密度梯度零件选区激光熔化制造基础工艺研究_罗子艺
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20 世纪 80 年代美国研制了一种具有密度梯度 的新型材料，期望为动态物理学研究提供极端的压力 或速度等实验条件[2]。 1984 年，Barker 等[3]采用颗粒共 沉降成型结合高压粘接的方法制备出密度连续变化 的 Ta/Cu/Al/TPX 飞片材料，但其制作工艺复杂，可操 作性差。 雍志华等于 1995 年在铁基粉末中加不同比 例的硬脂酸锌再压制烧结，制成密度呈连续变化的密
Abstract： For the rapid manufacture of density gradient parts, the experiment of selective laser melting (SLM) process was carried out on Dimetal-280 system, the relationship between the density and the process parameter was analyzed. The parts with the density of 6.73 g/cm3 to 7.78 g/cm3 and the relative density of 83.09%～96.05% in the level direction and with the density of 7.04 g/cm3 to 7.55 g/cm3 and the relative density of 93.21% ～86.91% in the thickness direction were formed using 316L stainless steel powder. The parts were observed by microscope after polished along the gradient direction. The results show that pore volume of the parts presents gradient variation according to the gradient variation of their density. The SLM technique has a great potential in manufacturing density gradient parts.
平面上聚焦成 30～50μm 的光斑，并拥有高密封度的
成型室。 图 1 为 DiMetal-280 系统示意图。
扫描振镜
激光束
零件
粉末 铺粉辊
光纤激光
计算机 控制系统
图 1 Dimetal-280 选区激光熔化原理图 Fig.1 Schematics of Dimetal-280 SLM system
区区域密度的大小选择合适的工艺参数， 进行密度 梯度可控零件制造。
在扫描间距不变的情况下，激光功率、扫描速度 的大小决定了能量输入的大小， 继而决定了粉末熔 化的程度。 SLM 采用的粉末具有一定的松散度，在 固态堆积未压实时，密度一般只有全密度的 40%～ 70%， 而在 Dimetal280 成型的 SLM 制件的致密 度 一般可达到 90%以上， 这就势必造成制件的收缩 ； 成型零件致密度越大，材料收缩越大，其翘曲变形越 严重。 若合适地降低激光功率或提高扫描速度则可 以减弱收缩[10]。 在某些零件成型时，可以将其分区成 若干部分， 在强度要求较高部分采用高致密成型工 艺，而其余部分则可以低致密成型。同时扫描速度的 提高有利于成型效率的提高。
2 密度梯度零件成型流程及测试方法
在 DiMetal-280 设备中， 通过软件控制可以将 需要成型的零件分成若干区域， 把整个待扫描区域 分割成许多的扫描区域 (如图 1 中不同颜色标记)， 形成一种梯度结构；将零件的每个部分作为一个区，
每一区域的工艺参数可以设置不同。 某些零件通过
合理的分解 （比如密度大小） 可以划分几层进行加
度梯度功能材料[1]。 1996 年，Tu 等[4]对制备 Al-Cu 体 系密度梯度材料进行了报道， 但是 Al 与 Cu 极易形 成多种化合物，致使材料中间过渡层较脆，而且体系 的密度变化局限于中低密度范围。 张守阳等[5]研究了 C/C 复合材料的导热系数与密度间的关系，并对比了 密度均匀材料与密度梯度材料的导热系数和力学性 能，从理论上探索 C/C 密度梯度材料的应用前景。 张 联盟等[6-8]使用 Fe-Al 烧结助剂，在 1473K 的热压烧结 条件下成功制备出了整体致密、密度沿厚度方向呈特 定分布的 W-Mo-Ti 体系密度梯度飞片材料。
收 稿 日 期 ：2010-08-03 基 金 项 目 ：广 东 省 教 育 部 产 学 研 结 合 项 目 （2007A090302004） 作者简介：罗子艺（1986- ），男，福建永定人，硕士研究生，研究方向：
