下众所周知的拉伸残余应力（TR）对其疲劳寿命有不利影响。LSP是一种相对昂贵的表面后处理方法，已知会在零件的地下产生深度CRS，并用于疲劳寿命至关重要的高端应用（如航空航天、核能）。新提出的3D LSP工艺利用了重复中断零件制造的可能性，周期为几个SLM层。这种方法会导致所生产零件的次表面产生更高和更深的CRS，并预期改善疲劳性能。在本文中，316L不锈钢样品采用解耦方法进行3D LSP处理，即通过将基板从SLM机器来回移动到LSP站。与AB SLM零件或传统LSP（表面）处理的零件相比，对于所有研究的工艺参数，观察到CRS的大小和深度明显显著增加。

1.前言

选择性激光熔化（SLM）是一大系列增材制造（也称为3D打印）工艺的一部分，也是过去几年研究最多的工艺。在SLM工艺中，零件由金属、陶瓷、聚合物或复合粉末逐层制成。在每个步骤中，粉末床沉积在基底上，并通过激光束选择性地熔化。使用激光束偏转系统，根据CAD（计算机辅助设计）模型计算的相应零件横截面扫描每一层。在选择性固结后，沉积新的粉末层，并重复操作顺序，直到零件完成。最后，未使用的粉末被移除，可以在另一个建筑过程中重复使用。这种制造方法能够生产高附加值和非常复杂的几何形状的零件，否则很难或不可能生产。典型的例子涉及用于航空航天和医疗应用的晶格结构、用于减轻重量的仿生设计、模具中的保形冷却通道等。

尽管SLM制造的零件的机械性能已接近传统工艺制造的零件，但SLM仍有一些固有的局限性，其中之一是有害的拉伸残余应力（TR）的累积，如图1所示。在SLM过程中，最后熔化的顶层在冷却后收缩，但其幅度受底层（已固化）材料连续性的限制。从一层到另一层，制造的部件内部积累了大量的TR，导致疲劳寿命降低或最终零件变形。在建造阶段，高应力甚至可能导致工艺失效（开裂）。

图1 SLM零件中残余应力的示意图，显示了喷丸（SP）、激光冲击喷丸（LSP）和3D LSP的影响。

不同的方法被用来控制和减少残余应力。原位加热（例如通过基板预热或激光重熔）是常用的。调整扫描策略也被证明会强烈影响残余应力。作为一种后处理，退火被广泛使用，并已证明在某些情况下残余应力降低了70%。尽管这些方法确实改善了最终残余应力状态，但它们无法完全消除TRS，也无法引入可提高疲劳寿命的压缩残余应力（CRS）。此外，后处理无法避免工艺失效，这意味着原位加热或优化扫描策略不成功的材料无法通过SLM进行处理。

激光冲击喷丸（LSP）是一种高应变率（~ 106 s− 1）表面处理方法，类似于喷丸（SP）和超声波喷丸（USP），用于在材料的近表面区域引入CRS。众所周知，LSP可提高各种金属材料的疲劳寿命、抗应力腐蚀开裂和微动疲劳。引入的CRS深度可达1 mm（取决于处理的材料），抵消近表面区域的部分或全部拉伸应力，降低裂纹扩展速率，有效降低应力强度因子，增强疲劳裂纹闭合效应，增加裂纹扩展的临界应力，因此，提高了金属材料的疲劳性能（图2）。

图2 拉伸和压缩应力对裂纹扩展和疲劳寿命的影响。

LSP作为传统表面处理方法应用于SLM零件的初步研究表明，LSP能够将TRS转化为地下区域更有益的CRS。针对所有考虑的LSP参数，成功地转换了残余应力。然而，传统的LSP仍然是表面后处理，无法解决SLM构建阶段高TRS的大量累积问题。

本文提出了一种新型的混合增材制造工艺——三维激光冲击喷丸(3D LSP)。3D LSP是一种由Fédérale de洛桑理工学院(EPFL)热机械冶金实验室(LMTM)授予专利的工艺。该方法成功地实现了对SLM零件残余应力的三维控制。特别是有害TRS状态继承SLM转化为有益的CRS的表面区域,在一个深度大于表面获得与传统太阳能发电系统(图1)。3 d LSP过程实际上是能够积累CRS在任何关键区域的大部分地区。其思想是将SLM和LSP过程结合起来，每隔几个SLM层就进行LSP处理。为了使这种方法功能齐全，能够生产大零件，必须将具有相应扫描头的LSP激光器集成到SLM机中。

