史玉升,李瑞迪,章文獻(xiàn),劉錦輝,2

(1.華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室,湖北武漢 430074;2.黑龍江科技學(xué)院現(xiàn)代制造工程中心,黑龍江哈爾濱 150027)

金屬粉末的激光快速成形是快速制造復(fù)雜金屬零件/模具的首選工藝,目前主要有以下3種工藝:①基于選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering,SLS)的間接方法;②直接金屬粉末激光燒結(jié)(Direct Metal Laser Sintering,DM LS);③金屬粉末激光熔覆成形(Laser Cladding Fabrication,LCF)。第一種方法采用添加高分子粘接劑的金屬粉末間接成形,具有前期投入少和激光功率低的優(yōu)點,但后處理工藝復(fù)雜,制造周期長,成本高,制件的精度難以控制;第二種方法采用二元金屬粉末直接成形,比第一種方法前進(jìn)了一步,但制件的致密度不高,仍需后處理;第三種方法可采用單一金屬粉末直接成形,制件的致密度可達(dá)100%,但激光器的功率高,價格昂貴,激光光斑直徑大,主要采用波長為10.6μm、光的模式為多模的大功率CO2激光器,難以成形復(fù)雜精細(xì)零部件。在快速制造高密度、高形狀復(fù)雜度、高精度金屬零件的需求下,產(chǎn)生了選擇性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技術(shù),它采用光的模式好、波長短(1.06μm)、技術(shù)先進(jìn)的光纖激光器,光斑聚焦可達(dá)30μm左右,因而功率密度高、熱影響區(qū)小,能將金屬粉末熔化,制作出密度達(dá)到100%、精度達(dá)0.1 mm的各種復(fù)雜金屬零件,還可低成本制造采用數(shù)控加工方法難以制造的、具有隨形冷卻流道的精密注塑模和壓鑄模等模具,其制件只需經(jīng)過少量加工,就可達(dá)到很高的精度,無須其他的后處理工藝。

目前,SLM技術(shù)在國外受到高度重視,其中歐洲處于世界領(lǐng)先水平。例如,比利時的魯汶大學(xué)正在進(jìn)行SLM成形材料和工藝方面的研究[1],德國著名的快速成形設(shè)備生產(chǎn)商EOS公司、激光器生產(chǎn)商TRUMPF公司以及Fraunhofer研究所3家聯(lián)合進(jìn)行研究與開發(fā),正準(zhǔn)備將SLM 推向商品化[2],德國的MCP公司于2003年制造出了第一臺SLM樣機(jī)[3],英國利物浦大學(xué)也正在與MCP公司合作研究該技術(shù)[4～6]。在我國,SLM 技術(shù)尚處于試驗研究階段[7～9]。華中科技大學(xué)已于2005年底研發(fā)成功了采用半導(dǎo)體泵浦150W YAG激光器和100W光纖激光器的SLM裝備。

但SLM成形涉及復(fù)雜的物理化學(xué)冶金過程,SLM過程中金屬粉末在快速移動的激光束掃描下,出現(xiàn)迅速熔化與凝固,這個過程只有幾毫秒,導(dǎo)致成形過程產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,使成形件出現(xiàn)翹曲與開裂;同時,金屬粉末的熔化與凝固過程也容易出現(xiàn)球化現(xiàn)象,導(dǎo)致成形表面粗糙且不連續(xù)。這兩個因素最終促使成形的金屬零件內(nèi)部出現(xiàn)孔隙,難以達(dá)到近100%致密。因此,合理控制SLM成形工藝有利于減少金屬件內(nèi)部應(yīng)力集中、改善金屬粉末熔化狀況和促進(jìn)SLM成形件的致密化。為此,本文以不銹鋼粉末為研究對象,主要研究其SLM成形工藝對不銹鋼粉末熔化狀況的影響,旨在摸索出合理的工藝參數(shù),成形出高性能的不銹鋼金屬零部件,同時也為其他金屬粉末的SLM成形奠定基礎(chǔ)。

