張軍濤，張偉，李宇佳，胡松浩，黃松海，何天運(yùn)，劉詠

?

基于DMG MORI LASERTEC 65 3D加工中心的不銹鋼粉末激光沉積增/減材復(fù)合制造

張軍濤2，張偉1,2，李宇佳2，胡松浩2，黃松海2，何天運(yùn)2，劉詠1

(1. 中南大學(xué) 粉末冶金研究院，長(zhǎng)沙 410083；2. 河南黃河旋風(fēng)股份有限公司，許昌 461500)

采用國(guó)內(nèi)首臺(tái)增/減材復(fù)合加工中心——DMG MORI LASERTEC 65 3D，完成不銹鋼粉末的增/減材復(fù)合制造，通過研究激光直接金屬沉積成形的激光功率、掃描速度及送粉速度等増材工藝參數(shù)對(duì)不銹鋼沉積層截面形狀尺寸與表面粗糙度的影響，優(yōu)化沉積工藝參數(shù)，測(cè)定沉積件的力學(xué)性能，并初步探究DMG MORI LASERTEC 65 3D復(fù)合加工中心對(duì)于不銹鋼異型渦輪增壓殼體的增材與減材復(fù)合制造的能力水平和應(yīng)用空間。結(jié)果表明：最佳沉積工藝參數(shù)為：激光功率為2 400 W，掃描速度為1 000 mm/min，送粉速率為14 g/min，粉末沉積件獲得理想的等軸晶組織，其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到632 MPa和46.9%，與同材料的鍛件相當(dāng)。用DMG MORI LASERTEC 65 3D復(fù)合加工中心，可完成不銹鋼異型渦輪增壓殼體的粉末激光直接金屬沉積成形和5軸銑削的復(fù)合加工制造，在保證工件精度的前提下，能較好地實(shí)現(xiàn)如法蘭鉆孔、接頭生產(chǎn)等難加工部件的一次性成形，較傳統(tǒng)加工方式效率提高5~8倍。

