张杰，杨高林，徐侠，姚建华，Volodymyr Kovalenko

激光表面改性技术

铺粉厚度对选区激光熔化316L沉积层致密度与表面形貌的影响

张杰1a,1b,1c，杨高林1a,1b,1c，徐侠2，姚建华1a,1b,1c，Volodymyr Kovalenko3

（1.浙江工业大学 a.激光先进制造研究院 b.机械工程学院 c.高端激光制造装备省部共建协同创新中心，杭州 310023；2.奔腾激光（温州）有限公司，浙江 温州 325000；3.乌克兰国立科技大学激光技术研究所，乌克兰 基辅 03056）

为了解决选区激光熔化增材再制造时出现的首层铺粉粉层厚度不均的问题，研究首层粉层厚度为400 μm时选区激光熔化成形工艺。采用倾斜基板预置楔形粉层，在粉层上进行不同激光功率的激光扫描实验，研究楔形粉层对沉积的影响规律。然后在水平放置的基板上分别预置50、100、200、300、400 μm厚度粉层，在粉层上进行激光扫描实验，研究粉层厚度对沉积的影响规律。最后做首层400 μm层厚，后续5层每层50 μm的多层沉积实验，研究厚粉层对后续SLM成形的影响规律。在倾斜上表面采用选区激光熔化技术进行修复，铺粉厚度的增加会导致沉积层致密度变差且表面起伏增大。通过提高激光能量密度的方式，采用300 W、800 mm/s的工艺参数在400 μm大层厚下激光扫描，可改善沉积层与基板的结合情况并减小沉积层上表面的起伏轮廓，同时该参数也能在小层厚时得到致密的沉积层。在首层400 μm层厚的基础上进行SLM成形时，需用首层沉积的工艺沉积5层作为过渡区，后续可按正常的SLM成形工艺进行沉积。用SLM技术进行零件修复时，虽然首层会出现厚度不均的楔形粉层。当粉层最厚区域不超过400 μm时，需提高激光功率密度进行沉积。在高功率密度参数下沉积5层后可以采用正常SLM工艺进行后续成形。

选区激光熔化；修复；沉积层；致密度；表面形貌

激光增材制造技术已广泛应用于航空零部件制造，同轴送粉激光定向能量沉积技术不仅应用于航空零部件的整体成形，还应用于零部件的表面修复，而选区激光熔化技术主要应用于零部件的整体成形[1-3]。基于激光熔覆成形和激光快速成形[4-5]的激光增材再制造技术，具有修复层冶金结合强度、界面结合强度远高于镀膜和喷涂以及热输入量小于电弧堆焊的优势，可满足高强度零部件的再制造需求，是先进制造技术的重要前沿发展方向[6-8]。目前，大部分的激光修复基于同轴送粉或者侧向送粉激光熔覆技术[9-12]，而选区激光熔化技术（SLM）具有较高的成形精度特点[13-14]，却较少采用选区激光熔化技术进行零件的修复。有学者提出可以用选区激光熔化技术进行零件或牙齿的修复，打印出成形件进行使用[15-16]。少量学者对SLM进行修复过程中的结合情况进行探究，发现SLM修复与激光熔覆修复相比可减小修复后的加工余量[17]。郑军[18]通过采用激光重熔的方式可改善修复结合区的冶金结合质量，从而提高结合强度。祝彬彬等[19]研究得出拼接件的极限拉伸强度和延展性要优于完全SLM制造的零件，且经过热处理后试件的拉伸性能得到了较大提高。

由于将待修复零件夹具装夹于成形腔内，不能保证待修复面与铺粉平面完全水平，SLM修复由于需要考虑基体的状态，首层铺粉的不同区域有着不同的粉厚，这将对修复层结合产生影响，修复层与母材的界面结合以及修复层的表面质量是评价修复层质量的关键指标。目前，针对SLM不同铺粉厚度对成形区质量的研究主要集中在激光增材制造领域，王朋等[20]通过调整SLM激光工艺，探究150 μm大层厚成形件的致密度及力学性能，得出在高功率激光下成形大层厚试件亦可获得高致密度，且在高功率下成形大层厚试件成形效果更佳。闫岸如等[21]探究了选区激光熔化不同铺粉层厚对成形试样力学性能的影响，得出随着铺粉层厚的增加，拉伸强度、屈服强度、断裂伸长率下降。

