張　佳,　劉錦輝,　劉邦濤,　張洪磊

(黑龍江科技大學 現(xiàn)代制造工程中心, 哈爾濱 150022)

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選擇性激光熔化高溫合金粉末成形工藝

張佳,劉錦輝,劉邦濤,張洪磊

(黑龍江科技大學 現(xiàn)代制造工程中心, 哈爾濱 150022)

為研究高溫合金在SLM成形過程中熔池的形貌、熔化成形零件的致密度,通過實驗分析激光功率、掃描速度和掃描間距等對成形過程的影響。實驗結(jié)果表明:激光功率的大小是影響熔池好壞和成形試樣致密度高低的主要因素。通過正交實驗對工藝參數(shù)優(yōu)化,其激光功率為400 W、掃描間距為0.1 mm、掃描速度為700 mm/s時,致密度最大為85.8%。在該組優(yōu)化參數(shù)下成功試制零件。

選擇性激光熔化; 熔池; 致密度; 工藝優(yōu)化

發(fā)展迅速的3D打印技術(shù)正在改變著傳統(tǒng)的加工技術(shù),并且廣泛應用于航空、航天、武器裝備制造等方面,取得了很好的效果。作為3D打印技術(shù)之一的選擇性激光熔化(selective laser melting,SLM) 技術(shù)也取得了較快的發(fā)展。它具有3D打印技術(shù)的一切優(yōu)點,還具備加工金屬材料的獨特優(yōu)勢,可實現(xiàn)金屬零件的快速制造, 能夠獲得致密度近乎100%、機械性能與鍛造工藝相當?shù)牧慵1-4]。

高溫合金是能夠抗機械和化學侵蝕且耐高溫達800 ℃以上的材料,已經(jīng)應用于現(xiàn)代航空發(fā)動機和發(fā)電的渦輪系統(tǒng)中。高溫合金是航空渦輪發(fā)動機的渦輪盤、渦輪、葉片、燃燒室等長時高溫承力部件的關鍵材料[5]。其中,鎳基高溫合金的應用尤為突出。伴隨著工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的進步,一些復雜結(jié)構(gòu)的高溫合金零部件在傳統(tǒng)的加工條件下很難加工出來。因此,結(jié)合3D打印技術(shù),研究激光直接熔化高溫合金粉末成形零件工藝與優(yōu)化。

1　實驗材料及方法

1.1設備與材料

該研究采用華中科技大學研制的HRPM-ⅡB快速成形系統(tǒng),激光器是功率500 W的光纖激光器。掃描方式為振鏡式激光掃描,成形空間最大為250 mm×250 mm×250 mm。

首先,對實驗的工作臺進行調(diào)平處理。工作臺平面與鋪粉平面之間的間隔越小越好,但是不能有明顯的摩擦。工作臺調(diào)平后對實驗設備腔體抽真空處理,然后通入保護氣,達到標準大氣壓即可。

實驗選用的基板材質(zhì)為45鋼, 基板表面用無水乙醇做預處理清洗,保證成形零件的前幾層粉末的熔化不受基板加工時的油污影響。

實驗材料為長沙驊騮公司生產(chǎn)的鎳基高溫合金718牌號粉末如圖1,粉末粒度為44 μm。

圖1　鎳基高溫合金718SEM形貌

1.2實驗方法

對鎳基高溫合金718粉末進行單線熔池實驗,在一定的激光功率下選取不同的掃描速度,激光功率P為200、300、400 W。選擇的一組掃描速度v為500、600、700、800、900 mm/s。觀測熔池在電鏡下的成形形貌,分析其成形的質(zhì)量。

實驗選擇鋪粉厚度統(tǒng)一為0.03 mm,激光掃描方式為逐行掃描。其具體方式如下:即先完成單一方向按照一定掃描間距的掃描,然后再垂直掃描上一次的線,相當于對每一層粉末掃描2次,避免熱應力集中所造成的零件變形。實驗的成形環(huán)境保持一致,先進行抽真空處理,然后通入保護氣,實驗在保護氣的環(huán)境下進行。

使用計算機建立CAD模型,模型尺寸為10 mm×10 mm×15 mm。保存為STL文件,導入SLM系統(tǒng)計算機,測試其致密度。實驗選用三組功率參數(shù),分別為200、300和400 W;掃描速度設置為500、700和900 mm/s;激光掃描間距d分別設置為0.08、0.10和0.12 mm,通過正交實驗優(yōu)化其成形致密度的工藝參數(shù)。

2　結(jié)果與分析

2.1成形熔池

其掃描熔池的形貌圖如圖2所示。對熔池寬度b進行測量,每個熔池取五組數(shù)據(jù),得到平均值bp。熔池寬度數(shù)據(jù)如表1～3所示。

圖2　一定功率下不同掃描速度熔池的形貌

由表1～3可見,在激光功率一定的情況下,隨著激光的掃描速度增加,熔池寬度逐漸變小;掃描速度不變時,隨著激光功率的不斷變大熔池的寬度也逐漸變寬。

表1　激光功率200 W時不同掃描速度熔池的寬度

表2　激光功率300 W時不同掃描速度熔池的寬度

表3　激光功率400 W時不同掃描速度熔池的寬度

由圖2可見，隨著激光功率的增強熔池寬度呈增加趨勢,成形的熔池質(zhì)量也越來越好,熔池寬度均勻,熔池與基板的結(jié)合也越來越密實,成形的熔池球化現(xiàn)象也越來越少。激光功率為400 W時,熔池的表面效果比較好,成形的熔池基本沒有球化現(xiàn)象或者球化顆粒特別微小,熔池的成形寬度比較均勻,沒有孔洞情況的出現(xiàn),因此可以看出激光功率對熔池致密度的影響最大。

