【摘 要】
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激光选区熔化成形（Selective laser melting,SLM）通过振镜驱动激光束逐层扫描熔化金属粉末并凝固堆积实现复杂金属零件的高性能、高精度、短周期成形。目前,SLM设备光学聚焦系统主要为F-theta场镜系统和动态聚焦系统。动态聚焦系统具有扫场大、光斑实时可调的优点,相对于F-theta场镜系统在大成形尺寸SLM设备上具有更好的应用前景。然而,基于动态聚焦系统的SLM技术发展较晚,
【基金项目】
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国家重点研发计划激光制造专项《大尺寸、高精度复杂金属构件激光增材/减材复合制造技术及装备研究》,项目编号2017YFB1103800；
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激光选区熔化成形（Selective laser melting,SLM）通过振镜驱动激光束逐层扫描熔化金属粉末并凝固堆积实现复杂金属零件的高性能、高精度、短周期成形。目前,SLM设备光学聚焦系统主要为F-theta场镜系统和动态聚焦系统。动态聚焦系统具有扫场大、光斑实时可调的优点,相对于F-theta场镜系统在大成形尺寸SLM设备上具有更好的应用前景。然而,基于动态聚焦系统的SLM技术发展较晚,迄今为止相关研究主要针对系统控制,很少涉及成形工艺及质量控制。为此,本文以镍基高温合金GH4169粉末为成形材料,系统研究了基于动态聚焦系统的SLM工艺参数对成形材料组织、性能、精度的影响规律,并与基于F-theta场镜的SLM系统进行对比分析。在此基础上,提出了基于动态聚焦系统的SLM成形精度、效率改善方法。主要研究结果总结如下:（1）低功率（350W）、高功率（700W）激光动态聚焦系统、F-theta场镜系统（350W）SLM三种条件下均可实现GH4169合金高致密成形,但最佳成形工艺参数有所不同;（2）对优选参数下成形试样进行分析,结果表明采用不同聚焦系统成形的试样的显微组织无显著差异,主要为垂直于扫描方向且贯穿多个熔道外延生长的柱状晶,相组成物为基体相γ,枝晶边界处分布有脆性Laves相,表现出＜0 0 1＞织构。高功率激光动态聚焦系统SLM成形试样熔池深度与宽度更大,Laves相析出更多;（3）不同聚焦系统的优选参数成形GH4169试样的延伸率均高于铸、锻件,但抗拉强度与屈服强度低于锻件,但高于铸件。低功率下动态聚焦系统与F-theta场镜系统优选参数成形试样力学性能接近,略优于高功率激光动态聚焦系统SLM成形;（4）对垂孔、薄壁的尺寸精度以及方块、倾角的表面粗糙度进行分析,相同扫描策略和优选参数下,低功率激光动态聚焦系统与F-theta场镜系统SLM成形试样尺寸精度与表面质量较好,且均优于高功率激光动态聚焦系统SLM成形。采用“低激光功率、小光斑扫描轮廓+高功率激光、大光斑扫描实体”的动态聚焦轮廓变焦扫描策略,结合双激光振镜分区域拼接扫描策略,可使SLM成形效率比常规扫描策略下低功率激光动态聚焦系统SLM成形提升230%,且成形质量与性能基本一致。
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