与激光增材制造中不同粉厚的研究略有区别，文中所要研究的是激光增材再制造过程中基板倾斜所带来的铺粉厚度不均对熔覆层的影响。目前，国内外针对倾斜面的修复均采用送粉式激光熔覆[22-24]，对SLM倾斜成形尚未有文献报道。对于SLM倾斜基体成形，铺粉厚度是对其成形工艺造成差异的最为关键的因素，探究铺粉厚度对熔覆层结合及起伏规律，有助于进行持续的多层铺粉成形，从而进一步推进选区激光熔化技术在零件修复领域的应用。

1 实验

1.1 材料

实验所用基板为316L基板，所用粉末为气雾化316L球形粉末，粒径为15～50 μm，316L不锈钢是奥氏体不锈钢，在工业领域和医疗领域有广泛应用，其元素含量分布如表1所示。

表1 316L不锈钢粉末成分

Tab.1 Powder composition of 316L stainless steel wt.%

1.2 方法

实验使用SLM Solutons 280打印设备，使用的基板尺寸为90 mm×60 mm。第1组实验为基板倾斜实验，用铺粉器在基板上铺设粉末，于是出现如图1a所示的铺粉厚度由上至下逐渐增加，在粉床上进行扫描速度为800 mm/s，激光功率分别为200 W和300 W的扫描修复，实验结果如图1b所示，对不同粉厚处的熔覆层进行金相分析。第2组实验为不同粉厚的实验，通过精准测量，进行50、100、200、300、400 μm不同层厚的铺粉，在基板表面的粉层上进行不同激光功率、不同扫描速度的激光实验。设计激光修复成形工艺参数如表2所示，激光结果如图2所示，在不同铺粉层厚处制取沉积层金相，在每个试样的金相图中，以基板表面为基准，分别测量10个熔高值和10个熔深值，对测量结果做出箱线图，得出各参数下熔高、熔深的平均高度及波动起伏程度，使用基恩士激光共聚焦显微镜测试不同层厚下铺粉修复上表面轮廓数据，通过分析软件得到表面粗糙度。第3组实验为多层铺粉成形实验，在第1层铺粉修复后，继续下降平台进行铺粉扫描，平台每次下降50 μm，设计5层铺粉成形实验，进行常规参数、大能量密度参数、重熔扫描参数及渐变参数的多层铺粉成形区实验，其中常规参数为200 W、800 mm/s，大能量密度参数为300 W、800 mm/s，重熔扫描参数为300 W、800 mm/s的参数扫描2次，渐变参数为300 W至200 W的逐渐递减。使用基恩士激光共聚焦显微镜测试逐层铺粉扫描后的上表面三维轮廓及表面粗糙度。第4组实验为多层铺粉成形实验后转换常规参数继续进行铺粉成形扫描，然后与常规200 W、800 mm/s下的成形区进行金相对比。

表2 激光工艺参数

Tab.2 Laser process parameters

图1 基板倾斜激光成形工艺参数布局图

图2 不同层厚铺粉成形实验

2 结果与讨论

2.1 倾斜基板修复沉积层结合问题

通过设计倾斜基板，模拟了零件修复时出现的首层铺粉厚度变化情况，在不同粉厚处进行金相分析，如图3所示。图3a—c为激光功率为200 W、扫描速度为800 mm/s工艺参数下获得的沉积层金相，图3d—f为激光功率为300 W、扫描速度为800 mm/s工艺参数下获得的沉积层金相。在选区激光熔化100 μm层厚下，200 W、800 mm/s扫描得到较好的结合区且结合线平缓，当层厚增大到400 μm时，已无法得到熔合完整的沉积层，铺粉层厚严重影响了沉积层的成形。当工艺参数为激光功率为300 W、扫描速度为800 mm/s时，在400 μm层厚处沉积层结合问题得到改善，如图3f所示，说明通过提高激光能量密度的方式可以改善铺粉厚度变大所带来的熔合不良问题，于是分别在不同铺粉层厚下进行不同激光工艺参数的单层激光扫描实验，探究不同层厚所带来的沉积层的结合问题。