1 不銹鋼粉末的選擇性激光熔化成形實驗

1.1 不銹鋼粉末

不銹鋼作為一種常用工程材料,廣泛應(yīng)用于金屬零部件制造領(lǐng)域。本實驗分別選用3種不銹鋼粉末來研究其SLM成形工藝(表1)。

表1 SLM成形用粉末材料

1.2 不銹鋼粉末的選擇性激光熔化成形過程

實驗設(shè)備為華中科技大學(xué)研制的HRPM-Ⅱ型SLM快速成形系統(tǒng),主要由光纖激光器、激光光路系統(tǒng)、掃描鏡、工作臺、供粉筒、鋪粉輥和工作缸構(gòu)成。SLM成形時,先在工作臺面上鋪一層粉末材料,然后,激光束在計算機(jī)的控制下,按照截面輪廓的信息,對制件實心部分所在的粉末進(jìn)行掃描,使粉末的溫度超過其熔化點,于是粉末完全熔化,得到這一層輪廓。在非熔化區(qū)的粉末仍呈松散狀,作為制件和下一層粉末的支撐。每層熔化成形后,工作臺下降一定的高度(0.02～0.10mm),再進(jìn)行下一層的鋪料和熔化,如此循環(huán),最終形成三維制件。三維制件完成后,清除其周圍未熔化的粉末,即可得到所需要的零件/模具。

1.3 不銹鋼成形件的檢測

對激光單道掃描線采用光學(xué)顯微鏡觀察。不銹鋼SLM成形件的致密度測試采用排水法測量(測試件表面涂敷密封材料)。不銹鋼SLM成形件鑲嵌成金相試樣,經(jīng)過預(yù)磨與拋光后,使用王水進(jìn)行腐蝕,腐蝕時間約為40 s。表面形貌與內(nèi)部的顯微組織采用Quanta 200(FEI)型環(huán)境掃描電鏡(ESEM)進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 不銹鋼粉末激光單道掃描軌跡研究

不銹鋼粉末的單道掃描可以驗證SLM工藝是否滿足成形的要求,并確定工藝參數(shù)對熔池寬度的影響規(guī)律,驗證不銹鋼粉末的SLM成形特征。

-250目水霧化304L不銹鋼粉末單道掃描軌跡如圖1所示,其特征有連續(xù)直線形、非連續(xù)(斷續(xù))直線形、波紋形。若軌跡呈連續(xù)直線形(圖1b),說明SLM成形過程較為穩(wěn)定;若軌跡呈非(斷續(xù))直線形(圖1f)和波紋形(圖1a),說明SLM成形過程不穩(wěn)定。SLM成形軌跡形貌及表面質(zhì)量(圖1c～圖1e)受不規(guī)則顆粒的影響,這主要是因為液態(tài)金屬表面張力作用吸附其周圍粉末所致;另外,掃描軌跡周圍存在少量金屬球,這主要是因為水霧化制備的粉末氧含量相對較高,增大了液態(tài)金屬的潤濕角,導(dǎo)致產(chǎn)生了金屬球;同時液態(tài)金屬與其周圍存在溫度梯度,產(chǎn)生表面張力梯度及馬蘭各尼(Marangoni)對流,使金屬表面產(chǎn)生波動的幅度較大,導(dǎo)致其不穩(wěn)定。

圖1 在功率98W、不同掃描速度作用下,-250目水霧304 L不銹鋼粉末的單道掃描軌跡

為了尋求成形性較好的不銹鋼粉末,又選擇了-500目水霧化316L不銹鋼粉末進(jìn)行單道掃描成形實驗。316L不銹鋼粉末與304L不銹鋼粉末成分的主要差別在于:316L中含有Mo,而304L中不含Mo。-500目水霧化316L不銹鋼粉末的單道掃描成形軌跡如圖2所示,其特征主要表現(xiàn)為連續(xù)直線形。在較寬的掃描速度范圍內(nèi),水霧化316L不銹鋼粉末的單道掃描成形軌跡表面及其周圍存在球形金屬,這表明成形過程中液態(tài)金屬斷裂成小體積液體,通過減小系統(tǒng)表面自由能而形成金屬球;圓柱狀成形軌跡明顯,較低掃描速度柱狀直徑較大(圖2a、2b),較高掃描速度柱狀直徑較小(圖2c、2d)。