增材/減材復(fù)合制造；不銹鋼粉末；激光直接金屬沉積成形；顯微組織；力學(xué)性能

與傳統(tǒng)制造方法相比，增材制造(又稱“3D打印”)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 可迅速制造出自由曲面和更復(fù)雜形態(tài)的零件，如零件中的凹槽、凸肩和復(fù)雜的內(nèi)流道等；2) 材料利用率高，尤其是對(duì)昂貴的稀有材料來說，可大大降低成本；3) 高度自動(dòng)化，人工干預(yù)少；4) 加工效率高，尤其對(duì)難加工材料，能迅速制作出產(chǎn)品實(shí)體模型及模具[1?2]。在眾多材料中，金屬材料增材制造無疑是最具發(fā)展?jié)摿Φ腫3]，根據(jù)其成形原理不同，增材制造技術(shù)包括激光熔覆、激光堆焊、激光近成形制造、激光直接沉積成形、選擇性激光熔化、等離子熔積制造和電子束熔融制造等[4?6]。任何一種增材制造技術(shù)都存在尺寸精度差和表面光潔度不太理想的問題，需要進(jìn)行后處理，包括整形、拋光、噴丸等，這是由其制備過程中分層疊加造成的尺寸誤差和階梯效應(yīng)決定的[7?8]。傳統(tǒng)的減材制造(如機(jī)加工)具有高精度、高效率和高表面質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，將增材制造與減材制造混合和集成在一臺(tái)設(shè)備上，便產(chǎn)生了一種新的復(fù)合加工技術(shù)—增減材復(fù)合加工技術(shù)。增減材復(fù)合加工技術(shù)已引起越來越多研發(fā)機(jī)構(gòu)的重視。如德國(guó)Fraunhofer IPT融合材料添加和去除方法開發(fā)了控制金屬堆積技術(shù)，在增材制造過程中，利用銑切來加工每一層的表面輪廓，制備的不銹鋼零件，致密度達(dá)到99%，并達(dá)到精度和表面光潔度要求[9]；日本松浦機(jī)械制作所推出的商業(yè)化LUMEX A-vance-25復(fù)合光造型機(jī)，用激光燒結(jié)和銑削工藝相結(jié)合的方式(SLM燒結(jié)+銑削)，實(shí)現(xiàn)高精度的成型效果[10]；DMG MORI推出的LASERTEC 65 3D是全球首臺(tái)真正意義上的增/減材復(fù)合加工生產(chǎn)型設(shè)備，該設(shè)備可以借助高剛性的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床進(jìn)行高精度的銑削加工與激光加工之間全自由切換，實(shí)現(xiàn)快速三維成形和工件精度的良好控制。LASERTEC 65 3D能夠完整地加工帶底切的復(fù)雜工件，能進(jìn)行修復(fù)加工和對(duì)模具及機(jī)械零件，甚至醫(yī)療器械零件進(jìn)行局部或者全面的噴涂加工，其沉積速度達(dá)1 kg/h，比鋪粉激光燒結(jié)法制造零件的速度快10倍，目前在全球已經(jīng)有20余臺(tái)的應(yīng)用量，特別是在歐美、日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家。相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)基于增/減材復(fù)合制造技術(shù)的研究開展較晚，研究不多。華中科技大學(xué)張海鷗教授開發(fā)的“智能微鑄鍛銑復(fù)合制造技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創(chuàng)新。黃河旋風(fēng)股份有限公司在全國(guó)布局了第一臺(tái)DMG MORI LASERTEC 65 3D復(fù)合加工中心，主要針對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)難以加工的、具有復(fù)雜曲面構(gòu)造的關(guān)鍵零部件提供定制化加工服務(wù)。異型渦輪增壓殼體，底端有帶分布孔的法蘭，需要銑削外圓、平面和鉆孔，喇叭外周有12個(gè)接頭，必須采用焊接、銑削和鉆孔等工序。由于喇叭口大于底座的法蘭，造成法蘭上的孔難以加工。按照傳統(tǒng)的減材制造的觀念，這是一個(gè)工藝加工性極差、幾乎無法在一臺(tái)設(shè)備上加工完畢的零部件。本研究采用LASERTEC 65 3D，通過激光直接金屬沉積技術(shù)進(jìn)行增材加工成形，并與銑削技術(shù)自由切換和交替進(jìn)行，完成不銹鋼渦輪增壓殼的粉末激光直接金屬沉積成形和5軸銑削，實(shí)現(xiàn)擁有最終品質(zhì)零件的快速制備，優(yōu)化沉積工藝參數(shù)，初步探究DMG MORI LASERTEC 65 3D復(fù)合加工中心進(jìn)行金屬合金構(gòu)件增材與減材復(fù)合制造的零件加工能力水平和應(yīng)用空間。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 設(shè)備和材料

采用圖1所示的德國(guó)DMG MORI LASERTEC 65 3D 復(fù)合加工中心，進(jìn)行不銹鋼渦輪增壓殼的粉末激光直接金屬沉積成形和5軸銑削加工的復(fù)合制造。設(shè)備主要參數(shù)指標(biāo)如下：2 500 W光纖激光器，波長(zhǎng)1 030 nm，最大光斑直徑達(dá)3 mm，最大成形尺寸為650 mm×650 mm×560 mm，最大成形速度達(dá)1 kg/h，比粉床鋪粉方式增材制造設(shè)備的速度快10倍；銑削主軸轉(zhuǎn)速10 000 r/min，回轉(zhuǎn)軸(C軸)360°，擺動(dòng)范圍(A軸)±120°。

圖1 DMG MORI LASERTEC 65 3D加工中心

所用材料為黃河旋風(fēng)股份有限公司采用惰性氣體霧化法制備的304不銹鋼粉末，粉末形貌如圖2所示。粉末形貌呈球形，粒徑范圍50~150 μm，50為85 μm，粉末使用前需在200 ℃條件下干燥3 h；基板為直徑200 mm、厚度20 mm的圓形316L不銹鋼板，打印前用砂紙打磨基板，再用乙醇清洗，以去除基板表面的磨屑和污漬，然后烘干。