图3 不同功率、不同层厚的沉积层结合金相

2.2 不同层厚下沉积层结合与表面起伏

不同铺粉厚度下进行不同激光工艺参数扫描后的沉积层表现出高度、深度的差异，如图4所示，分别为100 µm和400 µm层厚下的沉积层金相，可看出粉层厚度明显影响沉积层高度、沉积层深度及其起伏波动，400 µm层厚下出现了明显的沉积层结合不良现象。

图4 200 W、800 mm/s下成形沉积层金相

图5为不同铺粉厚度下进行不同激光工艺参数扫描后的沉积层高度箱线图，由图5a可看出，在200 W的激光功率下沉积层高度随着铺粉层厚的增加而增加，相同层厚下沉积层高度随着扫描速度的减小而增大。对比图5b可看出，在300 W的功率下，随着铺粉层厚的增加，沉积层高度出现更大幅度的增加。同时，随着铺粉层厚的增加，沉积层表面起伏变大，同时观察到在同一铺粉层厚下，随着扫描速度的提高，沉积层表面起伏也出现一定程度的增加。

由于粉末热传导较小，较多激光能量被粉末所吸收，在金属蒸气反冲压力、Marangoni效应和熔池热效应的作用下，部分粉末以飞溅的形式流失[25]。散装粉末层中存在大量空气，并且当金属粉末受到激光束照射时，它们往往会以气泡的形式被捕集。在低层厚下，激光束对底层的穿透也更大，使大部分能量熔化基板并形成较大的熔池，并且低层厚下的粉末飞溅较小，从而沉积层高度与粉层厚度大致对应。然而，粉层厚度的增加，会使粉末飞溅量增加，伴随着混沌运动和熔池的不稳定性，较厚的散粉中存在大量的空气，从而引起较高的飞溅[26]，因此所得沉积层的高度与铺粉厚度并不完全对应。

图5 不同扫描速度、不同层厚的沉积层高度箱线图

图6为不同铺粉厚度下进行不同激光工艺参数扫描后的沉积层深度箱线图。由图6a可看出，在200 W的激光功率下，扫描速度为900 mm/s时，200 μm及以上的层厚已不能形成沉积层。在层厚为50 μm的常规厚度下，随着扫描速度的提高，熔深呈规律性减小；在层厚为100 μm和200 μm时，随着扫描速度的增加，沉积层深度大体上保持不变；在层厚为300 μm时，随着扫描速度的增加，沉积层深度出现了一定程度的减小，在200 W、800 mm/s、300 μm参数下所形成的沉积层深度值明显小于200 W、800 mm/s、200 μm参数下的深度；400 μm层厚的铺粉，已不能形成良好的沉积层。

图6b为300 W激光功率下沉积层深度的箱线图，相对于图6a，300 W功率下的整体沉积层深度明显高于200 W。当层厚为400 μm时，较大的层厚使其沉积层深度明显小于其他层厚下的深度。从图6b可看出，在同样的激光工艺参数下，沉积层深度趋势大体是随着层厚的增加而减小，因为层厚的增加导致能够到达基板形成熔池的激光能量相应减少。层厚为 400 μm时，800 mm/s的扫描速度所形成的深度与600 mm/s和700 mm/s速度下形成的深度大致相当，且其熔池波动也略小于600 mm/s参数下的波动。当层厚为400 μm时，粉末热传导率较小，因其较大的层厚使粉末很容易产生气化与飞溅，再加上相对较大的激光扫描速度，使熔池不稳定，最终导致了熔池的波动起伏较大，并且由于其波动较大，导致不同扫描速度时的深度并未出现明显的变化。

