激光熔化成型件致密性的研究

激光熔化成型件致密性的研究

20世纪90年代，选择的激光硬化（slm）是金属粉末层熔结、形成的快速制造技术。SLM方法具有快速成型技术柔性制造,无需模具,缩短新产品研制周期和降低成本的优势,特别是在金属零件制造方面,节省原材料的同时制件具有冶金特性,提高了快速成型产品质量。但无论生产机械零件还是其他材料试样,前提都是要保证高的致密性,这可以通过不同的粉末材料结合机理研究,以及优化SLM工艺参数等途径,制备得到高致密度的零件。Krutha等人采用SLM技术对50%Fe-20%Ni-15%Cu-15%Fe3P的混合物粉末在熔化过程中的金属球化问题及其制件的致密性进行了研究,结果表明,采用合适的扫描策略可以减小金属熔化时的球化问题以及增大制件致密度。目前,SLM技术应用于多种金属及合金粉末材料的加工,制备了致密度高的零件以及网状结构试样,已取得了很大进展。本文以典型的铁镍系合金材料为对象,研究SLM工艺参数对制备铁镍系材料成型性的影响,并通过试样微观组织以及致密性分析,确定优化的工艺参数匹配,最终制备出致密的块体试样,为相关材料SLM技术的工程应用研究提供参考。1材料及实验方法实验采用脉冲式Nd:YAG激光快速成型机,其最大输出功率为400W,激光束最小光斑直径为0.15mm,扫描速度为500~1600mm/min,金属粉末铺粉厚度为0.05~0.30mm,工作室最大成型尺寸为220mm×220mm×400mm。实验材料为Fe、Ni金属粉末,经工艺试验比较后,优选的材料体系中Fe的质量比例为60%、Ni为40%。该合金系粉末经球磨加工处理,最大粒径为60μm。本实验中采用的激光扫描方式为分块扫描(如图1所示),扫描矢量长度为20mm,成型试样为长方形块体,其厚度为10mm。试样成型后用扫描电镜观察其表面微观形貌,然后经用酒精清洗,再用排水法测定其致密度。2结果与讨论2.1扫描线宽增加。据创历史中心加激光功率对单道金属扫描线宽和扫描线高的影响如图2所示。可看出,扫描线宽度随着激光功率的增加而增加,这是由于激光功率的增加,会导致更多金属粉末吸收能量,熔化区域增大,导致扫描线宽增加;而扫描线高随着激光功率的增加仅略微增加。扫描速度对扫描线宽和扫描线高的影响如图3所示。可见,扫描线的宽度和高度随着激光扫描速度的增加而降低。这是因为当其他工艺参数不变时,一方面,单位面积上金属粉末吸收的能量随扫描速度增大而减小;另一方面,熔化的金属粉末比例随扫描速度增大而明显减小,这样就导致了其扫描线宽度和高度降低。铺粉厚度对扫描线宽度和高度的影响如图4所示。可见,铺粉厚度的增大对扫描线宽度影响不大,只有轻微的波动,但使扫描线高度显著增加。2.2扫描速度对熔池及滴固体的影响图5是在激光功率为150W,不同扫描度下进行单层单道扫描实验所得到试样的宏观形貌。经比较可以看出,对于给定的激光功率,在不同扫描速度下,单层单道扫描成型试样的致密性及表面质量有差异。在较低的扫描速度下,形成一个稳定的和连续向量的熔池,随着扫描速度的增加,非连续向量熔池和滴状物形成。很明显,对于给定的激光器,在较低扫描速度下,熔融粉末温度更高,体积也更大。众所周知,表面张力系数以及熔体粘度随温度升高而降低,因此当扫描速度较高时,有效的粉末不足,表面张力破坏了粉末的熔化方向,形成一系列的滴状物;而减小扫描速度,有效的粉末是足够的,可以形成持续且规则的试样熔化宽度。2.3多层扫描体的作用图6是扫描速度为1200mm/min,不同激光功率下扫描5层的成型试样照片。通过与图5相比较可以看出,总体上随着扫描层数的增加,逐渐形成了材料表面分布均匀和比较连续致密的成型试样,多层扫描过程中基板作用逐渐减弱有利于成型质量的提高。由于基体材料的导热系数比粉末的要高很多,因此形成第一层的单层扫描时,更多的能量用来加热基体,从而在有效熔融粉末不充足时,使单道扫描变得不连续。随着粉末扫描层数的增加,粉末熔融时与基板热传递的损失随之减少,更多的能量被金属粉末吸收而熔化,从而形成规则的试样。2.4成型工艺参数的优化随着扫描速度的增加,激光成型件的颗粒尺寸和连接部位的宽度减小,烧结件的致密度减小。其原因在于扫描速度的增加,导致了激光对粉末加热能量的减少,成型过程中产生的液相量减少,溶解、凝固体积减小,导致致密度降低。所以,进行成型工艺参数的优化非常关键,图7为扫描速度1000mm/min下所制试样的微观形貌。不同的工艺参数对烧结件致密度的影响,很大程度上取决于该烧结工艺参数下单位体积产生的液相量。2.5脉冲激光束扫描进行了上述SLM工艺实验研究和块体试样制备,得到优化的成型工艺参数匹配:扫描速度1000mm/min,脉冲宽度0.9ms,铺粉厚度0.15mm,激光功率150W,频率80Hz,扫描间距0.25mm。图8为优化工艺参数条件下所制备的块体试样,SLM成型件具有金属光泽,致密度较高达到80%以上。3多层结构试样的成型SLM成型主要工艺参数中,随着激光功率的增加和扫描速度的降低,熔覆试样扫描线宽度和高度有所增大;随着铺粉厚度的增加,线宽变化不大,但线高明显增大。多层结构试样中基底层与稳定的扫描层成型质量有差异,多层扫描过程中基板作用逐渐减弱有利于成型质量的提高,层数增加稳定扫描后,可形成表面均匀