雷 佩，王靜靜

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002）

3D打印技術(shù)基于快速噴涂成型生產(chǎn)的基本原理。它是通過(guò)添加金屬粉末，結(jié)合高密度和高能量的激光束作為加熱源，使用3D數(shù)字CAD模型作為3D而形成的。尺寸成型框架，并根據(jù)程序預(yù)先形成運(yùn)動(dòng)軌跡。具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和優(yōu)良特性的金屬零件。

在對(duì)多層打印金屬零部件微觀表征的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，縱向梯度隨著層數(shù)逐漸增加，柱狀晶粗化明顯，組織沿縱向梯度方向嚴(yán)重不均勻，氣孔、孔洞、夾雜等缺陷的數(shù)量也大幅增加的問(wèn)題。對(duì)下部、中部、上部不同空間位置進(jìn)行多數(shù)量等比例拉伸試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)縱向梯度強(qiáng)度和塑性嚴(yán)重不均勻的問(wèn)題，為了解決這些問(wèn)題，獲得整體組織和性能均勻的激光3D打印金屬零部件，本文提出了金屬零部件加工中的融合3D打印技術(shù)應(yīng)用研究[1]。根據(jù)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)功率降低的加工方案，減少3D打印過(guò)程中的熱積聚效應(yīng)，使打印的金屬零件更加均勻，進(jìn)一步提高金屬零件的性能。并建立動(dòng)態(tài)三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真模型，對(duì)其進(jìn)行了仿真模擬，加以驗(yàn)證。

1 金屬零部件加工中的融合3D打印設(shè)備及操作流程

試驗(yàn)采用3D打印設(shè)備系統(tǒng)，其發(fā)出的激光波長(zhǎng)為1060nm，外部光路的激光傳導(dǎo)為1000nm光纖，它隨后連接到激光3D打印頭上，金屬粉末通過(guò)粉末進(jìn)料器進(jìn)料。采用西門子數(shù)控系統(tǒng)控制的三軸數(shù)控機(jī)床作為工作平臺(tái)。配備了惰性氣體保護(hù)手套箱，恒溫循環(huán)水冷卻，銅基板和Ar氣流系統(tǒng)。具體參數(shù)如表1所示。

表1 光纖激光儀器主要參數(shù)

其中3D打印設(shè)備的操作步驟如下。

（1）在此之前在粉末進(jìn)料器中進(jìn)行測(cè)試時(shí)，地方Incone1625金屬粉末，粉末進(jìn)料器來(lái)調(diào)節(jié)速度，以使粉末進(jìn)料速率為18克/分鐘。最終目標(biāo)-以提供均勻的發(fā)送合金粉末，不會(huì)與激光束的光輸出以及確保電流粉末和激光束的會(huì)聚效果干擾。

（2）將干燥后的20G基板通過(guò)轉(zhuǎn)移室，放在帶有恒溫銅基板的工作臺(tái)上，置于惰性氣體保護(hù)的手套箱中，然后將導(dǎo)熱膠均勻涂抹在20G基板與水的接觸面上——冷卻銅板，最終目標(biāo)是保持3D激光打印過(guò)程具有良好的成型效果。

（3）將激光頭與20G基板的距離調(diào)整15mm，使激光束和來(lái)自同軸四路氫粉供應(yīng)線的粉末流有良好的會(huì)聚效果。

（4）最后，將預(yù)先設(shè)計(jì)好的CNCNumericG代碼加載到CNC系統(tǒng)中，打印路徑將平行并在同一方向。然后可以在控制面板上調(diào)整需要更改的測(cè)試參數(shù)，包括激光輸出功率、掃描速度等，檢查各項(xiàng)指標(biāo)是否工作，符合標(biāo)準(zhǔn)后運(yùn)行測(cè)試。

（5）完成測(cè)試后，讓樣品冷卻，按數(shù)字順序取出打印的樣品，然后進(jìn)行系統(tǒng)的檢查和分析。

2 金屬零部件加工中的融合3D打印瞬態(tài)溫度場(chǎng)建模

加工金屬零件時(shí)的Fusion3D打印過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。這些微觀機(jī)制相互影響，在技術(shù)設(shè)備中無(wú)法用肉眼準(zhǔn)確檢測(cè)和分析。在加工金屬零件時(shí)，僅僅依靠測(cè)試方法來(lái)分析不同因素之間的相互作用，需要進(jìn)行大量的測(cè)試才能得到薄壁加工的最佳工藝和參數(shù)，這不可避免地人力物力受到損失，一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試過(guò)程無(wú)法定量揭示演化規(guī)律和微觀結(jié)構(gòu)變化的機(jī)制。建模方法允許對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行可視化、三維和動(dòng)態(tài)顯示，例如顯示非定常溫度場(chǎng)的演變等。

