cusn预合金对cu基粉末激光烧结的影响

cusn预合金对cu基粉末激光烧结的影响

近年来，作为快速原型制造技术（rapidprotoin，sys）的重要分支之一，它引起了越来越多的关注。目前,SLS技术正广泛用于快速模具制造(RapidTooling,RT),EDM电极制造,梯度功能材料制造,以及航空、航天和其他装备用高性能关键金属零部件的集成制造领域。早先的研究集中于Cu,Fe,Ni,Ti等单组分金属粉末,但因SLS过程中“球化”现象严重,而具有明显的工艺缺陷。目前国内外研究的粉末主要包括预合金粉末Ti6Al4V、Ni基合金、Cu基合金、低碳钢、高速钢、不锈钢等,以及多组分金属粉末等[13,14,15,16,17,18]。对于多组分金属粉末SLS,研究较多的是混粉烧结,即将作为结构金属的高熔点金属粉末、作为粘结金属的低熔点金属粉末、及某些添加剂混合后烧结。已有的研究认为其成形机制为,激光加热粉末至两金属熔点之间的某一温度,粘结金属熔化以形成液相,并在表面张力的作用下填充于结构金属粉末颗粒之间,使之粘结并致密化。特别需要指出的是,SLS过程中的“球化”效应和翘曲变形,使得精确成形形状复杂的金属零件仍有较大难度。究其原因,在材料方面,目前的研究一般仅选用市售粉末冶金材料作为实验原材料,因其并非专门为SLS而设计,故其化学成分和物理性能一般难以满足SLS的特殊要求,从而直接影响烧结过程和烧结质量;在激光工艺方面,已有的研究一般是采用高功率激光(实际使用功率在1kW以上)对金属粉末进行多层熔覆而构建三维实体,而高功率激光的引入难以精确控制液相量,从而不可避免地导致烧结过程中“球化”效应明显,同时烧结件中过高的热应力导致翘曲变形严重,甚至出现开裂。金属粉末SLS涉及复杂的化学冶金和物理冶金过程,原始粉末特性和激光工艺参数共同影响并决定烧结致密化过程和烧结件微观特征,两者的作用相辅相成。本文主要研究CuSn预合金对Cu基金属粉末和Ni基金属粉末选区激光烧结的影响,并结合对烧结试样显微组织的分析,提出优化粉末组分比例、提高烧结件致密度的途径。1激光烧结实验实验材料为水雾化CuSn(含Sn的质量分数为10%)预合金粉末,粒度为10~40μm,且呈高斯分布;纯度为99%的电解铜粉,其外形呈不规则状,粒度为50~80μm;Ni粉纯度为99%,颗粒外形呈球形,平均颗粒直径为15μm;气雾化CuP(含P的质量分数是8.4%)预合金粉末,平均颗粒直径为20μm,添加元素P以与基体元素Cu固溶的形态加入粉末体系,作为稀释剂或脱氧剂而改善烧结性。将上述粉末按一定的质量配比成Cu-CuSn-CuP和Ni-CuSn-CuP两类合金粉末,并分别置于旋转式真空混粉设备的圆柱形型腔内加以混合,通过调节设备旋转速度、保证足够的混粉时间,来实现混粉均匀性。本实验使用北京隆源自动成型系统有限公司生产的激光快速成型机。烧结系统主要包括连续CO2激光(λ=10.6μm),最大输出功率1kW,且功率连续可调;双缸自动铺粉装置,即包括供粉缸和成形缸。烧结过程中,铺粉滚筒将供粉缸中的粉末均匀铺放于成形缸的基板上,激光束根据零件第1层数据信息有选择地烧结粉层某一区域,以形成零件的一个水平方向的二维截面;随后,成形缸活塞下降一定距离,供粉缸活塞上升相同距离,铺粉滚筒再次将粉末铺平,激光束开始依照零件第2层信息扫描粉末;如此反复叠加,直至试样实体成形完毕。本实验中,激光烧结在室温下进行,无预热保温装置,无保护气氛。