熔池是影响沉积层质量的重要影响因素，因为在该区域内发生了熔融金属的流动和扩散。在激光辐照期间形成的熔池面积相对大于激光束的光斑尺寸，熔池的大小随着激光功率的增加而增加，而随着扫描速度的增加而减小。随着层厚的增加，飞溅会更加明显，熔池运动更加混乱和不稳定，并且不能与基体良好润湿。当层厚过大时，熔融金属将不会浸湿到基材表面，从而没有熔池产生[26]。

图6 不同扫描速度、不同层厚的沉积层深度箱线图

2.3 沉积层上表面形貌

图7为不同铺粉层厚下沉积层表面三维轮廓图，图7a、c、e为200 W功率时不同铺粉层厚下的沉积层上表面，图7b、d、f为300 W功率时不同铺粉层厚下的沉积层上表面，铺粉层厚由上至下依次增加，可明显观察到随着层厚的增加，沉积层表面起伏逐渐增大。对照左右图起伏状况，功率提高所带来的更多能量输入使单位面积的球化数量减少[27]，使相同铺粉层厚下的沉积层表面起伏减小。

图7 不同层厚沉积层上表面轮廓图

图8为不同层厚下沉积层表面粗糙度值，可以看出其整体趋势变化，在任一激光工艺参数下，其粗糙度会随着铺粉层厚的增加而增大。在层厚为50 µm和100 µm等较小层厚时，激光工艺的改变并未使沉积层表面粗糙度产生很大的变化；但随着铺粉层厚的增加，不同的能量输入使表面粗糙度产生明显的差距，在扫描速度相同的条件下，300 W的表面粗糙度明显小于200 W的粗糙度；同理，其他参数保持不变，随着扫描速度的提高，粗糙度值整体呈增大的趋势。

图8 沉积层上表面粗糙度值

激光选区扫描过程中，粉末最先被激光辐照，且粉层厚度过大使熔融金属将不会浸湿到基材表面，粉末形成的熔滴很容易气化飞溅或者在粉床上球化，使上表面起伏轮廓较大。所以在铺粉层厚较大时，层厚是影响表面粗糙度的重要影响因素，出现了如图8所示的结果。在层厚较小时，粉末熔化所形成的熔滴可以很快浸湿到基材中，此时激光功率、扫描速度主要以改变激光能量密度的形式影响熔池流动、温度梯度及冷却速率，从而影响表面粗糙度的改变，但小层厚下的表面粗糙度变化幅度相对较小。

2.4 多层铺粉修复表面形貌及粗糙度

多层铺粉修复实验中，在第1层铺粉后进行激光扫描，会留下波动起伏较大的沉积层上表面，在此基础上进行常规参数200 W、800 mm/s持续铺粉扫描修复。图9展示出随着持续的多层铺粉修复，从第1—5层上表面起伏程度逐渐减小。

在400 μm层厚铺粉后进行激光扫描，大量粉末会气化或飞溅，结合前文实验结果图5b中沉积层高度箱线图可知，沉积层高度值在60～140 μm内波动。平台下降50 μm进行第2次铺粉时，所铺覆的粉层厚度在300 μm左右，所以激光扫描后得到如图9b所示的轮廓起伏依然较大的成形结果，由于其粉层厚度小于第1层的400 μm层厚，其表面轮廓质量略好于第1层。按照同样的原理进行多层铺粉成形打印，由于实际铺粉层厚的逐层减小，逐层修复上表面三维轮廓质量逐渐好转。