根據(jù)這一需求設(shè)計(jì)了逐層數(shù)功率遞減的實(shí)驗(yàn)方案，這一方案是一個(gè)自適應(yīng)靈活的分析方法，逐層數(shù)遞減是指施加功率值可以從剛開始2200 W，逐單層0 W~30 W遞減，或者逐層甚至三層OW~30W遞減一直到所需的層數(shù)，使得梯度方向最大程度獲得低的熱輸入量而獲得更優(yōu)異的性能和組織大尺寸30層金屬零部件。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)可變的過(guò)程，成形件的組織均勻性和性能均勻性得到提升。

建立模型，進(jìn)行打印，得到的成形件，可以發(fā)現(xiàn)30層20W逐層遞減的試樣打印同向，長(zhǎng)度80mm，高度17mm，寬度3mm，表面成形連續(xù)且平整、有明顯的金屬光澤、垂直度良好、無(wú)宏觀氣孔和夾雜、無(wú)裂紋缺陷，可以發(fā)現(xiàn)每一層之間以及打印層和基體界面處熔合良好，而30層30W逐層遞減的試樣打印同向，長(zhǎng)度80mm，高度17mm，寬度3mm~1.5mm漸變，會(huì)發(fā)現(xiàn)有明顯的上薄下粗的現(xiàn)象，主要是由于熱輸入明顯降低的緣故且試樣的表面粗糙度比前者要低。

2.1 工藝優(yōu)化后的金屬零部件組織結(jié)構(gòu)

激光3D打印金屬零部件過(guò)程中，隨著打印層數(shù)的增加，激光束熱源對(duì)打印層和基體層持續(xù)熱輸入，此時(shí)散熱條件也會(huì)降低，導(dǎo)致打印件整體的溫度急劇上升，同時(shí)每打印一層的成形過(guò)程會(huì)對(duì)該層的前幾層產(chǎn)生加熱效應(yīng)造成熱影響，導(dǎo)致晶粒尺寸沿縱向梯度的不均勻。逐層20W熱輸入遞減的試樣要比逐層30W遞減的試樣組織更加均勻，晶粒分布更加彌散，尺寸相對(duì)大小差別更小，這有效說(shuō)明新加工方案的思路有助于金屬零部件均勻組織的形成。

圖1 為激光3D打印工藝優(yōu)化后金屬零部件不同梯度位置組織的三維形貌。從圖中可以發(fā)現(xiàn)2套加工方案的壁件顯微組織是均勻的、致密的。但液相的高度可能會(huì)超過(guò)一個(gè)打印層的厚度，當(dāng)激光束光源掃描到合金粉末上時(shí)，激光功率合適且夠大和掃描速度是在進(jìn)行統(tǒng)一量綱后優(yōu)化過(guò)的。

圖1 工藝優(yōu)化INCONEL62s金屬零部件不同梯度位置的三維組織形貌

從圖中不難看出，橫截面上生長(zhǎng)大多為細(xì)而長(zhǎng)的柱狀晶，之后在逐層打印，過(guò)程中激光掃描組織中的枝晶晶粒生長(zhǎng)方向，也可得知激光3D打印金屬零部件的過(guò)程，其中重要的溫度梯度是垂直向下的，是因?yàn)榧す馐鏌嵩丛谥鸩綊呙?，熱源前部的溫度梯度值大于熱源后部的溫度梯度值，由圖可以直觀看出金屬零部件不同區(qū)域的組織區(qū)別明顯減小，20W逐層遞減的下部組織與上部的柱狀晶組織尺寸基本相當(dāng)有嚴(yán)格的外延生長(zhǎng)特點(diǎn)，相比30W逐層遞減的下部和上部值要更為粗大一些，同時(shí)30W逐層遞試樣的下部和上部柱狀晶也表現(xiàn)出更加均勻的特性。