人们广泛研究了残余应力对疲劳寿命的影响，并证明了近表面区域压应力的有益作用，没有任何模糊之处。还观察到，CRS的深度对疲劳寿命有显著影响。深度越大（对于给定的量级），近表面裂纹将减少得越多，疲劳寿命也越长。尽管LSP设置比更传统的SP（甚至是超声波SP）更复杂，但由于CRS深度更大（图1），LSP设置仍然是不可替代的，作为具有严格规格的零件的表面处理，例如核或航空航天应用中遇到的零件。通过在地下区域的多个SLM层上重复LSP处理，3D LSP旨在与传统表面LSP工艺相比，增加CRS的大小和深度，从而进一步提高疲劳寿命。

2.实验装置

2.1. 材料和SLM参数

此处使用的参考材料是广泛使用的316L奥氏体不锈钢，其极限抗拉强度（UTS）为760 MPa。粉末为Diamaloy 1003，来自瑞士Sulzer Metco公司。化学成分如表1所示。使用ConceptM2（Concept laser GmbH，德国）进行选择性激光熔化，该M2配备了以连续模式运行的光纤激光器，波长为1070 nm，光斑尺寸为90μm。试样几何形状为3 mm厚支撑结构上的20×20×7 mm3长方体。选择的SLM工艺参数为：激光功率125W，扫描速度600mm/s，填充距离0.105mm，层厚0.03mm。采用平行于零件边缘的双向扫描策略，层与层之间的扫描方向没有变化，以故意产生较大的残余应力。在N2气氛下进行处理，整个过程中O2含量控制在1%以下。

表1 316L不锈钢的化学成分，重量百分比。

AM粉末进料系统的通用说明。

AM粉末进料系统的一般图示如上图所示。这些系统的建造体积通常较大（例如，Optomec LENS 850-R装置的建造体积大于1.2 m3）。此外，粉末进料系统比粉末床装置更容易扩大体积。在这些系统中，粉末通过喷嘴输送到构建表面。激光用于将单层或多层粉末熔化成所需形状。重复此过程以创建实体三维组件。市场上主要有两种类型的系统。1.工件保持静止，沉积头移动。2.沉积头保持静止，工件移动。这种系统的优点包括其更大的制造体积，以及能够用于翻新磨损或损坏的部件。

2.2. 激光冲击喷丸

激光冲击喷丸（LSP）试验使用中所述的设备进行。激光源是Thales兹激光公司的Nd:YAG GAIA级激光器，脉冲宽度为7.1纳秒，工作波长为532纳米。光束空间能量分布为“顶帽”，脉冲形状接近高斯分布。使用直径为1 mm和5 mm的圆形激光光斑，每个脉冲的激光能量为0.4 J或10 J。选择光斑大小和每个脉冲的能量之比，以保持7.2 GW/cm2的恒定功率密度。使用较低的每脉冲能量（对于给定的功率密度）的优势在于开放使用更容易获得的激光器，通常以更高的重复频率工作，因此可能会提高生产率。

2.3. 用钻孔法测定残余应力

残余应力测量采用钻孔法（HDM）。该技术广泛用于测定深度残余应力分布，尤其是在表面处理后，如LSP、USP或SP。测量设备是来自SINT Technology的RESTAN-MTS 3000（图3.a），测量是根据ASTM标准E837进行的。HDM测量通过在被测表面上定位应变计花环（图3.b）并在表面钻一个直径为1.8 mm的孔来完成。钻孔时，孔位置处的残余应力松弛，导致应变变化。残余应力由Kirsch理论给出。应用了钻头的可变深度增量。在从表面到100μm深度的区域内，每10μm进行一次测量。从0.1 mm到0.5 mm，台阶增加到25μm，从0.5 mm到1 mm，台阶进一步增加到50μm。该程序在1 mm的总深度上总共测量了36个点。

图3 a）带SINT-b应变仪的钻孔技术。

图4显示了典型残余应力分布的最相关参数。它们是（i）CRS的最大数量-最大CRS，（ii）观察到最大CRS的深度-最大CRS的深度，以及（iii）从CRS过渡到TRS的深度-CRS的深度。

图4 显示最相关参数的残余应力剖面：最大CRS–最大CRS量；最大CRS深度——观察到最大CRS的深度；CRS深度——从CRS过渡到TRS的深度。

3.结果和讨论

3.1. 竣工状态

表2显示了AB状态下316L SLM样品的残余应力测量。131μm深度处342 MPa的高拉伸值代表材料UTS（760 MPa）的45%。应力是从表面到>1 mm深度的拉伸应力（图5），这是SLM制造的零件的典型情况。

表2 RS测量结果：通过UTS标准化的最大RS/R；最大水深；CRS的深度。在竣工状态（AB）下进行测量，或在没有烧蚀涂层的情况下，采用1 mm和5 mm、40%和80%重叠的LSP处理。