圖2 304不銹鋼粉末的SEM形貌

1.2 增材制造

影響粉末激光直接金屬沉積成形(laser directed energy deposition shaping，縮寫為L(zhǎng)DEDS)效果的因素很多，如激光功率、掃描速度1、掃描間距及送粉速度2等。本研究采用搭接率為40%[15]，對(duì)激光功率、掃描速度和送粉速度這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。具體步驟為：首先進(jìn)行單道次沉積實(shí)驗(yàn)，采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)12組實(shí)驗(yàn)，根據(jù)金相顯微鏡下觀察的沉積層截面形貌，初選出3組較好的工藝參數(shù)；分別采用選出的3組較好工藝參數(shù)，制備多道次二維沉積層，沉積面積為60 mm×20 mm，采用VEECO DEKDAK 150表面輪廓儀測(cè)量二維沉積層的表面粗糙度a，a值最小的，即被確定為最佳的工藝參數(shù)；最后采用最佳工藝參數(shù)，進(jìn)行多道次三維LDEDS，沉積尺寸為100 mm×20 mm×30 mm(長(zhǎng)×寬×高)。二維沉積層的表面粗糙度a為取樣長(zhǎng)度內(nèi)輪廓偏距絕對(duì)值的算術(shù)平均值，其計(jì)算方法為：

優(yōu)化的激光增材加工工藝確定以后，顆粒尺寸為50~150 μm的不銹鋼粉末通過激光頭中的管道輸送到工件表面，進(jìn)行多道次三維沉積，激光束將金屬粉末按設(shè)備設(shè)計(jì)路徑逐層沉積在316L不銹鋼基板表層，實(shí)現(xiàn)樣品零件的增材成形。其間提供惰性保護(hù)氣體，避免熔覆的金屬粉末氧化。金屬層冷卻后，即進(jìn)行銑削加工，整個(gè)加工過程由帶CELOS與Operate 4.5版的Siemens 840D Solutionline系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

1.3 增/減材復(fù)合制造

在DMG MORI LASERTEC 65 3D復(fù)合加工中心上，通過激光直接金屬沉積技術(shù)進(jìn)行增材加工成形，并與銑削技術(shù)自由切換，完成不銹鋼渦輪增壓殼的粉末激光直接金屬沉積成形和5軸銑削加工的復(fù)合制造，實(shí)現(xiàn)擁有最終品質(zhì)零件的快速制備。

1.4 性能測(cè)試

采用線切割法在多道次三維沉積樣品上截取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣(GB6397-86)和金相試樣。拉伸試樣尺寸如圖3所示。在INSTRON 3369型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，預(yù)載200 N，拉伸速度為1 mm/min，用Quanta 200型掃描電鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌，分析激光近凈成型零件的斷裂特性，并使用能譜儀對(duì)斷面進(jìn)行微區(qū)成分分析。金相試樣觀察截面首先用200~600目的砂紙粗磨，然后再用800~2 000目的砂紙進(jìn)行精磨。磨好的試樣在拋光機(jī)上拋光，然后用水和酒精清洗干凈，腐蝕后在EPIPHOT?300型金相顯微鏡下觀察顯微組織。

圖3 拉伸試樣形狀示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 LDEDS工藝參數(shù)優(yōu)化

2.1.1 單道次一維LDEDS

表1所列為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的12組單道次沉積工藝參數(shù)和沉積層的截面尺寸，圖4所示為典型的單道次一維沉積層截面形貌。粉末凝固形成的熔化道在基板以上部分形成一個(gè)類似的圓弧形狀，在基板表面以下，還形成了一個(gè)穿透基板的熔透區(qū)域。通過金相顯微鏡和微觀形狀測(cè)量，對(duì)熔化道的寬度、高度、熔透深度及潤(rùn)濕角進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)單道次沉積的截面形貌均勻性和潤(rùn)濕性分析[15]，最終選取2#，7#和12#工藝參數(shù)來制備多道次二維沉積層。