同時，在較低的掃描速度下成形的熔池比掃描速度高時好,隨著掃描速度的增加熔池兩側(cè)的球化現(xiàn)象也隨之增加,其熔池寬度也越來越小,熔池的情況也越來越不穩(wěn)定。在900 mm/s的掃描速度下,熔池的寬度較小,部分區(qū)域熔池不均勻,而且有不少球化現(xiàn)象的出現(xiàn)。但是在一定功率下,掃描速度在實驗范圍內(nèi)基本上變化不是很大,基本上出現(xiàn)的情況很相似。

2.2成形致密度

采用正交實驗的方法分析成形零件的致密度。成形零件工藝參數(shù)正交實驗設計與結(jié)果見表4。

表4SLM工藝參數(shù)正交實驗設計與結(jié)果

Table 4Process parameters of SLM orthogonal experimental design and results

由圖3所示可知,在實驗所選參數(shù)范圍內(nèi),隨著激光功率的增強,成形零件的致密度也得到相應的提升,在高激光功率下的零件致密度整體明顯較高,可以看出零件的致密度提升較快,與掃描間距和掃描速度相比,激光功率對致密度的影響最大。這是因為激光對金屬粉末的熔化比較完全。熔化下的金屬液內(nèi)部的氣體在高熱狀態(tài)下容易離開金屬液,進而提高金屬零件的致密度。

圖3　激光功率對致密度影響趨勢

由圖4可知,在該實驗參數(shù)下,可以看出隨著激光的掃描間距加大,零件的致密度有下降的趨勢,下降幅度不大,變化的幅度僅0.05%?？梢?在一定范圍內(nèi)激光的掃描間距是影響致密度的因素,但不是其主要因素。這主要是由于金屬粉末熔化為金屬液后金屬液凝結(jié)較為密實,沒有出現(xiàn)孔洞或者球化的現(xiàn)象,所以對零件致密度影響不大。

圖4　掃描間距對致密度影響趨勢

由圖5可知,激光的掃描速度在選定實驗參數(shù)范圍內(nèi)對致密度的影響不是很大。掃描速度在500和700 mm/s時,成形零件致密度沒有發(fā)生變化;在900 mm/s的掃描速度下零件致密度略有下降,下降的幅度不大。這主要是由于在900 mm/s下熔池的寬度有所降低,熔池搭接率降低,最終對成形零件的致密度有所影響。

圖5　掃描速度對致密度影響趨勢

3　成形零件的制造

由正交實驗結(jié)果可知當激光功率為400 W、 掃描間距為0.1 mm、掃描速度為700 mm/s時,其致密度最大達到85.8%。因此這組實驗參數(shù)是正交實驗的優(yōu)化參數(shù)。依照這組正交實驗優(yōu)化參數(shù)進行薄壁件(圖6a)和小葉輪圖(圖6b)。

圖6　優(yōu)化工藝后制造出的零件

4　結(jié)　論

實驗表明,鎳基高溫合金718在激光功率較低時,大幅度的改變激光的掃描速度對熔池的形成、零件致密度的影響都不是很明顯。在選擇的激光范圍內(nèi),激光功率增加,成形熔池的形貌整體效果都有很大提升。激光功率對單道熔池成形的好壞和成形試樣致密度高低有重要影響。正交實驗的優(yōu)化顯示，在激光功率為400 W、掃描間距為0.1 mm、掃描速度為700 mm/s時,其試樣致密度最大為85.8%。

[1]付立定, 史玉升, 章文獻, 等. 316 L不銹鋼粉末選擇性激光熔化快速成形的工藝研究[J]. 應用激光, 2008, 28(2): 108-111.[2]LU L, FU H, J Y H, et al. In situ formation of TiC composite using selective laser melting [J]. Materials Research Bulletin, 2000, 35(9): 1555-1561.

[3]ABE F, SANTORS E, KITAMURA Y. Influence of forming conditions on the titanium model in rapid protot yping with the selective laser melting process[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Eng ineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2004, 218(7): 711-719.

[4]KRUTH J P, FROYEN L, VAN VAERENBERGH J, et al. Selective laser melting of iron based powder [J]. Journal of Materials processing Technology, 2004, 149(3): 616-622.

[5]王曄. 航空用高溫合金標準的發(fā)展[J]. 航空標準化與質(zhì)量, 2007, 34 (3): 28-34.

(編輯晁曉筠)

Selective laser melting temperature alloy powder forming processes

ZHANGJia,LIUJinhui,LIUBangtao,ZHANGHonglei

(Modern Manufacture Engineering Center, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is driven by the study on the morphology of super alloy pool-forming process in the SLM formation and melting density of molded parts and presents an experimental analysis of influence of laser power, scanning speed and scan spacing on the forming process. The experimental results show that the size of the laser power is the main factor influencing bath quality and density of forming the specimen. The orthogonal experiment gives the set of optimized process parameters, such as the laser power of 400 W, scanning pitch of 0.1 mm, scanning speed of 700 mm/s, and the maximum density of 85.8%, thus making possible the successful trial production of parts.

selective laser melting; bath; density; process optimization

2013-05-27

黑龍江省自然科學基金項目(ZD201104)

張佳(1985-),男,河南省駐馬店人,助理研究員,碩士,研究方向:激光快速成形技術(shù),E-mail:565284634@qq.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.05.007

TN249

1671-0118(2013)05-0432-04

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