激 光 加 工 及 先 进 材 料 成 型 技 术 ；电 话 ：15813377627； E-mail：losizy@yahoo.com.cn 通 讯 作 者 ：杨 永 强 （1961- ），男 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，主 要 从 事 激 光 加 工研究；E-mail: meyqyang@scut.edu.cn
工， 这为制造密度梯度零件提供了技术基础。
DiMetal-280 设 备 中 激 光 功 率 可 调 范 围 0～200 W，
扫描速度可调范围 0～7000 mm/s。 图 2 描述了密度
梯度零件的制造过程。
零件三维模 型的建立
根据成型零件要求， 将不同密度区域标出
采用专门软 件进行选区
成型密度 梯度零件
致密度
1.00
0.99
0.98
0.97
0.96
0.95
100
300
500
700
900
扫描速度 / (mm·s-1)
图 3 扫描速度与致密度的关系 Fig.3 The relationship between scanning speed
and relative density
196
Hot Working Technology 2011, Vol.40, No. 1
《热加工工艺》 2011 年第 40 卷第 1 期
195
金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding
2011 年 1 月
密度的部分结合在一起 。 [9-10] 目前国际上所开展的功 能梯度材料激光快速成形方面研究大部分针对的是 涂层材料的制备， 对制备块体功能梯度材料及零件 的研究还进行得较少[11]。 SLM 技术中具有选区成型 的功能，即将一个零件拆分成若干部分进行成型，每 部分的成型参数可以变化， 这为密度梯度零件的制 造提供了条件。 而且在 SLM 技术中，采用分区扫描 的方式可以减小成型件的翘曲变形； 同时密度较低 的区域材料收缩较小，翘曲变形较小，可获得较好质 量的 表面[12]，而 且 可 以 为 零 件 提 供 残 余 应 力 释 放 的 空间。 本文通过 SLM 技术，探讨了采用 SLM 技术 制造密度梯度零件的基础工艺。
上半月出版
1.00
Casting·Forging·Welding 金属铸锻焊技术
0.95
致密度
0.90
0.85 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0
75 100 125 150 175 200
激光功率 /W
图 4 激光功率与致密度的关系 Fig.4 The relationship between laser power
and relative density
选择工 艺参数
采用软件进行分层 及扫描路径规划
图 2 密度梯度零件成型流程 Fig.2 Forming flow path of density gradient parts
试样的实际密度 p 用排水法测定， 分析天平的 称量精度为 10-4g。 其计算式为
p=Wair × PH2O /（Wair-WH2O） 式中：WH2O 为试样在水中的重 力；Wair 为试样在 空气 中的重力；PH2O 为水的密度。
摘 要： 为了快速制造密度梯度零件，在快速成型设备 DiMetal-280 上进行了选区激光熔化(SLM)成 型 工 艺 研 究 ， 分析了工艺参数与致密度之间的关系。 采用 316L 不锈钢粉末，制造了密度从 6.73 g/cm3 到 7.78 g/cm3、致密度从 83.09% 到 96.05%水平方向变化的零件，以及密度从 7.04 g/cm3 到 7.55 g/cm3、致密度从 93.21%到 86.91%厚度方向变化的零件；
实 验 材 料 采 用 -500 目 水 雾 化 316L 不 锈 钢 粉 末， 其化学成分 （质量分数，%） 为：0.035C， 0.9Si， 0.42Mn， 0.029P，032S，11.19Ni，16.7Cr，2.02Mo。 采 用 A3 钢加工成 100 mm × 100 mm × 10 mm 的方块作 为基板，采用氮气作为保护气体。
Key words： rapid prototyping; selective laser melting (SLM); density gradient parts; relative density
密度梯度零件是指在零件的某个方向上具有两 种或多种不同密度连续变化或阶梯变化的零件。 密 度梯度材料的应用领域主要有宇航工业、 生物医学 工 程 、电 子 工 程 、光 学 工 程 、化 学 工 程 等 [1]。