图9 常规参数下逐层修复上表面三维轮廓

图10为不同激光工艺参数下逐层铺粉修复的上表面粗糙度变化趋势，200 W下的表面粗糙度明显高于其他参数下的粗糙度，由于其能量密度较低，粉末不能进入熔池充分熔化。300 W大能量密度参数由于其功率始终高于常规参数200 W的激光功率，所以其表面粗糙度在每一层都要低于200 W常规参数下的表面粗糙度。其中重熔参数下的表面粗糙度最小且每层大致相同，因为每次铺粉后的2次激光扫描中，其第2次扫描就起到基体重熔的作用，所以其表面粗糙度最小且保持不变。其次是渐进参数的表面粗糙度，随着逐层铺粉，其铺粉层厚逐渐减小，所以即使激光功率逐层递减，较小的粉厚使其上表面粗糙度具有逐层减小的趋势，但因为其功率始终低于300 W，所以其表面粗糙度在每一层都要高于300 W大能量密度参数下的表面粗糙度。

图10 逐层铺粉扫描表面粗糙度变化趋势

图11为不同参数下多层修复的成形区金相，图11a显示在常规参数下，由于第1层铺粉扫描后，上表面起伏较大，常规参数的能量密度相对较小，从而内部出现结合不良的情况；图11b为大能量密度参数功率为300 W、扫描速度为800 mm/s下得到的无空隙致密成形区；图11c中试样是以较大能量密度的激光工艺参数在单次扫描结束后进行再次扫描重熔所得，可发现较为致密的成形区且上表面起伏波动较小；图11d采用激光功率逐渐减小的过渡方式，顶部起伏波动略高于图11b中300 W功率下的成形区，但此处也较为致密无空隙出现。对比图11a—d可知，常规参数无法得到无缺陷的成形区，而通过提高能量密度的方式，可以得到无缺陷成形区。

在多层铺粉成形实验后使用常规参数继续铺粉成形扫描，金相如图12a所示，上部3层为常规参数下的成形实验，与下部高能量密度参数成形区进行对比，其熔池深宽比明显减小。虽切换常规参数，依然得到良好的结合，实现了向常规参数成形的切换。图12b为常规SLM成形区，对比图12a与图12b，从金相冶金结合方面观察，二者已无明显差异。通过提高激光能量密度的方式实现了选区激光熔化技术在修复领域的应用。

图11 不同参数下的多层修复成形区金相

图12 不同成形策略下的选区激光熔化成形区金相

3 结论

1）在多层铺粉成形打印中，由于第1层粉厚较大，随着持续的铺粉扫描，不同参数下的激光扫描都呈现出沉积层表面起伏逐层平缓的趋势。200 W常规参数下的表面粗糙度明显高于其他参数，其次是渐变参数的表面粗糙度，其中重熔参数下的表面粗糙度最低且每层大致相同。

2）对多层铺粉沉积层金相分析发现，常规参数修复会出现部分空隙，300 W功率下由于较高的能量输入获得了致密的结合区，采用大能量密度参数向常规能量密度参数过渡的方式，可实现选区激光熔化技术在零件修复领域的应用。

3）在待修复件表面铺粉不均的情况下，通过对工艺参数进行探索，发现大能量密度参数可以实现单层厚度不大于400 μm的选区激光熔化成形，成形区域无孔隙且表面起伏不大，并且该激光工艺参数在粉层厚度较薄处依然适用。

[1] 郭双全, 罗奎林, 刘瑞, 等. 3D打印技术在航空发动机维修中的应用[J]. 航空制造技术, 2015, 58(S1): 18-19.

GUO Shuang-quan, LUO Kui-lin, LIU Rui, et al. Applic­ation of 3D Printing Technology in Aeroengine Maintai­nance[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2015, 58(S1): 18-19.

[2] 郑金辉, 门正兴, 孟毅, 等. 航空发动机小型超薄叶片激光选区熔化成形质量分析[J]. 应用激光, 2020, 40(4): 605-609.

ZHENG Jin-hui, MEN Zheng-xing, MENG Yi, et al. For­ming Quality Analysis of Small Blades for Aeroengines by Selective Laser Melting[J]. Applied Laser, 2020, 40(4): 605-609.

[3] TAO Pan, LI Huai-xue, HUANG Bai-ying, et al. Tensile Behavior of Ti-6Al-4V Alloy Fabricated by Selective Laser Melting: Effects of Microstructures and As-Built Surface Quality[J]. China Foundry, 2018, 15(4): 243-252.