2.1.2 多道次二維沉積

取2#，7#和12#工藝參數(shù)進(jìn)行多道次二維單層沉積。測(cè)量沉積樣品的表面粗糙度，測(cè)量方向垂直于掃描線方向，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。表2所列為不同工藝參數(shù)下多道次二維沉積層的表面粗糙度a。由表可知，12#沉積層樣品的a值最小(11.94 μm)，選擇該組工藝參數(shù)(激光功率2 400 W，掃描速度1 000 mm/min，送粉速率14 g/min)進(jìn)行不銹鋼粉的LDEDS增材制造。

表1 不同沉積工藝參數(shù)下單道次沉積層的截面形狀尺寸

圖4 粉末單道次沉積層的截面形貌

圖5 多道次二維沉積層的表面形貌與表面輪廓

Fig.5 Surface morphologies and surface profile of multi-pass deposition layer (a) 2#; (b) 7#; (c) 12#

表2 不同工藝條件下多道次二維沉積層的粗糙度

2.1.3 多道次三維沉積

采用優(yōu)化的工藝參數(shù)(激光功率為2 400 W，掃描速度為1 000 mm/min，送粉速率為14 g/min)進(jìn)行多道次三維沉積，對(duì)沉積部位取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣3個(gè)，圖6所示為3個(gè)試樣的拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線，測(cè)試結(jié)果列于表3。從結(jié)果看出LDEDS試樣的抗拉強(qiáng)度達(dá)到632 MPa，伸長(zhǎng)率為46.9%。對(duì)比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其力學(xué)性能與同材質(zhì)的鍛造件相當(dāng)，明顯高于鑄造件。

圖6 LDEDS沉積件的拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線

表3 激光直接金屬沉積成形件的拉伸性能

圖7所示為304不銹鋼粉末激光直接金屬沉積成形件的拉伸斷口形貌。可見斷口分布著大量均勻細(xì)小的韌窩，試樣為韌性斷裂。這些韌窩的產(chǎn)生是由于在加載達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，材料開始塑性變形，但仍然可以觀察到極少量的孔洞和夾雜等缺陷，以致產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致斷裂。對(duì)夾雜物進(jìn)行能譜分析，其主要成分是SiO2，還有少量其它氧化物，這些不規(guī)則氧化夾雜物可能來自粉末原料或者沉積過程中形成的，夾雜物的存在導(dǎo)致在該處產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋易于形成。因此，要提高激光堆焊成型部件的力學(xué)性能，應(yīng)適當(dāng)控制原料粉末的潔凈度，以防氧化物夾雜的出現(xiàn)。

圖7 激光直接金屬沉積成形件的拉伸斷口形貌(a)及缺陷分析(b)

Fig.7 Fracture surface morphology (a) and defect elemental analysis (b) of tensile specimen

2.2 銑削加工

在LASERTEC 65 3D設(shè)備上對(duì)多道次三維LDEDS樣件進(jìn)行銑削加工，圖8所示為銑削后的形貌。加工時(shí)切屑與刀具無粘附現(xiàn)象，切屑呈淡黃色，銑削面的表面形貌如圖8(a)所示，基本無積屑瘤和鱗刺，可達(dá)到減材加工表面質(zhì)量要求。圖8(b)為銑削件的截面形貌，可見沉積件為理想的等軸晶組織，這與沉積件力學(xué)性能優(yōu)良相一致。

2.3 渦輪殼的增/減材復(fù)合制造

在DMG MORI LASERTEC 65 3D復(fù)合加工中心上，通過激光直接金屬沉積技術(shù)進(jìn)行增材加工成形，與銑削技術(shù)自由切換，完成不銹鋼渦輪增壓殼的粉末激光直接金屬沉積成形增材制造和5軸銑削減材加工的復(fù)合制造，實(shí)現(xiàn)擁有最終品質(zhì)零件的快速制備。增材工藝參數(shù)為：激光功率2 400 W，掃描速度1 000 mm/ min，送粉速率14 g/min。增/減材復(fù)合加工工藝流程如圖9所示：1) 圓柱環(huán)的激光成形(增)；2) 法蘭的激光成形(增)；3) 銑削法蘭平面(減)；4) 法蘭鉆孔(減)；5) 圓柱連續(xù)成形(增)；6) 堆焊橫截面(增)；7) 激光成形圓錐口(增)；8) 第二法蘭的激光成形(增)；9) 12個(gè)接頭的激光成形(增)；10) 銑削內(nèi)圓弧型腔(減)；11) 銑削法蘭與內(nèi)輪廓(減)；12) 銑削接頭(減)。零件的整個(gè)加工過程實(shí)現(xiàn)了如法蘭鉆孔、接頭生產(chǎn)等難加工部件的一次成形，激光直接金屬沉積成形時(shí)間230 min，銑削加工時(shí)間76 min，較傳統(tǒng)加工方式效率提高5~8倍。最終成形零件如圖10所示，均達(dá)到最終的精度設(shè)計(jì)要求。

