0 前言

金属增材制造技术具有成形接近任意复杂结构的能力，是一种设计制造一体化的变革性技术^[1-2]。选择性激光熔化成形（Selective laser melting，SLM） 技术是近年来发展迅速的金属零部件精密增材制造技术^[3]。它使用高功率密度激光器选择性地熔化金属粉末，直接获得高性能金属零件，并实现复杂金属零件的近净成形^[4]。这种加工方法特别适用于制造具有复杂精细结构的金属零件，在航空航天、生物医学等领域受到了广泛关注^[5-6]。

表面粗糙度和磨损性能是衡量机械零件性能的重要指标^[7]。为了改善 SLM 成形零件的表面质量和磨损性能，不少学者进行了深入研究。WANG 等^[8] 研究了激光能量密度对 A1Si₁₀Mg 样品表面粗糙度的影响，发现随着激光能量密度的增加，孔隙率和表面粗糙度显著降低，而表面粗糙度缓慢增加。 KROL 等^[9]研究了激光功率、扫描速度、曝光时间和扫描间隔等工艺参数对 SLM 形成的 Ti6Al4V 合金零件顶部和侧面粗糙度的影响，还研究了倾斜角对表面粗糙度和顶部表面与侧面粗糙度之间差异的影响。刘睿诚等^[10]通过 SLM 制造 316L 不锈钢零件，指出焊缝宽度、扫描间距和层厚是影响成形零件表面粗糙度的主要因素。FOX 等^[11]研究了不同工艺参数对悬浮结构表面粗糙度的影响，指出使用表面粗糙度参数 Rpc、Rms 和 Rc 可以表征表面部分熔化粉末与重熔轨迹之间的偏移关系。KHAIRALLAH等^[12] 研究了 316L 不锈钢 SLM 增材过程中熔体流动和飞溅颗粒的形成机理，指出在激光扫描过程中，当反冲力克服熔体表面张力引起的压缩效应时，会出现凹陷和飞溅颗粒。侯文达等^[13]以 316L 不锈钢为材料，深入研究了激光输出功率对选区激光熔化成形表面粗糙度的影响。YAN 等^[14]通过利用 SLM 制备 Ti-6A1-4V 合金表面形成致密的氧化涂层，并考察了干滑动摩擦下的摩擦学性能。王建刚^[15]对 A356铝合金进行激光处理后，发现晶粒尺寸明显细化，硬度、耐磨性和耐腐蚀性都有所提升。覃佩婷^[16]以电子束熔融成型、SLM 成型制备的 TC4 钦合金和锻造 TC4 钦合金为研究对象，采用环-块干摩擦磨损试验，研究其摩擦磨损性能和摩擦磨损机制。 BARTOLOMEU 等^[17]将传统工艺热压及铸造技术制备的 TC4 试样与 SLM 技术打印试样的耐磨性做了对比性分析，认为激光打印试样的金相结构中具有较硬的组织，有效地改善了其抵抗磨损的能力。

由以上分析可以看出，当前对 SLM 增材制造构件的表面质量和摩擦磨损性能研究主要集中于 SLM 工艺参数（如激光功率、扫描速度等、扫描间隔）的改变对表面质量和磨损产生的影响，而很少关注激光重熔对表面质量和磨损性能的影响。

激光重熔技术是利用激光器发射出的高能激光粒子束对所需加工材料进行重复加工^[18]。激光重熔对表面质量的改变有显著作用^[19-20]。BOSCHETTO 等^[21]通过在打印成形过程中进行表面激光重熔来降低表面粗糙度，发现重熔策略影响零件的上表面形貌及表面粗糙度，对成形时间的增加影响很小，并且零件本身的填充部分性能保持不变。QIU 等^[22] 采用不同激光功率和扫描策略进行激光重熔新构建的一层，重熔之后试样表面变得更加光滑，最上层内部的孔隙可以完全消除。DEMIR 等^[23]试验发现重熔策略在提高零件密度和降低零件粗糙度方面是有效的，能够有效防止成形过程中气孔的形成。但是激光重熔次数对表面质量及摩擦磨损性能的改变机理及影响还未见相关报道；同时，越多的重熔次数也标志着越长的加工时长和越多加工能耗，所以也并不是越多的重熔次数越好。在表面粗糙度和摩擦磨损性能综合衡量下，确定合适的重熔次数变得十分有必要。

