江帆
（海装广州局驻贵阳地区军事代表室，贵州，贵阳 550081）
摘要：激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)是利用高能量激光束产生高温将金属合金粉末逐层熔化，自下而上打印实体零件的一种金属增材制造技术，它具有尺寸精度好、表面质量高、致密度好和减少材料浪费的特点。本文主要阐述了激光选区熔化方法的原理和研究现状，并通过某型发动机喉道传感器支架的SLM工艺方案的设计过程，总结了对于成型质量关键过程的控制和要求，并分析测量了3D打印喉道传感器支架的理化性能。
关键词：激光选区熔化；3D打印；工艺参数；理化性能
0 引言
喉道支架采用原有的成型工艺，需要通过23条焊接工艺来保证成型，工艺流程比较长，热应力较大，容易变形，而且其中任意一条焊接工艺的失败都会导致整个零件成型的失败，因此通过SLM 3D打印的方法来保证零件的成型，提高零件的合格率，降低生产成本。
激光选区熔化[1-3](Selective Laser Melting,)技术是金属增材制造领域的重要技术之一，它采用高能量密度激光器作为热源[4]，激光光斑集中在20um～100um的范围内，选择熔化颗粒直径在5um～50um间的球形金属粉末，可以得到任意高自由度的复杂金属构件，生成近乎 100%的高致密度零件，表面粗糙度可达20um～30um，尺寸精度20um～50um，因此激光选区熔化技术在未来的工业应用中将会居于金属增材制造领域中的主导地位[5-6]。
SLM工艺的制造过程是首先在计算机上利用 pro/e、UG、CATIA 等三维造形软件设计出零件的三维实体模型，然后通过切片软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，设备将按照这些填充扫描线，控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。
1 材料特性分析
TC4（Ti6Al4V）作为一种α+β双相钛合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，塑韧性及高温变形性能良好，在航空航天、汽车、飞机等领域应用广泛，是钛合金中的最受欢迎的一种材料。因此，激光选区熔化成形 Ti6Al4V 构件获得了比较多的关注和较为全面和深入的研究。
表1 TC4钛合金粉化学成分(质量分数/%)
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激光选区熔化成形技术通常采用几十微米粒径范围的金属粉末，如图1所示。目前，国内外可批量生产球形钛合金粉末技术主要有等离子旋转电极法、惰性气体雾化法、感应等离子球化法及感应等离子雾化法。金属粉末除了本身具有可塑性之外，必须满足粉末粒径细小、粒度分布较窄、球形度、流动性和高松装密度等要求。
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图1 钛合金(Ti6Al4V)粉末微观形态图
2 支架增材制造工艺的开展情况
根据前期的调研，选择了某喉道传感器支架作为典型件开展工艺试验。
该支架属于典型的钣金焊接组合件，由10件钣金件氩弧焊角接而成，再进行后期机械加工钻孔和倒角。如图2所示。由于零件存在多达二十余条焊缝，导致零件变形量大且合格率低。在经过充分理论研究和综合分析评估的基础上，某制造单位开展了该支架基于增材制造技术的成型工艺试验。
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图2 喉道传感器支架模型
该试验采用了激光选区熔化（SLM）的增材制造工艺，在经过原始模型的处理、方案设计、支撑结构设计、参数设计和成型取得了理想的成型效果。对材料的性能参数做了力学、金相和成分等，均达到了理想水平。
零件的增材制造成型主要包括前期的模型设计、成型方案确定、余量和支撑结构设计、成型过程模拟和具体的成型过程控制。成型后处理主要是退火热处理、支撑结构的去除、基准加工和尺寸加工等流程，其工艺路线归纳如图3所示：
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图3 增材制造工艺路线图
喉道支架的设计图如图4所示。可以看出，该支架的最终设计图上对于孔特征的位置度和相对于面的垂直度尺寸有较高的技术要求，因此在设计模型时对于孔和支撑面增加余量，通过后期的机械加工来保证其尺寸要求。
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图4 喉道支架设计图
图5 零件成型实际效果图
零件尺寸检测结果见表2。由表2可以看出：经尺寸检测，加工成型后的尺寸基本达到了设计图纸的要求，仅第5，6号垂直度尺寸有0.08~0.1mm的超差，主要是因为该表面为手工打磨后的支撑面，后期需要从工艺角度进行改进。
表2 零件尺寸检测结果
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3 喉道传感器支架理化性能检测
3D打印喉道传感器支架所用TC4钛合金粉末化学性能如表3所示。化学成分按GB/T 4698的规定进行。
表3 TC4钛合金粉末化学成分分析表
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通过检测，3D打印喉道传感器支架理化性能如下：表4为零件的化学成分分析表。化学成分按GB/T 4698的规定进行。
表4 3D打印喉道传感器支架化学成分分析表
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金相显微组织观察按GB/T 5168进行，金相显微组织图如图6所示，显微组织为β相与针状α相的混合组织（实测）。
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图6 3D打印TC4钛合金金相显微组织图
力学性能按GB/ 228的规定进行，力学检测结果如表5所示：
表5 室温力学性能
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通过理化性能的检测知，零件的各项指标符合Q/15BJ0977-2017的要求，理化性能合格。
4 结论
围绕喉道支架一次成型难的问题，通过SLM 3D打印的方法，消除了喉道支架存在的23条焊缝，减少了工艺流程繁杂导致零件合格率低的问题，提升了零件的成型效率和合格率。其材料理化性能指标符合Q/15BJ0977-2017的标准要求。
参考文献:
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作者简介：江帆，男，高级工程师，1975年生，从事航空装备设计和制造行业20年。