DOI:10.14158/j.cnki.1001-3814.2011.01.057 上半月出版
● 快速成形技术 ●
Casting·Forging·Welding 金属铸锻焊技术
密度梯度零件选区激光熔化制造基础工艺研究
罗子艺， 杨永强， 卢建斌， 王 迪 （华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）
目前制造密度梯度零件的主要方法有粉末冶金 法、等离子喷涂法、气相沉积法、激光融覆法、离心铸 造法等，但这些技术在制造复杂密度梯度零件、控制 密度分布等方面有着欠缺。 本文将近年来逐渐成熟 的 一 种 制 造 技 术 — — — 选 区 激 光 熔 化 (SLM) 技 术 应 用 于密度梯度零件的制造。 SLM 技术可制造出内部结 构任意复杂的零件， 且能通过调节工艺参数将不同
将零件沿梯度方向抛光后在显微镜下观察。结果表明，零件在梯度方向随着密度的梯度变化，孔隙量也呈现相应的梯度
变化。 本文采用的 SLM 技术在密度梯度零件制造中具有很大的潜力。
关键词： 快速成型；选区激光熔化；密度梯度；致密度
中 图 分 类 号 ：TG665；TN249
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-3814(2011)01-0195-04
Preliminary Study on Preparation of Density Gradient Parts Using Selective Laser Melting
LUO Ziyi, YANG Yongqiang, LU Jianbin, WANG Di
(School of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)
1 实验设备及材料
SLM 采用了快速成型技术的基本原理， 根据零
件的三维模型，采用分层制造的方法逐层堆积成型零
件。 实验设备选用华南理工大学自行设计研制的第二
代选区激光熔化快速成型设备 DiMetal-280。 系统使
用波长 1090nm 的 SPI200W 掺镱双包层连续式光纤
激光器；光束质量因子 M2≤1.2，经 f-θ 透镜，可在成型
相 对 密 度 采 用 p 相 对 = （p/p0） ×100% 计 算 ，p0 (8.1g/cm3)为 不 锈 钢 的 理 论 密 度 。
3 结果与分析
3.1 工艺参数对致密度的影响 在 SLM 成型零件过程中，内部致密度是金属零
件直接成型研究最为关心的问题， 成型过程中产生 的孔隙率大小决定了零件的力学性能高低。 密度梯 度零件是由几种不同密度的部分组成的， 通过规划 不同的成型工艺可得到不同的致密度； 在众多影响 致密度的参 数中，激光功 率(P)、扫描速度(v)的影响 最为明显。如图 3、4 所示，在不同的扫描速度及激光 功率下可以获得不同的密度。在成熟的工艺条件下， 工艺参数能够跟零件致密度相互对应， 可以根据选
Abstract： For the rapid manufacture of density gradient parts, the experiment of selective laser melting (SLM) process was carried out on Dimetal-280 system, the relationship between the density and the process parameter was analyzed. The parts with the density of 6.73 g/cm3 to 7.78 g/cm3 and the relative density of 83.09%～96.05% in the level direction and with the density of 7.04 g/cm3 to 7.55 g/cm3 and the relative density of 93.21% ～86.91% in the thickness direction were formed using 316L stainless steel powder. The parts were observed by microscope after polished along the gradient direction. The results show that pore volume of the parts presents gradient variation according to the gradient variation of their density. The SLM technique has a great potential in manufacturing density gradient parts.