本文基于 SLM 技术制备了多组 316L 样件，在样件制备过程中分组进行了 0、1、2、3 次激光重熔，对不同激光重熔次数下的样件表面利用三维轮廓扫描仪、扫描电子显微镜等进行了表征，利用高速往复摩擦磨损试验机对样件进行了摩擦磨损试验，利用电子分析天平测定了磨损前后的质量。对表征和磨损性能进行了分析，分析了重熔次数对表面质量和摩擦磨损的影响机理，提出了经济重熔次数概念，确定了 1、2、3 次重熔对表面粗糙度和摩擦磨损性能综合改变率，确定了经济重熔次数为 2；根据研究成果，给出了经济重熔次数的应用实例，展望了经济重熔次数的应用前景。

1 样件制备及测试方法

1.1 总体流程

首先，建立样件三维数字化模型。然后，使用切片软件进行切片处理。接下来，将切片文件导入 SLM 增材制造设备进行打印。打印过程可分为对刀、洗气、打印和后处理。打印完成后，关闭打印机，等待设备成形室冷却至室温，氧气含量恢复正常，然后取出带有样件的基板。将基板送至金属电火花线切割机进行切割。切割后，将样件和基板分离（切割之前对样件按照切片时的序号进行标记）。样件切割下来之后，收集样件并进行超声波清洗，以去除粘附的粉末。然后，将所有样件送往测试设备进行测试。测试分为表面粗糙度测试、表面形貌测试和摩擦磨损测试。分析测试结果，探索重熔次数对表面质量和磨损性能的影响机理。所提出的总体流程如图1 所示。

1.2 增材制造设备、材料、加工参数及后处理

1.2.1 增材制造设备、材料、加工参数

制备样件使用的 SLM 成形设备是西安铂力特增材技术股份有限公司生产的 S210 金属打印机。该金属打印机主机包括最大功率为 500 W 的光纤激光器、自动铺粉系统、氩气循环系统和计算机控制系统。保护气体为氩气。在制造开始之前，成型室预先填充氩气，将 O₂ 含量控制在 0.03%以下，用于降低 316L 不锈钢在成型过程中的氧化程度。

试验粉末材料为西安铂力特增材技术股份有限公司生产的 316L 不锈钢粉末。粉末参数如表1 所示。

每个加工样件是一个 30 mm×10 mm×5 mm 的长方体。三维模型是在三维建模软件 Creo 5.0 中建立的，然后将其保存为 stl 格式，并导入切片软件 Magics 21.0。根据需要数量导入 15 个（编号为 1～15）。根据图2 所示的编号和布局位置，在切片软件中设置样件加工位置。

采用增材制造工艺制作试验样件。工艺参数也为西安铂力特增材技术股份有限公司提供的工艺参数 SLM-S210-316L-020-BP3.1-V1.0SLM。1～3 号样件正常打印（0 次重熔），4～6 号样件在正常打印结束后，在其表面进行一次重熔，7～9 号样件表面进行二次重熔，10～12 号样件表面进行三次重熔。由于样件 13～15 与 1～12 高度不一致，将影响 1～12 表面的重熔，于是在 13～15 打印了 30 层（0.6 mm） 后取消了 13～15 的打印。

在完成切片、对刀和气体清洗（让设备中充满氩气，将氧气含量降至 0.03%以下）后，打开打印模式，设备用于样件生产。在整个增材制造过程完成后，关闭设备。等待设备基板自然冷却至室温，设备成型舱室中的氧含量自然恢复至正常。然后打开舱门，取出带有加工样件的基板。

1.2.2 后处理

（1）切割样品。首先，按照 1～12 的顺序标记样件。然后将标记好的基板及其样件带到线切割机进行切割处理，将样件切割下来。线切割机采用的是苏州新火花机床有限公司生产的 DK-M中走丝线切割机床。

（2）清洁样件。为了去除可能吸附在样件表面的漂浮粉末，清洁切割下来的样件（1～12 号样件共有 12 个，其他 13～15 号样件先前已取消打印）。清洗过程是将样件放入含有无水乙醇的烧杯中，然后将烧杯放入超声波清洗机中 30 min。超声波清洗机是昆山市超声仪器有限公司生产的 KQ-500E 超声波清洗机。

1.3 表面粗糙度及形貌测试

（1）测量表面质量。使用共焦三维轮廊测量仪对 12 个样件的外观和三维形态进行全方位扫描。然后，使用分析软件提取扫描的数据，获得三维轮廓、平面度、表面粗糙度、高差和接缝宽度等数据。为了避免边界对结果的影响，测量时选择每个样件表面的中间部位。在测量时，仪器的扫描范围设置为 5 mm × 15 mm；扫描速度设置为 13.5 mm / s，扫描间隔设置为 0.02 mm。测量仪器为思显光电技术（上海）有限公司生产的 SM-5000 共焦三维轮廊测量仪。