[4] 林鑫, 黄卫东. 高性能金属构件的激光增材制造[J]. 中国科学: 信息科学, 2015, 45(9): 1111-1126.

LIN Xin, HUANG Wei-dong. Laser Additive Manufac­turing of High-Performance Metal Components[J]. Scie­ntia Sinica: Informationis, 2015, 45(9): 1111-1126.

[5] SIDDIQUI A A, DUBEY A K. Recent Trends in Laser Cladding and Surface Alloying[J]. Optics & Laser Techn­ology, 2021, 134: 106619.

[6] 姚喆赫, 姚建华, 向巧. 激光再制造技术与应用发展研究[J]. 中国工程科学, 2020, 22(3): 63-70.

YAO Zhe-he, YAO Jian-hua, XIANG Qiao. Development of Laser Remanufacturing Technology and Application[J]. Strategic Study of CAE, 2020, 22(3): 63-70.

[7] 徐进, 阳义. 水轮机过流部件现场激光熔覆修复和表面强化涂层应用研究[J]. 大电机技术, 2020(6): 55-61.

XU Jin, YANG Yi. The Application Research of Field Laser Cladding Repair and Surface Strengthening Coating in the Flow Passage Parts of Hydraulic Turbine[J]. Large Electric Machine and Hydraulic Turbine, 2020(6): 55-61.

[8] 李秋歌, 林鑫, 王杏华, 等. 激光增材修复K465高温合金裂纹控制研究[J]. 稀有金属材料与工程, 2017, 46(4): 955-960.

LI Qiu-ge, LIN Xin, WANG Xing-hua, et al. Research on the Cracking Control of Laser Additive Repaired K465 Superalloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2017, 46(4): 955-960.

[9] SONG Li-jun, ZENG Guang-cheng, XIAO Hui, et al. Repair of 304 Stainless Steel by Laser Cladding with 316L Stainless Steel Powders Followed by Laser Surface Alloying with WC Powders[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2016, 24: 116-124.

[10] HU Yong, WANG Liang, YAO Jian-hua, et al. Effects of Electromagnetic Compound Field on the Escape Behavior of Pores in Molten Pool during Laser Cladding[J]. Surface and Coatings Technology, 2020, 383: 125198.

[11] 张群莉, 李栋, 张杰, 等. 预制坡口角度对激光增材再制造IN718合金组织与性能的影响[J]. 表面技术, 2019, 48(5): 90-96.

ZHANG Qun-li, LI Dong, ZHANG Jie, et al. Influence of Pre-Fabricated Groove Angle on Microstructure and Pro­perties of Laser Additive Remanufactured IN718 Alloy[J]. Surface Technology, 2019, 48(5): 90-96.

[12] 余敏, 张鸿羽, 曹开, 等. 激光熔覆在高速列车上的应用研究现状[J]. 表面技术, 2020, 49(10): 12-20.

YU Min, ZHANG Hong-yu, CAO Kai, et al. Application Status of Laser Cladding in High-Speed Trains[J]. Surface Technology, 2020, 49(10): 12-20.

[13] 杨雄文, 杨永强, 刘洋, 等. 激光选区熔化成型典型几何特征尺寸精度研究[J]. 中国激光, 2015, 42(3): 0303004.

YANG Xiong-wen, YANG Yong-qiang, LIU Yang, et al. Study on Dimensional Accuracy of Typical Geometric Features Manufactured by Selective Laser Melting[J]. Chinese Journal of Lasers, 2015, 42(3): 0303004.

[14] 陈帅, 刘建光, 王卫东, 等. 激光选区熔化成形薄壁件研究进展[J]. 精密成形工程, 2020, 12(5): 122-131.

CHEN Shuai, LIU Jian-guang, WANG Wei-dong, et al. Research Progress in Thin-Walled Parts Formed by Selective Laser Melting[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2020, 12(5): 122-131.