图5 在AB和LSP处理状态下测量的样品残余应力曲线。斑点大小为80毫米，重叠率为1%。

蚀刻条件下的光学显微图和SLM试样的EBSD扫描的方向图。与建筑方向垂直(上排)平行(下排)切割的标本。样品在“建成”条件下进行研究，并在随后的热处理之后进行研究。关于建筑方向z，所有方向图都使用标准IPF颜色键着色。黑色线段表示高角度晶界的痕迹(由最近邻像素之间的15°错向定义)。

通过EBSD扫描得到的方向图验证了光学观测结果（上图）。平行于构建方向的截面切口证实了柱状晶粒形态，垂直于构建方向的截面切口证实了“棋盘”微观结构，其晶界优先与X轴和Y轴成45°角。所有贴图都显示了大量的方向梯度和晶粒内的小角度边界（可见为颜色的细微变化），由大角度边界（由黑色线段可见）分隔。在地图中，红色的偏好表明晶体的优势与建筑方向Z的一个〈001〉轴对齐。

3.2. LSP处理状态

从SLM机中取出附着在基板上的SLM样品，并用LSP处理。LSP处理以1毫米和5毫米的斑点大小进行，并进行40%或80%的重叠。每种LSP处理条件共处理四个样品。LSP处理后，将每个LSP处理条件的四个样品中的一个从基板上取出并进行分析，同时将其余三个样品送回SLM机器，进行1、3和10个新层的重建步骤。表2给出了AB和LSP处理状态下样品的残余应力测量结果。相应的应力分布如图5所示。

从表2可以看出，重叠率从40%增加到80%，导致1mm和5mm光斑尺寸的CRS总体增加。这与之前对PH1不锈钢进行的研究一致，其中还观察到（i）更大的光斑尺寸导致更深的CRS，以及（ii）更小的光斑尺寸导致更高的最大RS。结果（i）来自与使用过小光斑尺寸相关的几何效应，这会导致冲击波的强烈2D衰减，从而减少LSP处理的塑性影响深度。这种影响可以从给定表面积上较小的光斑尺寸增加的撞击次数来解释。

CRS的最大值出现在使用具有80%重叠的1 mm光斑尺寸时：应力值代表材料UTS的96%。这表明，由于表面在80%重叠LSP条件下受到大量LSP冲击，316L出现循环硬化。无论选择的LSP参数如何，AB状态的TR都会系统地转换为CRS。较小的光斑尺寸会导致较大的最大CRS，这与之前在不同材料上获得的结果一致。这在80%重叠的情况下尤其明显，在这种情况下，将光斑尺寸从5毫米减小到1毫米会导致UTS增加45%。然而，较大的光斑尺寸往往会增加LSP影响区的深度：对于40%的重叠情况，观察到从416μm增加到686μm。对于80%重叠的情况，这种影响不太明显，但仍然存在。光斑大小和LSP影响区深度之间的关系是由于冲击波的2D衰减。更高的重叠预期会导致更高的最大CRS和更深的CRS，但代价是LSP时间增加。

由于LSP激光器将与SLM机集成，因此应解决重复频率、激光尺寸、激光束传输和引导方法等与激光相关的问题。激光光斑尺寸的影响需要注意，因为拟议的两组LSP加工参数的激光特征有显著差异。为了达到所需的功率密度，每个脉冲的能量从1毫米光斑的400 mJ跃升到5毫米光斑的10 J。由于两个光斑尺寸的报告结果没有太大差异，特别是对于80%重叠的情况，低能量激光器（每脉冲约400 mJ）可能是有益的，因为它们的尺寸更小，成本更低，重复率更高。考虑到斑点大小和可用重复率，当使用较小的斑点大小时，LSP处理时间可能减少4倍。此外，ns范围内的较低能量可以耦合到光纤传输系统中，并利用扫描头（类似于SLM中使用的扫描头）。这些考虑因素解释了为什么在所有与3D LSP相关的进一步研究中选择1 mm的光斑尺寸。

3.3. 3D LSP

在初始LSP处理后，对于每组LSP处理参数，将三个处理过的样品固定在基板上。带有这些样品的基板被送回SLM机器进行重建阶段。仔细重新校准后，重新填充粉末，并重建n个额外的新层（图6）。新层的数量n为1、3或10。SLM参数和扫描策略保持不变，包括层厚30μm。重建阶段后，从SLM机上取出样品，重复LSP处理，使用1 mm的光斑大小，重叠率为40%和80%。

图6 3D LSP过程的示意图说明。

3.3.1. 3D LSP，40%重叠

表3显示了AB、LSP处理和3D LSP处理样品的残余应力测量结果，图7给出了应力分布的图形表示。3D LSP样本的最大RS非常相似− 345 MPa（UTS的45%，− 368兆帕（48%）和− n=1、3和10 SLM层的压力分别为358 MPa（47%）。与传统表面LSP处理相比，这意味着最大RS显著增加，分别提高了30%、38%和35%。这一结果并不明显，因为SLM重建步骤引起的热效应可能会导致应力松弛，以及由此产生的拉伸应力。然而，观察到所有3D LSP处理参数的CRS累积（图7、图8）。这表明，在重建步骤中，由多个n SLM层的后续激光熔化引起的应力松弛不是主要影响，并且与传统LSP处理相比，3D LSP确实导致CRS的大小和深度明显增加。

