黨新安， 張曉博， 楊立軍， 段亮亮

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

SLM成型過程是一個金屬粉末快速熔化快速冷卻凝固的過程.其之所以能夠成型主要取決于熔融金屬液對基板及固態(tài)金屬的潤濕性[1-3].金屬液的潤濕性受成形氣氛、金屬液的化學(xué)成分、冷卻速度及固態(tài)金屬表面粗糙度等條件的影響[4-7].本文著重研究成形工藝對Ti粉SLM成形特性的影響.對Ti粉進(jìn)行單道掃描實(shí)驗可以研究因激光作用于粉末時間長短不同而形成的成型軌跡，確定激光功率P、掃描速度V的工藝范圍.單層掃描實(shí)驗可以證明不同工藝參數(shù)對工件表面粗糙度的影響，通過分析表面形貌可以確定工藝參數(shù)中的掃描方式(策略)、掃描間距[8,9].塊體成形實(shí)驗可以優(yōu)化鋪粉層厚.

1 實(shí)驗材料及設(shè)備

鈦粉采用的鈦合金粉末具有強(qiáng)度高、質(zhì)地輕、抗腐蝕性良好等特點(diǎn).實(shí)驗材料選用寶雞市英耐特醫(yī)用鈦有限公司提供的300目氣霧法制備的Ti粉末，平均粒徑為48μm.表1為Ti粉末的化學(xué)成分表.

表1 鈦粉末化學(xué)成分

實(shí)驗設(shè)備采用華中科技大學(xué)HRPM-ⅡA快速成型系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括光纖激光器、三維振鏡掃描系統(tǒng)，密閉成型室(工作缸、送粉缸和鋪粉裝置等)，控制系統(tǒng)、工藝軟件、真空泵、測氧儀和機(jī)身機(jī)殼等，可實(shí)現(xiàn)無人看管式自動工作，鋪粉厚度0.02～0.3 mm連續(xù)可調(diào)，軟件自動切片，氣氛保護(hù)效果良好.

2 實(shí)驗過程

在加工前，調(diào)試設(shè)備并將成型室抽真空，充保護(hù)氣，使成型室中的氧含量低于1.5%.采用控制變量法分別研究激光功率、掃描速度對單道掃描軌跡的影響；分別采用不同的掃描方式和不同的掃描間距進(jìn)行單層實(shí)驗；最后采用不同的鋪粉層厚進(jìn)行塊體成型實(shí)驗.用金相顯微鏡觀察、分析各實(shí)驗得到熔道、單層及塊體的微觀形貌，分析塊體樣品的致密度.

3 實(shí)驗結(jié)果與討論

3.1 單道掃描實(shí)驗

單道掃描成型實(shí)驗主要針對基板和金屬粉末，可以驗證激光功率密度是否滿足實(shí)驗要求，確定工藝參數(shù)對熔池寬度、深度的影響.實(shí)驗結(jié)果如圖1所示.結(jié)果表明：在相同的掃描速度下，激光功率越大成型軌跡的寬度越大；在相同的激光功率下，掃描軌跡寬度與掃描速度成反比.熔池的產(chǎn)生主要是利用激光的熱效應(yīng)，激光功率越小，掃描速度越大，則激光與粉床的作用時間越短，吸收能量熔化的粉末量就越少，因此成型軌跡寬度越小.從圖1還可以看出當(dāng)掃描速度小于80 mm/s時，熔道寬度隨激光功率的變化而變化比較明顯，說明在這個范圍內(nèi)激光功率是影響熔道寬度的主要因素.當(dāng)掃描速度大于80 mm/s時熔道寬度的變化受功率和速度變化的影響較小.從能量角度上講，功率和速度可以定義為“線能量密度(E1)”：E1=P/V，其中P為激光功率、V為激光掃描速度.