[15] 许建波, 张庆茂, 郭亮, 等. 口腔修复中选区激光熔化工艺及性能研究[J]. 应用激光, 2017, 37(1): 42-50.

XU Jian-bo, ZHANG Qing-mao, GUO Liang, et al. The Study of Technology and Properties of Selective Laser Melting in Prosthodontics[J]. Applied Laser, 2017, 37(1): 42-50.

[16] BUICAN G R, OANCEA G, MANOLESCU A. Rema­nufacturing of Damaged Parts Using Selective Laser Mel­ting Technology[J]. Applied Mechanics and Materials, 2014, 693: 285-290.

[17] SMELOV V G, SOTOV A V, AGAPOVICHEV A V. Research on the Possibility of Restoring Blades while Repairing Gas Turbine Engines Parts by Selective Laser Melting[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2016, 140: 012019.

[18] 郑军. 基于选区激光熔化的拼接复合成形基础工艺研究[D]. 杭州: 浙江工业大学, 2016: 58-59.

ZHENG Jun. Studies on Splicing Composite Forming Process of Selective Laser Melting[D]. Hangzhou: Zheji­ang University of Technology, 2016: 58-59.

[19] 祝彬彬, 巴劲伟, 郑军, 等. 选区激光熔化拼接复合成型基础工艺研究[J]. 应用激光, 2016, 36(6): 663-669.

ZHU Bin-bin, BA Jin-wei, ZHENG Jun, et al. Study on Splicing Composite Forming Foundation Process of Sele­ctive Laser Melting[J]. Applied Laser, 2016, 36(6): 663- 669.

[20] 王朋, 石文天, 刘玉德, 等. 选区激光熔化316L不锈钢大层厚成形质量研究[J]. 特种铸造及有色合金, 2019, 39(5): 501-505.

WANG Peng, SHI Wen-tian, LIU Yu-de, et al. Forming Quality of High Layer Thickness of 316L Stainless Steel by Selective Laser Melting[J]. Special Casting & Nonfe­rrous Alloys, 2019, 39(5): 501-505.

[21] 闫岸如, 杨恬恬, 王燕灵, 等. 选区激光熔化不同层厚镍的热特性与机械性能[J]. 中国激光, 2016, 43(2): 0203004.

YAN An-ru, YANG Tian-tian, WANG Yan-ling, et al. The­­rmal Properties and Mechanical Properties of Selec­tive Laser Melting Different Layer Thicknesses of Ni Powder[J]. Chinese Journal of Lasers, 2016, 43(2): 0203004.

[22] HAO Jing-bin, MENG Qing-dong, LI Cong-cong, et al. Effects of Tilt Angle between Laser Nozzle and Substrate on Bead Morphology in Multi-Axis Laser Cladding[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2019, 43: 311-322.

[23] 尹一君, 杨伟, 刘建永, 等. 基体倾斜和熔覆头偏转对激光熔覆层形貌与粉末利用率影响的研究[J]. 应用激光, 2020, 40(5): 800-805.

YIN Yi-jun, YANG Wei, LIU Jian-yong, et al. The Effects of Substrate Tilt and Coaxial Nozzle Deflection on Laser Cladding Morphology and Powder Utilization Rate[J]. Applied Laser, 2020, 40(5): 800-805.

[24] LI Xiang-bo, LI Tao, SHI Bo-wen, et al. The Influence of Substrate Tilt Angle on the Morphology of Laser Clad­ding Layer[J]. Surface and Coatings Technology, 2020, 391: 125706.

[25] WANG Di, WU Shi-biao, FU Fan, et al. Mechanisms and Characteristics of Spatter Generation in SLM Processing and Its Effect on the Properties[J]. Materials & Design, 2017, 117: 121-130.

[26] ALKAHARI M R, FURUMOTO T, UEDA T, et al. Melt Pool and Single Track Formation in Selective Laser Sintering/Selective Laser Melting[J]. Advanced Materials Research, 2014, 933: 196-201.