所用工艺参数如下:激光功率50~500W,光斑直径0.3mm,扫描速率0.01~0.10m/s,扫描间距0.15mm,铺粉厚度0.05~0.35mm。实验中首先进行粉末单层烧结,以确定合理的工艺参数,进而制备多层烧结试样。试样的表面形貌、显微组织利用QUANTA200型扫描电镜以及光学显微镜加以分析,烧结件密度利用阿基米德定律来测算。2结果与讨论2.1工艺实验结果图1所示为激光功率在50~500W、扫描速率在0.01~0.10m/s之间连续可调的前提下,烧结Cu-CuSn-CuP单层粉末所获得的工艺实验结果。由于SLS是采用激光作为热源,基于激光束的持续移动来逐行、逐层烧结金属粉末成形,故激光功率和扫描速率对烧结过程和成形质量影响尤为显著。根据粉末单层烧结情况,可将整个激光功率和扫描速率变化区间分为下列5个区域:(1)无燃烧区域即激光能量不足,对粉层只起一定的加热效果,没有粉末熔化。(2)固相燃烧区即激光能量能对粉层有一定加热作用,并可使粉末棱角熔化,但不足以使金属粉末发生整体熔化,粉末之间可发生部分微粘连。(3)部分精炼区即激光能量使粉末体系中的部分粉末(粘结金属)发生熔化而生成适量的液相,通过液相的“桥接”作用而粘结未熔固相颗粒实现烧结致密化。(4)金属柱的球化即激光能量虽未使金属粉末完全熔化,但生成过量的液相,形成圆柱形金属熔化轨迹,因表面能的降低所引起的液柱不稳定性会使其分裂成球状,即发生“球化”。(5)sls-固相烧结的烧结过程即激光能量使金属粉末完全熔化,形成的液相量足以形成连续的液柱,这相当于激光熔覆,在不预热条件下,由于凝固收缩和固态收缩,加之是多层烧结,因此形成较大的应力,引起烧结件明显变形甚至发生断裂。对于Ni-CuSn-CuP单层粉末的选区激光烧结,也可得到类似的结果。只是图1中各区的相对位置和大小发生了变化。传统的粉末固相烧结是依靠高温下原子沿着颗粒表面、晶界及其他途径的扩散传质而形成粘结,由于原子扩散速度缓慢,故烧结时间较长(一般需数小时)。而在SLS过程中,由于是运动激光束,在任一粉末颗粒上的持续辐照时间通常在0.5~25ms之间,因此SLS只能通过液相烧结机制来实现。根据上述单层烧结得到的工艺实验结果(图1),并考虑到在球化区和完全熔化区内,烧结件普遍具有孔隙率高、微观裂纹明显、氧化夹杂严重等工艺缺陷,因此选择粉末部分熔化的方式。对液相量的控制可以通过控制合金粉末中低熔点金属(粘结金属)含量和适当调整工艺参数来实现。由图1可知,当扫描速率较低(0.01~0.03m/s)时,欲仅使粉末体系中的粘结金属发生熔化,需对激光功率的控制极为严格;而当扫描速率较高时,激光功率变化区间则较宽,烧结过程亦便于控制。2.2多层锁和锁的形成(1)cu-cusn-营造基于单层烧结的工艺实验结果,利用优化的工艺参数(激光功率350W,扫描速率0.05m/s),对Cu-CuSn-CuP,Ni-CuSn-CuP粉末体系进行多层(40层)烧结,分别制备了尺寸为45mm×20mm×10mm的试样,图2为Cu-CuSn-CuP系合金粉末的烧结试样。(2)烧结池的特征图3所示为Cu-CuSn-CuP合金粉末烧结试样典型的表面形貌。由图可见,未熔固相颗粒间通过液相凝固后生成的“烧结颈”而形成有效连接。这是因为固相颗粒接触区的应力较其他部位高,使得溶质择优地在此处沉积,从而实现液相凝固及固相颗粒间的粘结。Ni-CuSn-CuP合金粉末烧结试样典型的表面形貌也具有类似的特征。粘结金属(CuSn)熔化形成液相,并在表面张力的作用下填充于结构金属Cu(或Ni)颗粒的孔隙间。