（2）表面粗糙度值的评定。表面粗糙度会影响零件的不同触觉、外观和感觉，也会影响零件与其他物体接触时的磨损量或紧密度。根据增材制造零件的实际应用要求，本文选择了对零件的粗糙度评定、疲劳寿命和摩擦阻力影响较大的 Sz、Sv、Sq、 Sa 进行测量，可以由式（1）来表示：

式（1）中，Sa 是算术平均高度，用于表示每个点相对于表面平均表面的高度差绝对值的平均值，使用表面上的所有凹凸进行计算，通常用于评估表面粗糙度；Sv 是最大谷深，用于表示定义区域内最低点高度的绝对值，该值影响零件的疲劳寿命； Sp 是最大峰值高度，表示定义区域中最高点的高度；Sz 是最大高度，定义区域内的最大峰高和最大谷深之和，影响零件与其他物体相互作用时的摩擦力；Sq 是高度的标准偏差；$Z（x，y）$是测量区域中点（x，y）的测量凹凸高度值；A 是测量区域。

（3）测量样品形貌。样品形貌采用扫描电子显微镜（SEM）测量。对每一个样件进行逐一扫描测量。扫描电子显微镜采用日立公司生产的 Hitach SU1510。扫描电子显微镜测量时的参数根据样品厚度操作时适时调整，扫描电压为 15.0～20.0 kV，扫描距离 12.2～20.4 mm。

1.4 摩擦磨损测试

在 HSR-2M 型高速往复摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验，本次摩擦磨损试验采取的摩擦形式为高速往复式摩擦。上摩擦副采用直径为 4 mm 的 Al₂O₃ 陶瓷球，陶瓷球硬度为 91HRA，下摩擦副为待测试样。试验中工作载荷为 1 N，摩擦试验时间 5 min，往复长度 5 mm，运行速度 500 t / m，采样频率 1 Hz。与设备相连的计算机自动记录摩擦因数曲线及相关数据。HSR-2M 型高速往复摩擦磨损试验机采用的是兰州中科凯华科技开发有限公司生产的。

在试样磨损试验前、后都经过超声波清洗30 min，清洗后在烘干箱中烘干。烘干后分别用电子分析天平记录试样摩擦磨损前、后的质量。电子分析天平采用的是赛多利斯科学仪器（北京）有限公司生产的。

2 结果与讨论

2.1 增材制造结果和表面测试结果

样件 SLM 增材制造过程和结果如图3 所示。

样件增材制造过程完成后，等待基板冷却至室温，成型室中的氧气含量逐渐恢复至正常，然后打开设备成型室舱门，取出基板，将基板拿到线切割设备上切割，将样件切割下来。切割过程及结果如图4 所示。

在超声波清洗和吹风干燥后，对样件进行逐一测量表面轮廓和表面粗糙度。三维轮廓仪的表面轮廓、表面粗糙度测量过程和测量结果如图5 所示（图中以 11 号样件上表面的测量过程和结果为例）。

其他样件表面粗糙度测量结果见表2。

2.2 重熔次数对表面质量的影响分析

根据表2，对同一重熔次数下的三个样件测量数值取平均值，可得样件表面粗糙度与重熔次数关系如图6 所示。

由图6 中可以看出，样件表面粗糙度 Sv、Sz 数值比 Sq、Sa 大一个数量级。表面粗糙度 Sa、Sq、 Sv、Sz 均随重熔次数的增加，逐渐降低。3 次重熔后，Sa、Sq、Sv、Sz 较 0 次重熔（正常打印），数值分别从 8.437、11.88、82.68、252.2 μm 降低到了 6.18、 7.735、37.597、104.36 μm；分别降低 26.75%、 34.89%、54.53%、58.62%。但是不同重熔次数改变的表面粗糙度值降低的幅度不同。