圖2 在功率98W、不同掃描速度作用下,-500目水霧化316L不銹鋼粉末(與表1不一致)的單道掃描軌跡

圖2與圖1的單道掃描成形軌跡表明,-250目304L不銹鋼粉末和-500目316L不銹鋼粉末的成形性都不好,其原因是水霧化制備的粉末的含氧量較高,易在成形過程中球化。為此,又研究了-800目氣霧化316L不銹鋼粉末的單道掃描成形軌跡(圖3),其特征主要是連續(xù)直線形,未出現(xiàn)非連續(xù)(斷續(xù))、直線形、波紋形、球形。其成形軌跡寬度受掃描速度影響規(guī)律為:當(dāng)掃描速度較低時,單道成形軌跡較寬;當(dāng)掃描速度較高時,單道成形軌跡較窄。單道成形軌跡在較寬的掃描速度范圍內(nèi)未出現(xiàn)斷續(xù),表明成形過程穩(wěn)定性好。

圖4為單道掃描成形軌跡與工藝參數(shù)之間的關(guān)系。其變化規(guī)律為:在相同激光功率下,單道掃描成形軌跡寬度隨掃描速度的增加而減小;在相同掃描速度下,較小的激光功率變化對單道掃描成形軌跡寬度的影響不是很明顯。這與-250目304L不銹鋼粉末和-500目316L不銹鋼粉末單道掃描成形軌跡寬度隨掃描速度的變化相似。

2.2 不銹鋼粉末選擇性激光熔化成形件的致密化研究

影響SLM成形件致密度的因素較多(激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉層厚等工藝參數(shù)),可

圖3 在功率98W、不同掃描速度作用下,-800目氣霧化316 L不銹鋼粉末的單道掃描軌跡

圖4 -800目氣霧化316L不銹鋼粉末激光掃描軌跡寬度與激光功率、掃描速度的關(guān)系

將這些因素歸納為一個變量(激光能密度)。激光能密度 Ψ為單位體積的激光能量,單位為J/mm3,其表達(dá)式為[10]:

SLM成形件的致密度是成形軌跡平均致密度的累積,與激光能量密度相關(guān)聯(lián)。SLM 成形件的相對致密度與激光能量密度之間的關(guān)系如圖5所示。對圖5a中的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,可得出-250目水霧化304L不銹鋼粉末SLM成形件的相對致密度與激光能量密度 Ψ滿足式:

-500目水霧化316L不銹鋼粉末SLM成形件的相對致密度與激光能量密度之間的關(guān)系如圖5b所示,對數(shù)據(jù)擬合,可得出SLM 成形件的相對致密度與激光能量密度滿足式:

-800目氣霧化316L不銹鋼粉末SLM成形件的相對致密度與激光能量密度之間的關(guān)系如圖7c所示。同理,對數(shù)據(jù)擬合,可得出SLM成形件的相對致密度與激光能量密度滿足式:

圖5 激光能量密度對SLM成形件致密度的影響

經(jīng)上述分析,表明不銹鋼粉末SLM成形件的致密度隨激光能量增大而提高,且存在一個以能量密度為函數(shù)的致密化方程:該方程表明了SLM成形件的致密度 ρ隨激光能量密度Ψ的變化關(guān)系。其中 ρm為最大致密度,A與K為常數(shù)。

