劉錦輝， 劉邦濤， 魏青松， 肖勝兵， 謝文娟

(1．黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱150022;2．華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430074)

0 引 言

選擇性激光熔化(selective laser melting，SLM)成形技術(shù)是一種基于激光成形的增材制造技術(shù)。通過(guò)計(jì)算機(jī)建立的CAD 模型，可加工復(fù)雜幾何形狀工件，突破了傳統(tǒng)模具制造的束縛，提供了一種不需要特定模具而完全自由的新設(shè)計(jì)方法［1－2］。SLM 成形技術(shù)基于分層－疊加制造的思想，可以加工傳統(tǒng)常規(guī)加工方法難以加工的任何復(fù)雜形狀的金屬零部件，利用高能量激光束將金屬粉末逐層熔化并成形為目標(biāo)金屬零件，與傳統(tǒng)的金屬成形方法(高速切削、粉末壓制、鑄造、壓力加工)相比具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)［3－6］。

鎳基高溫合金IN718 是一種含有大量鐵、鈮、鉬，少量鋁、鈦的沉積硬化型鎳鉻合金，具有良好的高溫蠕變強(qiáng)度、抗疲勞、抗氧化和抗熱腐蝕性能。由于其出色的機(jī)械性能，可用于制造需要在高溫、高強(qiáng)度環(huán)境中工作的零部件，如燃?xì)廨啓C(jī)中的定子、渦輪葉片、渦輪盤(pán)等，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工以及核工業(yè)等高要求行業(yè)［7－10］。由于IN718 材料卓越的機(jī)械性能，在室溫下通過(guò)傳統(tǒng)常規(guī)加工方法加工十分困難，加工量極低且刀具磨損嚴(yán)重［11－12］。IN718 的航空零部件通常具有十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或懸臂結(jié)構(gòu)，工件自身加工難度大，通過(guò)單一傳統(tǒng)加工方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工，而混合加工方法加工周期較長(zhǎng)，生產(chǎn)效率極低且原材料浪費(fèi)嚴(yán)重，得到的零件成本較高且具有較高的廢品率［13－14］?；赟LM 成形制造的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)傳統(tǒng)制造加工方法存在的問(wèn)題，筆者采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，對(duì)鎳基高溫合金進(jìn)行SLM 成形加工實(shí)驗(yàn)，分析工藝參數(shù)對(duì)成形零件的表面質(zhì)量及致密度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料為美國(guó)CARPENTER 公司生產(chǎn)制造的氣霧化鎳基高溫合金IN718 牌號(hào)粉末，粉末形貌如圖1所示。材料化學(xué)成分如表1 所示。粉末粒度為10～38 μm，顆粒形狀基本為球形，并且具有良好的流動(dòng)性。IN718 合金密度為ρ =8.24 g/cm3，融化溫度范圍為1 260～1 320 ℃，IN718 具有高的抗熱腐蝕性，疲勞強(qiáng)度，耐磨損性和良好的焊接特性。實(shí)驗(yàn)前對(duì)IN718 粉末進(jìn)行烘干處理，防止成形氧化以保證成形質(zhì)量。試樣的致密度是通過(guò)阿基米德原理測(cè)定的。表面形貌特征則是利用FEI 公司的Quanta 200 掃描電子顯微鏡觀察的。實(shí)驗(yàn)選用的生長(zhǎng)基板材質(zhì)為45#鋼，為確保成形制件的熔化不受基板加工時(shí)殘留油污的影響，用無(wú)水乙醇(w ＞96%)對(duì)基板表面進(jìn)行預(yù)處理清洗。

圖1 IN718 粉末顆粒電鏡照片F(xiàn)ig．1 SEM picture of IN718 powder particles

表1 IN718 化學(xué)成分Table 1 IN718 chemical composition

該實(shí)驗(yàn)研究采用DYLM －200 金屬粉末熔化成形機(jī)，該系統(tǒng)主要包括IPG YLR －500 連續(xù)波光纖激光器、自動(dòng)送粉系統(tǒng)、成形工作面以及控制生產(chǎn)工藝的計(jì)算機(jī)。其中IPG YLR －500 連續(xù)波光纖激光器的λ 射線(xiàn)波長(zhǎng)1.06～1.10 nm，最大輸出功率500 W，光斑直徑70 μm 左右。計(jì)算機(jī)內(nèi)置工藝軟件和成形軟件，用于對(duì)3D 實(shí)體進(jìn)行切片處理和設(shè)置激光的運(yùn)動(dòng)軌跡選擇性地熔化金屬粉末，以及對(duì)外部硬件(送粉缸、鋪粉刮板、工作臺(tái))運(yùn)動(dòng)的控制。SLM 成形系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 SLM 成形系統(tǒng)Fig．2 SLM system

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

首先，利用鋪粉刮板對(duì)實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)調(diào)平處理，保證工作臺(tái)平面與基板鋪粉平面的間隔盡可能最小。SLM 系統(tǒng)配有真空系統(tǒng)，在成形前對(duì)成形腔進(jìn)行抽真空處理，再通入高純氬氣進(jìn)行保護(hù)，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)氣壓并保證成形腔中的氧含量低于4 ×10－5，以保證SLM 過(guò)程中的成形質(zhì)量。在SLM 成形過(guò)程中，系統(tǒng)每完成當(dāng)前層切片的掃描后，成形平臺(tái)相對(duì)于成形平面下降一個(gè)切片高度，同時(shí)儲(chǔ)粉缸會(huì)相應(yīng)的上升n 個(gè)切片高度(n 為送粉系數(shù))，鋪粉刮板將一個(gè)切片厚度的粉末覆蓋到前一層掃描區(qū)域，激光系統(tǒng)進(jìn)行下一次掃描，高能激光束將這層金屬粉末熔化與前一層凝固部分相結(jié)合。重復(fù)上述過(guò)程，通過(guò)逐層堆積的方法獲得所需形狀的完整部件。