平面上聚焦成 30～50μm 的光斑，并拥有高密封度的
成型室。 图 1 为 DiMetal-280 系统示意图。
扫描振镜
激光束
零件
粉末 铺粉辊
光纤激光
计算机 控制系统
图 1 Dimetal-280 选区激光熔化原理图 Fig.1 Schematics of Dimetal-280 SLM system
区区域密度的大小选择合适的工艺参数， 进行密度 梯度可控零件制造。
在扫描间距不变的情况下，激光功率、扫描速度 的大小决定了能量输入的大小， 继而决定了粉末熔 化的程度。 SLM 采用的粉末具有一定的松散度，在 固态堆积未压实时，密度一般只有全密度的 40%～ 70%， 而在 Dimetal280 成型的 SLM 制件的致密 度 一般可达到 90%以上， 这就势必造成制件的收缩 ； 成型零件致密度越大，材料收缩越大，其翘曲变形越 严重。 若合适地降低激光功率或提高扫描速度则可 以减弱收缩[10]。 在某些零件成型时，可以将其分区成 若干部分， 在强度要求较高部分采用高致密成型工 艺，而其余部分则可以低致密成型。同时扫描速度的 提高有利于成型效率的提高。
2 密度梯度零件成型流程及测试方法
在 DiMetal-280 设备中， 通过软件控制可以将 需要成型的零件分成若干区域， 把整个待扫描区域 分割成许多的扫描区域 (如图 1 中不同颜色标记)， 形成一种梯度结构；将零件的每个部分作为一个区，
每一区域的工艺参数可以设置不同。 某些零件通过
合理的分解 （比如密度大小） 可以划分几层进行加
度梯度功能材料[1]。 1996 年，Tu 等[4]对制备 Al-Cu 体 系密度梯度材料进行了报道， 但是 Al 与 Cu 极易形 成多种化合物，致使材料中间过渡层较脆，而且体系 的密度变化局限于中低密度范围。 张守阳等[5]研究了 C/C 复合材料的导热系数与密度间的关系，并对比了 密度均匀材料与密度梯度材料的导热系数和力学性 能，从理论上探索 C/C 密度梯度材料的应用前景。 张 联盟等[6-8]使用 Fe-Al 烧结助剂，在 1473K 的热压烧结 条件下成功制备出了整体致密、密度沿厚度方向呈特 定分布的 W-Mo-Ti 体系密度梯度飞片材料。
收 稿 日 期 ：2010-08-03 基 金 项 目 ：广 东 省 教 育 部 产 学 研 结 合 项 目 （2007A090302004） 作者简介：罗子艺（1986- ），男，福建永定人，硕士研究生，研究方向：
激 光 加 工 及 先 进 材 料 成 型 技 术 ；电 话 ：15813377627； E-mail：losizy@yahoo.com.cn 通 讯 作 者 ：杨 永 强 （1961- ），男 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，主 要 从 事 激 光 加 工研究；E-mail: meyqyang@scut.edu.cn
工， 这为制造密度梯度零件提供了技术基础。
DiMetal-280 设 备 中 激 光 功 率 可 调 范 围 0～200 W，
扫描速度可调范围 0～7000 mm/s。 图 2 描述了密度
梯度零件的制造过程。
零件三维模 型的建立
根据成型零件要求， 将不同密度区域标出
采用专门软 件进行选区
成型密度 梯度零件
致密度
1.00
0.99
0.98
0.97
0.96
0.95
100
300
500
700
900
扫描速度 / (mm·s-1)
图 3 扫描速度与致密度的关系 Fig.3 The relationship between scanning speed
and relative density
196
Hot Working Technology 2011, Vol.40, No. 1
《热加工工艺》 2011 年第 40 卷第 1 期
195
金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding
2011 年 1 月
密度的部分结合在一起 。 [9-10] 目前国际上所开展的功 能梯度材料激光快速成形方面研究大部分针对的是 涂层材料的制备， 对制备块体功能梯度材料及零件 的研究还进行得较少[11]。 SLM 技术中具有选区成型 的功能，即将一个零件拆分成若干部分进行成型，每 部分的成型参数可以变化， 这为密度梯度零件的制 造提供了条件。 而且在 SLM 技术中，采用分区扫描 的方式可以减小成型件的翘曲变形； 同时密度较低 的区域材料收缩较小，翘曲变形较小，可获得较好质 量的 表面[12]，而 且 可 以 为 零 件 提 供 残 余 应 力 释 放 的 空间。 本文通过 SLM 技术，探讨了采用 SLM 技术 制造密度梯度零件的基础工艺。
上半月出版
1.00
Casting·Forging·Welding 金属铸锻焊技术
0.95
致密度
0.90
0.85 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0
75 100 125 150 175 200
激光功率 /W