綜上所述,可看出粉末特性對SLM成形件的致密度有較大影響,-800目氣霧化316L不銹鋼粉末較其他兩種粉末具有良好的致密化特性。這是因為,一方面氣霧化制備的粉末具有較低的氧含量,有利于液態(tài)金屬與前一層的潤濕性,不易產(chǎn)生球化現(xiàn)象;另一方面-800目的粉末較-500目與-250目粉末具有較細(xì)的粒徑,有利于提高金屬粉末的松裝密度,從而促進(jìn)SLM 致密化。

2.3 不銹鋼粉末選擇性激光熔化成形件的微觀組織形成研究

圖6 熔化道的形狀與分布情況

圖6反映的是掃描熔化道的縱截面和橫截面的情況。圖6a中的箭頭表示激光光斑的傳熱方向,由于凝固速度的不同而造成了魚鱗狀的界面結(jié)構(gòu),且相互重疊;圖6b則表示熔化道沿激光掃描方向上的分布情況。SLM過程中的加熱過程要比加熱爐中復(fù)雜得多,這是由SLM激光掃描的特點所決定的。在某一時間間隔當(dāng)中,近乎每一個熔化單元在凝固過程中都經(jīng)歷了一個不同的溫度降低的過程。圖7反映了熔化單元的換熱情況原理。從圖7中可看出,被熔化單元吸收的激光能量會沿著3種方式散失。首先,熱量會通過對流的方式向空氣中散發(fā);其次,熱量會通過傳導(dǎo)的方式向熔化單元周圍松散粉末傳遞;第三,熱量向熔化單元焊接的已凝固部分傳遞。通常,不僅已凝固部分的溫度在變化,而且熔化單元上層的由鋪粉輥鋪來的松散粉末的溫度也隨著加熱歷程產(chǎn)生變化。因此,熔化單元由于溫度變化的復(fù)雜凝固過程就是造成其室溫組織復(fù)雜多樣性的原因。處于熔化界面處的溫度梯度最大,原因是這些界面是金屬固相和液相的交界處。因此,處于焊接界面處的組織變化最為劇烈,從圖8所示的顯微照片中可看出,這些區(qū)域存在著幾類不同的組織,這些組織是不均勻,且具有柱狀結(jié)構(gòu)(圖8b)和蜂窩狀結(jié)(圖8c)構(gòu)。從圖8中還可看出,這些組織均非常細(xì)小,這是由于快速凝固的液體金屬在短時間內(nèi)大量形成晶核,具有較大的過冷度,但晶核形成后來不及長大就迅速凝固了,形成了晶粒細(xì)小組織。

圖7 熔化道的凝固傳熱情況

圖8 SLM成形金屬件顯微組織照片

3 結(jié)論

本論文研究了不銹鋼粉末的選擇性激光熔化成形工藝,得出了以下主要結(jié)論。

(1)-500目水霧化316L不銹鋼粉末和-250目水霧化304L不銹鋼粉末的單道掃描線不連續(xù),球化現(xiàn)象嚴(yán)重,其原因是水霧化制備的粉末含氧量較高,成形過程中潤濕性較差。而-800目氣霧316L不銹鋼粉末的單道掃描成形軌跡較為連續(xù),球化減少,顯示出較好的成形性。

(2)高的激光能量密度促進(jìn)SLM成形的致密化,且SLM成形件的致密度與激光能量密度滿足指數(shù)關(guān)系:ρ=ρm-Aexp(-Ψ/K)。與單道掃描實驗類似,氣霧化制備的-800目316L不銹鋼粉末比水霧化粉末在SLM成形時具有較高的致密度。這是因為該種粉末具有較低的氧含量,成形過程中球化減少,同時該種金屬粉末的松裝密度較高,有利于SLM過程的致密化。

(3)顯微照片顯示SLM成形件的微觀組織非常細(xì)小且不均勻的,具有柱狀結(jié)構(gòu)、珠光體形狀和蜂窩狀的結(jié)構(gòu)。熔化界面處的溫度梯度最大,原因是這些界面是金屬固相和液相的交界處,處于焊接界面處的組織變化最為劇烈。

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