綜上述3D打印制造金屬零部件的結(jié)構(gòu)組織更加均勻的20W金屬零部件進(jìn)行eDS面掃后發(fā)現(xiàn)，其主要以固溶體為主，在柱狀晶與樹枝晶間存在一定數(shù)量且不規(guī)則分布的Laves相。利用能譜對(duì)20W逐層遞減試樣的微觀組織進(jìn)一步分析。從eDS形貌分布中發(fā)現(xiàn)，試件主要有兩種不同的析出相，一種是基體固溶體，另一種是不規(guī)則形狀以及不規(guī)則分布的析出相數(shù)量較多，在壁件整體中呈現(xiàn)彌散分布。

可以得出看出隨著試樣高度的不斷增加，熱量的不斷積累，冷卻速度不斷降低，柱狀晶的枝晶之間的距離在逐漸地?cái)U(kuò)大。在試樣的中上部，相鄰枝晶間的二次枝晶發(fā)生相互交錯(cuò)使得析出相的縮小。

2.2 工藝優(yōu)化后金屬零部件性能

本文研究了3D打印金屬零部件從單道到薄壁成形過(guò)程，分析了單道打印的最佳工藝參數(shù)，利用該最佳工藝參數(shù)進(jìn)行大尺寸成形件打印，針對(duì)不同高度位置枝晶的形貌和性能表現(xiàn)出的不均勻性和不一致性，針對(duì)該問(wèn)題并提出了調(diào)控?zé)彷斎氲姆桨浮?/p>

金屬零部件3D打印的加工技術(shù)，進(jìn)行了10層、20層、30層的打印。其微觀組織主要以柱狀樹枝晶為主，且枝晶晶粒生長(zhǎng)方向與激光束掃描方向近似垂直定向外延生長(zhǎng)。

建立了3D打印金屬零部件的溫度場(chǎng)模型，模擬了其形成過(guò)程中三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)的變化過(guò)程，并對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)從第五打印層之后各分析步的中心點(diǎn)峰值溫度基本上相等隨后開始下降，同時(shí)溫度熱循環(huán)輪廓相似，從各打印層的各個(gè)分析步特征點(diǎn)計(jì)算所輸出的熱循環(huán)曲線大體可以看出，3D打印過(guò)程是一個(gè)快速加熱冷卻的過(guò)程，后打印層各分析步中心點(diǎn)的峰值均比前一打印層各分析步要高，但是這種增幅度會(huì)越來(lái)越小。

隨著打印過(guò)程的進(jìn)行，打印樣件會(huì)產(chǎn)生熱積累。為此設(shè)計(jì)了逐層降低熱輸入30 W和20 W方案。逐層20 W熱輸入遞減的試樣要比逐層30W遞減的試樣組織更加均勻。對(duì)20 W遞減的金屬零部件進(jìn)行eDS面掃描后發(fā)現(xiàn)，其主要以固溶體為主，在柱狀晶與樹枝晶間存在一定數(shù)量且不規(guī)則分布的Laves相，數(shù)量較多，在金屬零部件整體中呈現(xiàn)彌散分布。30 W逐層遞減的30層金屬零部件相比20 W逐層遞減30層試樣和同功率打印的30層試樣在高度方向表現(xiàn)出更加均勻的拉伸強(qiáng)度和塑性，強(qiáng)度在700 MPa左右，塑性延伸率60%左右。

綜上所述，金屬零部件加工中的融合3D打印技術(shù)制造出來(lái)的金屬零部件相比較于傳統(tǒng)方法，金屬零部件更加均勻，金屬零部件性能也得到了進(jìn)一步提升。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)金屬零部件加工中的融合3D打印技術(shù)研究，仿真模擬分析探討了不同工藝參數(shù)對(duì)3D成形金屬零部件組織和性能均勻性獲得的影響規(guī)律。利用逐層降低熱輸入的方法雖然在一定程度上可以提升一個(gè)參數(shù)打到底的大尺寸金屬零件的組織均勻性和性能均勻性，但是在成形過(guò)程中各個(gè)工藝參數(shù)如保護(hù)氣流速，粉末顆粒匯聚程度等定量準(zhǔn)確地合理匹配過(guò)程需要進(jìn)一步分析研究，使得方案更加精細(xì)化。雖然取得了一定的進(jìn)展，但還有很多更詳細(xì)的問(wèn)題需要進(jìn)一步系統(tǒng)研究和解決。