图 4 激光功率与致密度的关系 Fig.4 The relationship between laser power
and relative density
选择工 艺参数
采用软件进行分层 及扫描路径规划
图 2 密度梯度零件成型流程 Fig.2 Forming flow path of density gradient parts
试样的实际密度 p 用排水法测定， 分析天平的 称量精度为 10-4g。 其计算式为
p=Wair × PH2O /（Wair-WH2O） 式中：WH2O 为试样在水中的重 力；Wair 为试样在 空气 中的重力；PH2O 为水的密度。
摘 要： 为了快速制造密度梯度零件，在快速成型设备 DiMetal-280 上进行了选区激光熔化(SLM)成 型 工 艺 研 究 ， 分析了工艺参数与致密度之间的关系。 采用 316L 不锈钢粉末，制造了密度从 6.73 g/cm3 到 7.78 g/cm3、致密度从 83.09% 到 96.05%水平方向变化的零件，以及密度从 7.04 g/cm3 到 7.55 g/cm3、致密度从 93.21%到 86.91%厚度方向变化的零件；
实 验 材 料 采 用 -500 目 水 雾 化 316L 不 锈 钢 粉 末， 其化学成分 （质量分数，%） 为：0.035C， 0.9Si， 0.42Mn， 0.029P，032S，11.19Ni，16.7Cr，2.02Mo。 采 用 A3 钢加工成 100 mm × 100 mm × 10 mm 的方块作 为基板，采用氮气作为保护气体。
Key words： rapid prototyping; selective laser melting (SLM); density gradient parts; relative density
密度梯度零件是指在零件的某个方向上具有两 种或多种不同密度连续变化或阶梯变化的零件。 密 度梯度材料的应用领域主要有宇航工业、 生物医学 工 程 、电 子 工 程 、光 学 工 程 、化 学 工 程 等 [1]。
DOI:10.14158/j.cnki.1001-3814.2011.01.057 上半月出版
● 快速成形技术 ●
Casting·Forging·Welding 金属铸锻焊技术
密度梯度零件选区激光熔化制造基础工艺研究
罗子艺， 杨永强， 卢建斌， 王 迪 （华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）
目前制造密度梯度零件的主要方法有粉末冶金 法、等离子喷涂法、气相沉积法、激光融覆法、离心铸 造法等，但这些技术在制造复杂密度梯度零件、控制 密度分布等方面有着欠缺。 本文将近年来逐渐成熟 的 一 种 制 造 技 术 — — — 选 区 激 光 熔 化 (SLM) 技 术 应 用 于密度梯度零件的制造。 SLM 技术可制造出内部结 构任意复杂的零件， 且能通过调节工艺参数将不同
将零件沿梯度方向抛光后在显微镜下观察。结果表明，零件在梯度方向随着密度的梯度变化，孔隙量也呈现相应的梯度
变化。 本文采用的 SLM 技术在密度梯度零件制造中具有很大的潜力。
关键词： 快速成型；选区激光熔化；密度梯度；致密度
中 图 分 类 号 ：TG665；TN249
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-3814(2011)01-0195-04
Preliminary Study on Preparation of Density Gradient Parts Using Selective Laser Melting
LUO Ziyi, YANG Yongqiang, LU Jianbin, WANG Di
(School of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)
1 实验设备及材料
SLM 采用了快速成型技术的基本原理， 根据零
件的三维模型，采用分层制造的方法逐层堆积成型零
件。 实验设备选用华南理工大学自行设计研制的第二
代选区激光熔化快速成型设备 DiMetal-280。 系统使
用波长 1090nm 的 SPI200W 掺镱双包层连续式光纤
激光器；光束质量因子 M2≤1.2，经 f-θ 透镜，可在成型
相 对 密 度 采 用 p 相 对 = （p/p0） ×100% 计 算 ，p0 (8.1g/cm3)为 不 锈 钢 的 理 论 密 度 。
3 结果与分析
3.1 工艺参数对致密度的影响 在 SLM 成型零件过程中，内部致密度是金属零
件直接成型研究最为关心的问题， 成型过程中产生 的孔隙率大小决定了零件的力学性能高低。 密度梯 度零件是由几种不同密度的部分组成的， 通过规划 不同的成型工艺可得到不同的致密度； 在众多影响 致密度的参 数中，激光功 率(P)、扫描速度(v)的影响 最为明显。如图 3、4 所示，在不同的扫描速度及激光 功率下可以获得不同的密度。在成熟的工艺条件下， 工艺参数能够跟零件致密度相互对应， 可以根据选