圖8 銑削件的表面與截面顯微組織

圖9 渦輪殼的增/減材復(fù)合制造工序圖

圖10 異型渦輪增壓殼體零件

3 結(jié)論

1) 采用DMG MORI LASERTEC 65 3D復(fù)合加工中心，完成不銹鋼渦輪增壓殼的粉末激光直接金屬沉積成形和5軸銑削加工的復(fù)合制造，最佳的沉積工藝參數(shù)為：激光功率為2 400 W，掃描速度為1 000 mm/ min，送粉速率為14 g/min，沉積件獲得理想的等軸晶組織，其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到632 MPa和46.9%，與同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)。

2) 用DMG MORI LASERTEC 65 3D復(fù)合加工中心，可完成不銹鋼異型渦輪增壓殼體的粉末激光直接金屬沉積成形和5軸銑削的復(fù)合加工制造，在保證工件精度的前提下，能較好地實(shí)現(xiàn)如法蘭鉆孔、接頭生產(chǎn)等難加工部件的一次性成形。

致謝

感謝黃河旋風(fēng)股份有限公司博士后工作站和中南大學(xué)粉末冶金研究院材料科學(xué)與工程博士后流動(dòng)站的合作支持(No. 148700)。

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(編輯 湯金芝)

Laser deposition additive/subtractive hybrid manufacturing process for stainless steel powder based on DMG MORI LASERTEC 65 3D

ZHANG Juntao2, ZHANG Wei1, 2, LI Yujia2, HU Songhao2, HUANG Songhai2, HE Tianyun2, LIU Yong1

(1. Powder Metallurgy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Henan Huanghe Whirlwind Co., Ltd., Xuchang 461500, China)

The rapid preparation of the final quality parts using stainless steel powder was performed on the DMG MORI LASERTEC 65 3D, the first additive/subtractive hybrid manufacturing machine tool in China. The effects of laser power, scanning speed and feeding speed on the section shape, size and surface roughness of stainless steel deposits were studied. Optimizing the deposition parameters and determining the mechanical properties of the integrable parts were also performed. The machining capability level and the application space of the DMG MORI LASERTEC 65 3D for the additive/subtractive hybrid manufacturing of the metal alloy components were also investigated. The results show that the ideal equiaxed grain structure can be obtained by powder deposition and lap joint under the optimized laser forming conditions with the laser power of 2 400 W, the scanning speed of 1 000 mm/min, and the powder feeding rate of 14 g/min. The tensile strength and elongation reach 632 MPa and 46.9% respectively, which are comparable with forgings. Using DMG MORI LASERTEC 65 3D composite machining center, the composite machining of stainless steel special type turbocharged shell by powder laser direct metal deposition and 5 axis milling can be completed. On ensuring the precision of the workpiece, the one-time forming of the difficult parts such as the flange drilling and the joint production can be realized, the efficiency is 5?8 times higher than that of the traditional processing method.

additive/subtractive hybrid manufacturing; stainless steel powder; laser directed energy deposition shaping; microstructures; mechanical property

TB31

A

1673-0224(2018)04-368-07

許昌英才計(jì)劃資助項(xiàng)目(許文[2017]40號(hào))

2017?10?30；

2018?03?29

張偉，副研究員，博士。電話：0.731-88877669；E-mail: waycsu@outlook