扫描电镜结果如图7 所示。由图7 可知，由于 SLM 激光选区增材制造粉末熔融逐层累加的特点，正常打印结束后制件表面（如图7a、7b 所示）存在许多突出的球形颗粒（图中椭圆标出部分）和很深的激光熔接痕（图中矩形标出部分）；在 1 次重熔后 （如图7c、7d 所示），突出的球形颗粒大幅减少，且球形颗粒基本融陷，不再具备完整的球形，激光熔接痕变浅；在 2 次重熔后（如图7e、7f 所示），球形颗粒继续变少，很多融陷，只剩小小的一点，激光熔接痕继续变细变浅；在 3 次重熔后（如图7g、 7h 所示），突出的球形颗粒基本消失不见，激光熔接痕继续变浅，几乎与周围区域保持一致。可以发现，多次重熔能够降低表面粗糙度，是因为每次重熔会使表面吸附的粉末颗粒及熔接痕进一步融化融陷，直至消失，相邻熔道搭接处的“峰谷”现象得到抑制，孔隙和球化等缺陷逐渐被修复，表面变得更加平整。但是，重熔次数越多，时间成本、能量消耗成本就会越高，在实际生产过程中并不是重熔次数越多越好。因此，在保证表面质量提升的前提下选择合适的重熔次数是必要的。

2.3 重熔次数对摩擦磨损性能影响分析

摩擦磨损试验机记录的摩擦阻力数据，如图8 所示（受图幅所限，随机选取了不同重熔次数组别中具有代表性的样件，图中给出了 1、5、8、11 号样件摩擦因数变化情况）。

图8 中，1、5、8、11 样件分别是重熔次数 0 （正常打印）、1、2、3 次的典型代表。全部样件摩擦因数变化都遵从逐步波动增大，然后在较大值附近平稳波动的整体变化情况。随着重熔次数的增加，摩擦阻力逐步增加至较大值的时间越来越短，这与重熔次数提升了零件表面质量，减少了“球形颗粒” 有关，表面球形颗粒越少，摩擦副与较大平整、洁净面接触得越多，摩擦阻力越大。重熔次数大于 2 后，样件瞬时最大摩擦因数在磨损试验的后半段出现了大于 1 的情况，这是由于多次重熔后，样件表面非常洁净，导致摩擦副接触非常紧密，在发生明显滑动之前出现“接点增长”，接点面积不断增大，致使摩擦力超过正压力，摩擦因数大于 1。

对每个样件磨损前后进行 30 min 超声清洗，清洗后烘干，利用电子天平测出每个样件磨损前后质量，计算每个样件质量磨损量，并对同一重熔次数下的样件质量磨损量取平均值。同时，对每个样件的摩擦因数数据求平均值，然后根据重熔次数组别求平均值，得到质量磨损量、平均摩擦因数与重熔次数的关系如图9 所示。

由图9 可以看出，质量磨损量随重熔次数的增加逐步降低，平均摩擦因数呈现出了随重熔次数的增加逐步增加的现象。这种现象还是与重熔次数的增多导致样件表面“球形颗粒”逐步消失、熔道搭接处的“峰谷”变小有关，“球形颗粒”逐步消失和 “峰谷”变小导致摩擦时磨损掉的质量变小了；随着磨损的深入，摩擦因数越来越大，导致平均摩擦因数越来越大。第 3 次重熔平均摩擦因数稍低于第 2 次重熔摩擦因数，这与在实际测量过程中摩擦因数的波动有关。

2.4 经济重熔次数的确定

随着重熔次数的增加，样件表面质量和耐磨性能都得到了改善。但是越多的重熔次数也标志着越长的加工时长和越多的加工能耗，而且本文所述的 0 次重熔（正常加工）已经是增材制造设备及工艺厂商优化后的加工工艺参数，能满足一般的增材制造加工与生产。因此，并不是越多的重熔次数越好。在表面粗糙度和摩擦磨损性能综合衡量下，确定合适的重熔次数变得十分必要。

定义第 n 次重熔对表面粗糙度的改变率如式（2）所示：

式中，η_n 为第 n 次重熔对粗糙度降低的改变率；n 为大于等于 1 的正整数；$s_{jn}$第 n 次重熔后表面粗糙度 $s_j$的值（μm）；j 为需要考虑的表面粗糙度类型的代称，如本文考虑的表面粗糙度参数为 Sa、Sq、Sv、 Sz；ω_j 为对应表面粗糙度类型$s_j$的权重。

同理，定义第 n 次重熔对质量磨损量的改变率如式（3）所示：

式中，λ_n 为第 n 次重熔对质量磨损量降低的改变率； Δm_n 为第 n 次重熔后的磨损质量。

考虑重熔次数对表面粗糙度和摩擦磨损性能的综合影响，从加工经济性出发，定义对表面粗糙度和摩擦磨损性能提升改变率最大的重熔次数为经济重熔次数。定义考虑重熔次数对表面粗糙度和摩擦磨损性能综合改变率如式（4）所示：