通過(guò)三維軟件建立CAD 模型，保存為STL 文件?；谝幌盗械念A(yù)備實(shí)驗(yàn)，激光功率P 預(yù)先設(shè)置為250、300、350 和400 W，掃描速度v 設(shè)置為1 600、1 800、2 000 和2 300 mm/s，1～4 號(hào)試樣采用掃描間距0.08 mm，5～8 號(hào)試樣采用掃描間距0.10 mm。這一系列參數(shù)的選用均根據(jù)［15］

式(1)用來(lái)評(píng)價(jià)輸入功率對(duì)每個(gè)單位長(zhǎng)度上粉層的影響。8 mm ×8 mm ×8 mm 的SLM 成形立方體試樣如圖3 所示。

圖3 SLM 成形試樣Fig．3 SLM parts

3 結(jié)果與討論

圖3 試樣5～8 的IN718 零件的表面形貌，如圖4 所示。由于使用不同的線(xiàn)性激光能量密度，零件的表面質(zhì)量有著明顯地變化。在相對(duì)較低的激光能量密度下，觀察到掃描缺點(diǎn)是不連續(xù)，有大尺寸的球體被激光工藝表面上的開(kāi)口氣孔所包圍(圖4a)。在這種情況下，橫截面上不規(guī)則細(xì)孔的積累阻礙了致密化。通過(guò)增加激光功率來(lái)提高激光能量密度的應(yīng)用，盡管基本的球體殘余縮孔依然存在，但掃描軌跡卻變得連續(xù)起來(lái)了。同時(shí)引起了橫截面上氣孔的分散和減少(圖4b)。當(dāng)激光功率繼續(xù)上升到350 W 時(shí)，球化現(xiàn)象減輕同時(shí)致密化合成率提高，成形表面相對(duì)光滑，表面只含有少量的剩余散落金屬小球(圖4c)。激光功率達(dá)到400 W 時(shí)，由于激光掃描速度提高到了2 300 mm/s，激光線(xiàn)能量密度相近，表面成形質(zhì)量與圖4c 基本相似(圖4d)。

圖4 不同激光工藝參數(shù)下IN718 試樣的表面形貌Fig．4 Surface morphology of IN718 specimens under different laser parameters

光滑而又稠密的平面的獲得是成形工藝過(guò)程中激光功率和掃描速度協(xié)調(diào)作用的結(jié)果。在相對(duì)較高的掃描速度下，激光束在熔池表面的駐留時(shí)間較短，從而削弱了熔池的有效溫度，合金液體較高動(dòng)態(tài)黏滯度的獲得是由于熔池中較低溫度作用的結(jié)果。在高掃描速度下，高動(dòng)態(tài)黏滯度阻礙了合金液體的順利鋪開(kāi)，反過(guò)來(lái)引起了開(kāi)口氣孔的形成(圖4a)和有限的致密度。同樣地，和SLM 工藝相關(guān)聯(lián)的球化影響是不良表面光潔度和相應(yīng)致密度的原因。掃描軌跡的不連續(xù)性將會(huì)緊接著發(fā)生(圖4a)。因此可以得出結(jié)論:球化現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響SLM 工藝的IN718零件的表面完整性和致密化。隨著激光能量密度的增加，由于動(dòng)態(tài)黏滯度的變?nèi)鹾颓蚧F(xiàn)象的減少使得致密度逐步提高(圖4b)。因此，適當(dāng)激光能量密度輸入時(shí)，會(huì)得到擁有較光滑表面形貌(圖4c 和4d)。試樣1 和2 的表面形貌如圖5 所示。

圖5 SIM 成形IN718 試樣的表面形貌Fig．5 Surface morphology of IN718 specimens formed by SLM

所采用的激光功率與掃描速度同試樣5 和6 一致，掃描間距由0.10 mm 縮小到0.08 mm。其表面形貌產(chǎn)生了明顯的差異，氣孔明顯的減少使得表面成形質(zhì)量和零件的致密度都得到了提高。SLM 成形工藝直接影響著零件的加工質(zhì)量，較好的表面成形質(zhì)量和零件的致密度需要激光功率、掃描速度以及掃描間距協(xié)同作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)SLM 成形工藝對(duì)IN718 的成形表面形貌和致密度的影響展開(kāi)了研究。激光的工藝參數(shù)對(duì)零件的成形表面形貌及致密度有很大的影響。適當(dāng)?shù)卦黾蛹す饩€(xiàn)能量密度(激光功率和掃描速度協(xié)同作用)可以有效的提高試樣的成形表面質(zhì)量及其致密度;適當(dāng)?shù)目s小掃描間距可以減小孔隙缺陷的產(chǎn)生，且增強(qiáng)致密度。因此，合理優(yōu)化的SLM 工藝參數(shù)，可以使IN718 零件具備復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能。不過(guò)，球化現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響SLM 成形的IN718 零件表面的完整性和致密化。因此，下一步將針對(duì)影響零件表面質(zhì)量和致密度的問(wèn)題進(jìn)行深入研究。

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