圖1 不同功率和掃描速度下的成型軌跡寬度

本次實(shí)驗重點(diǎn)研究了不同功率和不同掃描速度對Ti粉的單道成型軌跡的影響.研究得知SLM成型過程中最佳鋪粉厚度范圍為50～120μm，本實(shí)驗采用的鋪粉厚度為70μm.圖2是掃描速度為50 mm/s，激光功率在60 W、80 W、98 W時所得的單道掃描熔道圖.從圖2可看出，隨著激光功率的增加，掃描軌跡的特征逐漸由非連續(xù)直線型向連續(xù)直線型過渡，掃描熔道的寬度也在增加.在激光功率為60 W、80 W時，由于能量密度較小，熔池溫度較低，激光未能穿透粉末層厚將其完全熔化，金屬液潤濕性很差.同時，由于液態(tài)金屬表面張力的吸附作用導(dǎo)致熔道周圍未熔化的金屬粉末被吸附至熔池產(chǎn)生球化反應(yīng)，嚴(yán)重影響了成形軌跡的形貌及表面質(zhì)量[10].當(dāng)激光功率增大到98 W時，掃描軌跡光滑連續(xù)且熔道寬度有所增加，在中間部位還出現(xiàn)了魚鱗狀表面.證明在該組工藝參數(shù)條件下金屬粉末熔化比較充分，潤濕性相對較好.但是在熔道上仍可以看見細(xì)小的黑色金屬球，這可能是在實(shí)驗過程中高溫液態(tài)金屬氧化所致.另外，在熔池周圍還存在少量黑色金屬球，這是因為在成形過程中，熔池與其周圍存在溫度梯度產(chǎn)生表面張力梯度和對流導(dǎo)致金屬液表面波動，當(dāng)波長超過一定范圍后,就會隔斷金屬液形成金屬小球.通過以上實(shí)驗可知，在SLM成型過程中適當(dāng)?shù)奶岣咴O(shè)備的輸入功率有助于獲得連續(xù)、平直光滑且潤濕性良好寬度較大的熔道.

(a) 60W 50 mm/s

(b) 80W 50 mm/s

(c) 98W 50 mm/s圖2 不同功率的掃描線

圖3是保持激光功率為100 W，掃描速度分別為20 mm/s、50 mm/s、200 mm/s時，所獲得的單道掃描熔道圖.由圖可知，熔道寬度隨掃描速度的上升而減小，在速度較高時，掃描線幾乎斷裂.有研究表明當(dāng)掃描速度增大到一定值時掃描線將變?yōu)楣铝?、斷續(xù)的金屬小球[6].在掃描速度為20 mm/s時，由于激光光斑在粉末上停留的時間較長，熔池能夠通過金屬液表面張力將掃描線兩邊的粉末吸附進(jìn)來并熔化，所以得到的金屬液較多，熔池的深度、寬度較大，并且熔道平直光滑.在掃描速度增加到50 mm/s時，由于熔池溫度有所降低，能夠熔化和吸附的金屬粉末都有所減少，得到的液相量減少，熔道雖然平直連續(xù)但寬度下降.熔道表面由于吸附了金屬粉末但是未被熔化，所以呈黑色.當(dāng)掃描速度為200 mm/s時，由于掃描速度過快，激光線能量小，熔道周圍的熱影響區(qū)小，激光能量只能熔化接近光斑中心的金屬粉末，而處于光斑邊緣及熔池周圍的粉末則不能被熔化也不能被吸附進(jìn)熔池，因此熔池寬度小于光斑直徑，深度較淺，此時金屬液的潤濕性最差.掃描速度過小會導(dǎo)致熔池溫度過高而使金屬液過燒，同樣影響成型質(zhì)量.所以成形過程中的掃描速度不宜小于10 mm/s.