式中，${\zeta }_n$为第 n 次重熔对表面粗糙度和摩擦磨损性能综合改变率；ω_λ为综合考虑时磨损改变率权重； ω_η 为综合考虑时表面粗糙度改变率权重；${\omega }_{\lambda }+{\omega }_{\eta }=1$。

本文均衡考虑表面粗糙度类型，赋予权重 ${\omega }_a={\omega }_q={\omega }_v={\omega }_z=0.25$；同时对表面粗糙度改变率和磨损改变率也均衡考虑，取${\omega }_{\lambda }={\omega }_{\eta }=0.5$。再将表2 和图9 中相应数值依次代入式（2）～（4）中，得ζ₁ =26.61%，ζ₂ =43.60%，ζ₃ =23.68%。当ζ_n 最大时，认为此时的 n 为经济重熔次数，因此上述经济重熔次数为 2 次。

依据式（4）得到综合考虑表面粗糙度和磨损性能下的 SLM 增材制造经济重熔次数 2 次，也就是说如果要追求 SLM 增材制造的表面质量及耐磨性能，可以在零件加工完成后，继续对零件表面进行 2 次不铺粉的激光扫描，这样对表面粗糙度值（Sa、Sq、 Sv、Sz）和耐磨性能的综合改进最为有效。同时，使用 SLM 增材制造加工某个零件时，如果需要追求零件当前层更小的加工粗糙度并提高耐磨性，可以在当前层设置 2 次激光重熔；如果需要追求零件整体加工粗糙度和耐磨性能，还可以逐层进行 2 次重熔。

本文在处理各方面权重时，都是均衡分配权重，将各参数的权重假定为相等。如果将表面粗糙度不同类型权重、磨损改变率权重及表面粗糙度改变率权重改变，则经济重熔次数也许也会改变。不同权重对经济重熔次数确定的影响将在下一步进行深入研究。

2.5 经济重熔次数的应用实例

由以上研究结果，重熔次数对选择性激光熔化表面质量及耐磨性能的提升，很好地契合了现代矿山机械对运转部件的使用要求。现代矿山机械特别是深井煤矿巷道掘进机及运输机，对零部件耐磨性能提出了很高的要求。本文研究内容为矿山机械零部件表面质量及耐磨性能的提升提供了新思路。同时，所述重熔次数对表面质量及耐磨性能的影响，在机械加工领域的主要应用场合有机械零件表面处理、机械零件内部组织强化，可用于改善增材制造零件的力学性能、冶金性能、物理性能，从而提高零件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能。可用于合金材料（如铜合金、Al-17Si 合金、镍基合金等） 综合性能的开发、耐磨件（如刮板机链环、掘进机截齿）的性能提升等。

在综采产量不断提高的背景下，刮板输送机趋于大功率、大运距、大运量及高可靠性^[25]。由于综采工作面上空间狭窄，工作环境复杂，刮板输送机的负载变化又具有随机性，很容易造成刮板输送机运行电流过大、停机率高等问题。链环是刮板输送机的重要工作部件之一。链环运动过程中与中部槽和物料之间的摩擦磨损严重，出现卡链时，链环瞬时载荷急剧增大，亟需磨损性能好、能承担较大载荷的链环^[26]。

本文的相关研究成果为增材制造刮板机链环表面质量和磨损性能的提升提供了思路。在增材制造刮板链环时，采用逐层重熔且重熔 2 次来进行，得到性能较好的刮板链环如图10 所示。

3 结论

采用 SLM 增材制造设备制备 0、1、2、3 次激光重熔次数下的 316L 样件，对样件进行表面表征和摩擦磨损性能试验，对试验过程中所出现的现象进行了分析。

（1）SLM 增材制造样件表面粗糙度随重熔次数的增加而逐渐减小，平均摩擦因数随重熔次数的增加逐渐增大，质量磨损量随重熔次数的增加逐步减小。造成上述变化的原因是，每次重熔会使样件表面吸附的粉末颗粒及熔接痕进一步融化融陷，直至消失，相邻熔道搭接处的“峰谷”现象得到抑制，孔隙和球化等缺陷逐渐被修复，表面变得更加平整。

（2）不同重熔次数对表面粗糙度和磨损改变的程度不同，提出了经济重熔次数概念，确定了经济重熔次数为 2。

（3）经济重熔次数不仅可以应用于 SLM 增材制造样件表面处理，也可以用于 SLM 增材制造样件逐层累积的全过程；在矿山机械及其他有表面质量和耐磨性能提升需求的其他机械领域都有广阔的应用前景；相关概念还可以拓展到其他制造形式。

参考文献