[27] 冯一琦, 谢国印, 张璧, 等. 激光功率与底面状态对选区激光熔化球化的影响[J]. 航空学报, 2019, 40(12): 423089.

FENG Yi-qi, XIE Guo-yin, ZHANG Bi, et al. Influence of Laser Power and Surface Condition on Balling Behavior in Selective Laser Melting[J]. Acta Aeronautica et Astron­autica Sinica, 2019, 40(12): 423089.

The Influence of Powder Coating Thickness on the Density and Surface Morphology of 316L Deposited Layer by Selective Laser Melting

1a,1b,1c,1a,1b,1c,2,1a,1b,1c,3

(1. a. Institute of Laser Advanced Manufacturing, b. College of Mechanical Engineering, c. Collaborative Innovation Center of High-End Laser Manufacturing Equipment, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China; 2. Penta Laser (Wenzhou) Co., Ltd., Wenzhou 325000, China;3. Laser Technology Research Institute, National Technical University of Ukraine, Kiev 03056, Ukraine)

The work aims to study a selective laser melting forming process when the thickness of the first powder layer is 400 μm to solve the uneven thickness of the first powder layer during selective laser melting in additive remanufacturing. The wedge-shaped powder layer was preset on the inclined substrate, and laser scanning experiments with different laser powers were performed on the powder layer to study the effect of the wedge-shaped powder layer on the deposition. Then, powder layers of 50, 100, 200, 300, and 400 μm were preset on the horizontally placed substrates. Laser scanning experiments were performed on the powder layer to study the effects of the thickness of the powder layer on the deposition. Finally, a multi-layer deposition experiment with the first layer of 400 μm thick and the subsequent 5 layers of 50 μm each was done to study the effect of the thick powder layer on the subsequent SLM forming. Selective laser melting technology was used to repair the inclined upper surface. The increase in the thickness of the powder would cause the density of the deposited layer to become worse and the surface fluctuations increase. By increasing the laser energy density, using 300 W, 800 mm/s process parameters and laser scanning at a large layer thickness of 400 μm, the combination of the deposited layer and the substrate can be improved and the undulating contour of the upper surface of the deposited layer can be reduced. This parameter can also get a dense deposition layer when the layer thickness was small. When performing SLM scanning on the basis of the first layer with a thickness of 400 μm, the first layer deposition process should be used to deposit 5 layers as a transition zone, and the subsequent deposition can be carried out according to the normal SLM forming process. When repairing parts with SLM technology, a wedge-shaped powder layer with uneven thickness will appear on the first layer. When the thickest area of the powder layer does not exceed 400 μm, the laser power density needs to be increased for deposition. After 5 layers are deposited under high power density parameters, the normal SLM process can be used for subsequent forming.

selected laser melting; repair; deposited layer; density; surface morphology

2021-03-18；

2021-05-09

ZHANG Jie (1994—), Male, Postgraduate, Research focus: laser advanced manufacturing.

杨高林（1980—），男，博士，讲师，主要研究方向为激光增材制造。

YANG Gao-lin (1980—), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: laser additive manufacturing.

张杰, 杨高林, 徐侠, 等.铺粉厚度对选区激光熔化316L沉积层致密度与表面形貌的影响[J]. 表面技术, 2022, 51(3): 286-295.

TN249

A

1001-3660(2022)03-0286-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.031

2021-03-18；

2021-05-09

国家重点研发计划（2017YFB1103600）；国家自然科学基金（52035014）；浙江省基础公益研究计划（LGG22E050036）

Fund：The National Key Research and Development Plan (2017YFB1103600); the National Natural Science Foundation of China (52035014); the Basic Public Welfare Research Project of Zhejiang Province (LGG22E050036)

张杰（1994—），男，硕士研究生，主要研究方向为选区激光熔化。

ZHANG Jie, YANG Gao-lin, XU Xia, et al. The Influence of Powder Coating Thickness on the Density and Surface Morphology of 316L Deposited Layer by Selective Laser Melting[J]. Surface Technology, 2022, 51(3): 286-295.