(a) 100W 20 mm/s

(b) 100W 50 mm/s

(C) 100W 200 mm/s圖3 不同掃描速度的掃描線

3.2 單層掃描實(shí)驗

3.2.1 掃描路徑

掃描路徑是SLM成形工藝的關(guān)鍵因素之一，其選擇影響成型過程中工件的致密度，對單層表面形貌質(zhì)量有很大影響[11].在HRPM-ⅡA型快速成型系統(tǒng)的掃描路徑生成軟件中，主要有以下幾種掃描方式：分區(qū)掃描、分塊變向掃描、內(nèi)外螺旋掃描、跳轉(zhuǎn)變向掃描.掃描方式可以設(shè)置SLM成型過程中加工面的掃描路線.圖4(a)是分塊變向掃描方式示意圖，分塊變向是將掃描平面劃分成數(shù)個小區(qū)域，采用化整為零的方式進(jìn)行加工，相鄰區(qū)域的掃描方向互相垂直.這種掃描方式比較適合制造大面積制件.分區(qū)掃描方式則是相鄰成形層的掃描方式互相垂直，若第一層采用圖4(b)所示方向進(jìn)行掃描，與其相鄰的下一層則要采用與其相垂直的方向進(jìn)行掃描.圖4(c)是內(nèi)外螺旋掃描方式示意圖，內(nèi)外螺旋是從成型面中心開始按照由內(nèi)向外的順序不斷向外掃描.跳轉(zhuǎn)變向掃描方式是激光對每層掃描兩次，第一次是沿一個方向快速掃描，后一次則采用與前一次垂直的方向進(jìn)行掃描，整個掃描路徑呈現(xiàn)出交織狀.本實(shí)驗分別研究了這4種掃描方式對單層成型面質(zhì)量的影響，結(jié)果如圖5所示.

(a) 分塊變向 (b) 分區(qū)掃描

(c) 內(nèi)外螺旋掃描 (d) 跳轉(zhuǎn)變向 圖4 不同掃描方式示意圖

圖5為不同掃描方式成型的單層形貌圖，成型參數(shù)為P=95 W，V=30 mm/s，s=0.05 mm.分塊變向掃描成型的單層形貌在每個分割的小區(qū)域內(nèi)部的各個熔道連續(xù)、均勻、平整，成型質(zhì)量很好，但在兩相鄰區(qū)域的搭接處出現(xiàn)了熔體的堆聚現(xiàn)象以及球化現(xiàn)象，如圖5(a)所示.這是由于成型過程中要獲得完整連續(xù)的平面，相鄰區(qū)域必須有一定的搭接，此時激光對各個區(qū)域掃描時，會對鄰近的已成型區(qū)域進(jìn)行二次熔化，使得液相重新鋪展兩區(qū)域邊緣的金屬液堆積造成的.圖5(b)為分區(qū)掃描單層形貌圖，其表面形貌質(zhì)量比較好，熔道搭接率小，基本無球化效應(yīng)，但是在掃描線相交的地方出現(xiàn)了熔體積聚現(xiàn)象.圖5(c)為內(nèi)外螺旋掃描方式成型結(jié)果，由于在掃描開始時激光軌跡運(yùn)動角度比較小易形成死角在中心處出現(xiàn)未掃描區(qū)域，所以單層形貌比較差，層表面有球化現(xiàn)象，并有許多飛濺的未熔化的粉末.從圖5(d)中可以觀察到，跳轉(zhuǎn)變向掃描中由于激光對每層都進(jìn)行了兩次掃描，而且掃描方向垂直，掃描線為交織狀，所以成型面比較充實(shí).

(a) 分塊變向掃描 (b) 分區(qū)變向掃描

(c) 內(nèi)外螺旋掃描 (d) 跳轉(zhuǎn)變向掃描圖5 不同掃描方式的單層形貌

3.2.2 鈦粉單層掃描成形

優(yōu)化單道掃描工藝參數(shù)獲得細(xì)而平直的掃描熔道，調(diào)節(jié)掃描間距使掃描熔道相互搭接即可以得到連續(xù)的單層形貌.本次實(shí)驗分別研究了不同的掃描間距在相同的掃描方式和不同的掃描速度、激光功率條件下對單層掃描表面形貌的影響規(guī)律.

