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)國家重點實驗室，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)。通過計算機(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)相比具有獨特優(yōu)勢［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，通過單一傳統(tǒng)加工方法無法實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工，而混合加工方法加工周期較長，生產(chǎn)效率極低且原材料浪費嚴(yán)重，得到的零件成本較高且具有較高的廢品率［13－14］。基于SLM 成形制造的優(yōu)點，針對傳統(tǒng)制造加工方法存在的問題，筆者采用實驗研究的方法，對鎳基高溫合金進(jìn)行SLM 成形加工實驗，分析工藝參數(shù)對成形零件的表面質(zhì)量及致密度的影響。

1 實驗材料與設(shè)備

實驗材料為美國CARPENTER 公司生產(chǎn)制造的氣霧化鎳基高溫合金IN718 牌號粉末，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。實驗前對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阿基米德原理測定的。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。實驗選用的生長基板材質(zhì)為45#鋼，為確保成形制件的熔化不受基板加工時殘留油污的影響，用無水乙醇(w ＞96%)對基板表面進(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

該實驗研究采用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、自動送粉系統(tǒng)、成形工作面以及控制生產(chǎn)工藝的計算機(jī)。其中IPG YLR －500 連續(xù)波光纖激光器的λ 射線波長1.06～1.10 nm，最大輸出功率500 W，光斑直徑70 μm 左右。計算機(jī)內(nèi)置工藝軟件和成形軟件，用于對3D 實體進(jìn)行切片處理和設(shè)置激光的運動軌跡選擇性地熔化金屬粉末，以及對外部硬件(送粉缸、鋪粉刮板、工作臺)運動的控制。SLM 成形系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 SLM 成形系統(tǒng)Fig．2 SLM system

2 實驗過程

首先，利用鋪粉刮板對實驗工作臺調(diào)平處理，保證工作臺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 過程中的成形質(zhì)量。在SLM 成形過程中，系統(tǒng)每完成當(dāng)前層切片的掃描后，成形平臺相對于成形平面下降一個切片高度，同時儲粉缸會相應(yīng)的上升n 個切片高度(n 為送粉系數(shù))，鋪粉刮板將一個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)上述過程，通過逐層堆積的方法獲得所需形狀的完整部件。

通過三維軟件建立CAD 模型，保存為STL 文件?；谝幌盗械念A(yù)備實驗，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 號試樣采用掃描間距0.08 mm，5～8 號試樣采用掃描間距0.10 mm。這一系列參數(shù)的選用均根據(jù)［15］

式(1)用來評價輸入功率對每個單位長度上粉層的影響。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。在相對較低的激光能量密度下，觀察到掃描缺點是不連續(xù)，有大尺寸的球體被激光工藝表面上的開口氣孔所包圍(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。通過增加激光功率來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)起來了。同時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，球化現(xiàn)象減輕同時致密化合成率提高，成形表面相對光滑，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，由于激光掃描速度提高到了2 300 mm/s，激光線能量密度相近，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程中激光功率和掃描速度協(xié)調(diào)作用的結(jié)果。在相對較高的掃描速度下，激光束在熔池表面的駐留時間較短，從而削弱了熔池的有效溫度，合金液體較高動態(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，高動態(tài)黏滯度阻礙了合金液體的順利鋪開，反過來引起了開口氣孔的形成(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)性將會緊接著發(fā)生(圖4a)。因此可以得出結(jié)論:球化現(xiàn)象會嚴(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，會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

針對SLM 成形工藝對IN718 的成形表面形貌和致密度的影響展開了研究。激光的工藝參數(shù)對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€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，球化現(xiàn)象會嚴(yán)重影響SLM 成形的IN718 零件表面的完整性和致密化。因此，下一步將針對影響零件表面質(zhì)量和致密度的問題進(jìn)行深入研究。

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