表3 RS测量结果：通过UTS标准化的最大RS/R；最大水深；CRS的深度。在竣工状态（AB）下进行测量；LSP处理1毫米，重叠40%；3D LSP 1毫米40%，含1、3和10个重建层。

图7 在AB、LSP 1 mm 40%和3D LSP 1 mm 40%以及1、3和10个重建层中测量的样品残余应力曲线。

图8 在AB、LSP 1 mm 80%和3D LSP 1 mm 80%的1、3和10个重建层中测量的样品残余应力曲线。

常规LSP组CRS深度为416 μm, 3D LSP组(n = 1、3和10)CRS深度分别为652 μm、668 μm和767 μm，分别增加57%、65%和84%。从这些结果中可以提取出总的趋势是，n的增加导致了CRS深度的增加。如上所述，这个结果并不简单。由于SLM层的熔化和凝固非常快，它引入的热量有限，不会导致完全的应力松弛。CRS因此会累积。然而，这些机制的细节将需要进一步调查。预计将出现一个临界值nc，超过该值后，对CRS的强度和深度的累积效应将开始减弱。nc本身的值应该是SLM加工参数和扫描策略的函数。在本例中，如2.1节所述，我们特意选择了最不利的SLM参数和扫描策略，以显示3D LSP过程的潜力，并留有进一步改进的空间。

3.3.2 3D LSP, 80%重叠

经过80%重叠处理后的残余应力测量结果如表4和图8所示。对于n = 1、3和10个SLM层，3D LSP样品的最大RS分别为−667 MPa(88%的UTS)、−707 MPa(93%)和−756 MPa(99%)。这些数值与常规LSP处理(−730 MPa或94%的UTS)产生的数值非常相似，这表明在80%重叠的情况下，由于弹丸密度高，应变硬化水平较高。

表4 RS测量结果:最大RS值/ UTS归一化;最大RS深度;CRS的深度。测量是在竣工状态下进行的(AB);LSP处理1 mm, 80%重叠;3D LSP 1mm 80%， 1、3、10层重建。

CRS的深度从常规LSP处理的804μm增加到1 mm以上，超过了当前钻孔实验装置研究的最大深度。在1 mm深度处，n=1、3和10时的剩余压应力分别为38 MPa、52 MPa和254 MPa。与传统LSP处理相比，这不仅是一个显著的增加，而且与5 mm斑点大小的LSP处理相比也是如此（见表2和图5）。这些结果说明了在3D LSP中选择小光斑尺寸的相关性，因为LSP影响区深度甚至可能高于常规LSP处理中较大光斑尺寸产生的深度。与40%重叠的情况类似，n的增加导致CRS深度显著增加。

4.结论和今后的工作

在本文中，我们展示了LSP处理改变SLM零件残余应力状态的能力。在奥氏体316L不锈钢上进行试验，将AB样品的高拉伸状态转换为CRS状态。研究还表明，如果SLM构建阶段与LSP处理交替，最大CRS的大小和深度都可以显著增加。对各种LSP加工参数进行了测试，可以得出以下结论：

•传统的LSP治疗很容易将TRS转化为CRS状态

•光斑尺寸越小，最大CRS越大

•光斑尺寸越大，CRS深度越大。

•更高的重叠率（80%）会导致更高的CRS和更深的CRS剖面，因为处理表面上的冲击密度更大。虽然这种LSP处理条件会带来更好的结果，但会增加LSP处理时间。

•3D LSP增加了CRS的大小和深度。在所有加工条件下都观察到了这一点。

•与具有较大光斑尺寸和脉冲能量的传统LSP处理相比，具有较小光斑尺寸和脉冲能量的3D LSP可以产生更深的CRS。在40%和80%的重叠中都观察到了这一点，并证明了使用低能量脉冲激光器、高重复率和缩短处理时间的兴趣。这种激光器也更适合于在单个SLM-LSP混合机中实现，体积更小，成本更低，在光束传输和定位方面更容易适应。

•在LSP处理之间增加SLM层的数量会导致CRS深度的增加。

进一步的工作将侧重于（i）更准确地研究两次后续LSP处理之间SLM层数量的影响，（ii）开发原型机，用于构建具有最佳拉应力和压应力空间分布的较大样品，（iii）3D LSP处理样品的疲劳寿命评估，以及与常规表面LSP处理样品的比较。

另一个研究方向将与已知由于高TRS累积而在SLM条件下失效的材料的制造有关，并且预期与3D LSP的结合对其有益。

来源：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

参考文献：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