圖6為采用跳轉(zhuǎn)變向掃描方式，在掃描間距不同時的單層成形表面形貌圖.圖6(a)的掃描間距小，搭接率比較大，約為0.8，熔道表面高低不平，有積聚現(xiàn)象，在下一層燒結(jié)時會導(dǎo)致鋪粉層厚不均，導(dǎo)致球化現(xiàn)象產(chǎn)生.圖6(b)的搭接率適中，約為0.45，相鄰熔道的搭接情況比較好，整個熔道層平整，溝壑淺，這對后續(xù)燒結(jié)很有利，制件的致密度會比較高.圖6(c)搭接率過小，約為0.1，圖中相鄰熔道間有些區(qū)域沒有搭接，還存在基板裸露區(qū)域，在后續(xù)加工過程中未熔化的粉末會被夾雜在工件中，而且會產(chǎn)生大量孔隙，導(dǎo)致制件力學(xué)性能下降.

(a) s=0.03 mm

(b) s=0.08 mm

(c) s=0.12 mm圖6 不同掃描間距的表面形貌

(a) V=20 mm/s

(b) V=80 mm/s

(c) V=160 mm/s圖7 不同掃描速度的表面形貌

圖7所示為跳轉(zhuǎn)變向掃描方式，激光功率P=80 W、掃描間距s=0.1 mm時，不同掃描速度成形的單層表面形貌情況圖.隨掃描速度的增加，熔道寬度明顯減小，速度為20 mm/s時，熔道寬度大于掃描間距，相鄰熔道可以搭接在一起，成形表面比較光滑平整.當(dāng)速度達(dá)到80 mm/s時，熔道質(zhì)量明顯下降并且在掃描軌跡上出現(xiàn)未被融化的金屬粉末，球化現(xiàn)象也增多.當(dāng)速度達(dá)到160 mm/s時，熔道寬度小于掃描間距，相鄰熔道無法搭接在一起，導(dǎo)致基板裸露出來根本無法成形.

圖8為跳轉(zhuǎn)變向掃描，掃描間距s=0.1 mm、掃描速度V=50 mm/s、激光功率分別為50 W、80 W和100 W時，成形的單層表面形貌情況圖.在50 W和80 W時，能量輸入不足，熔道寬度和深度較小，相鄰熔道沒有搭接加工過程根本無法順利進(jìn)行.在100 W時，能量輸入提高，熔道變寬，相鄰熔道能有效搭接熔道質(zhì)量明顯提高，可以保證后續(xù)加工連續(xù)進(jìn)行.

(a) P=50 W V=50 mm/s

(b) P=80 W V=50 mm/s

(c) P=100 W V=50 mm/s圖8 不同激光功率的表面形貌

3.3 塊體成形實(shí)驗

本次實(shí)驗采用塊體成形實(shí)驗以研究粉層厚度(即鋪粉層厚)對SLM成形質(zhì)量的影響，主要考察不同粉層厚度下SLM成形件的致密度.成形件的致密度是SLM工藝的重要指標(biāo)，對工件機(jī)械性能影響很大.有研究表明，鋪粉厚度至少應(yīng)該大于粉末的最大粒徑.本次實(shí)驗選用的純鈦粉末的粒度為300目,平均粒徑48μm，因此選定鋪粉層厚為0.07 mm、0.1 mm和0.15 mm，掃描方式為跳轉(zhuǎn)變向掃描[12-14].

表2 不同粉層厚度的致密度

4 結(jié)束語

本文根據(jù)單道掃描、單層掃描和塊體成型實(shí)驗研究了純鈦粉末的SLM成型特性，得到的最佳工藝參數(shù)范圍為，激光功率：80～100 W；掃描速度：10～40 mm/s；掃描方式：跳轉(zhuǎn)變向；掃描間距：0.09～0.12 mm；掃描層厚：0.05～0.1 mm.單道實(shí)驗結(jié)果表明當(dāng)能量輸入足以連續(xù)成型掃描線時，隨激光功率的增加和掃描速度的減小，掃描熔道的寬度和高度會增加.單層掃描實(shí)驗表明掃描間距直接影響著熔道搭接率，單層成型質(zhì)量受功率、掃描速度和掃描間距的共同影響，不同寬度的熔道需要采用不同的搭接率才能獲得緊密搭接的成型面.塊體成型實(shí)驗表明隨著粉層厚度的增大或掃描間距增加，成型件致密度在下降.

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