随着光斑作用区域内生成的液相量增加,则形成固、液相共存的“烧结池”。若烧结池中有足量的液相生成,且液相黏度较低,固液体系具有良好的整体流变性,则液相能依靠毛细作用均匀铺展在固相颗粒四周,提高烧结致密化程度。若液相量过高,则固液混合体系黏度过低,将直接导致SLS过程中的“球化”现象;同时,过低的液相黏度导致固相颗粒间的毛细张力随之减弱,烧结池中的固相颗粒重排率降低,进而影响烧结致密度。烧结池中的液相量及其黏度取决于合金粉末的组分和烧结温度,而烧结温度受激光功率和扫描速率的影响尤为显著。顺便指出的是,添加的CuP合金在烧结后以CuPO3的形态存在,而铜的氧化物CuO或Cu2O并未出现。这是因为在未通有保护气氛的条件下,P元素起脱氧剂的作用,而优先与氧发生反应。此反应使得在液相烧结过程中金属颗粒表面能避免氧化,进而能形成金属-金属接触界面,显著改善液相对固相的润湿性,提高烧结致密度。2.3cusn预合金对燃烧材料中的微结构影响(1)粘结金属比例对烧结性能的影响图4为Cu-CuSn-CuP合金烧结件的显微组织随粘结金属CuSn含量变化的情况。当粘结金属比例较低时,单条扫描线中的液相凝固组织成断续的窄条状分布,而相邻烧结线之间几乎未有粘结,其间充满大量连续分布的孔隙,如图4(a)。其原因在于烧结过程中形成的液相量少,只能用于粘结在其周围的Cu颗粒,故只能形成断续的凝固组织;同时由于液相量偏少,难以使得Cu颗粒发生重排,导致大量孔隙存在于烧结件中。随着粘结金属比例的增加,烧结试样中不存在连续分布的孔隙,但整个凝固组织仍成明显的条状分布。单条烧结线的凝固组织连续性得以提高,而相邻两条烧结线间的粘结性则较低,其间仍分布有小尺寸的孔隙,如图4(b)。这是因为随着生成的液相量增加,液相黏度降低,Cu颗粒位置发生重排,并随液相迁移至激光扫描线的中心地带,凝固后形成连续烧结线。当粘结金属比例达到一定值时,烧结试样中孔隙率显著减少,凝固组织中不再出现烧结线轨迹,而是成完整的平面状分布,如图4(c)。这是由于生成了足够的液相量,液相不仅能完全包覆并润湿单条烧结线中的Cu颗粒,加速其颗粒重排,提高烧结致密度;而且液相足以填充相邻烧结线之间的空隙,以形成平面状凝固组织,并使得致密度显著提高。而当粘结金属比例过高时,虽然液相凝固组织仍能成平面状分布,但其中分布有较多的孔隙,如图4(d);而烧结致密度也显示下降的趋势。其原因在于随着生成的液相量进一步增加,液相黏度显著降低,而过低的液相黏度将导致“球化”效应,进而降低致密度。实验中还发现,此种情况下烧结件出现明显的翘曲变形。原因在于随着粘结金属比例提高,导致生成的液相量明显增多,并使当前烧结层收缩加剧,而此时先前的烧结层已凝固,且温度较低,前后两层的温差及由此导致的热应力,致使烧结件出现翘曲变形。(2)显微组织及ni-cusn-营造图5为Ni-CuSn-CuP合金烧结件的显微组织。图中成弥散分布的白色颗粒是结构金属Ni,而包覆在其周围的深色组织是凝固后的粘结金属CuSn。由图可以看出,Ni-CuSn-CuP合金烧结件的显微组织和Cu-CuSn-CuP合金烧结件的显微组织具有明显不同的特征。对于Cu-CuSn-CuP合金,不论CuSn含量的多少,选区激光烧结后都能形成具有均匀显微组织的试样;而对于Ni-CuSn-CuP合金,在不完全熔覆的条件下,则只能形成显微组织不均匀的烧结试样,也可以称之为假合金。分析认为,在CuSn预合金熔化的温度条件下,Cu与CuSn合金中的元素互扩散容易进行,而Ni与CuSn合金中的合金元素的互扩散则难以发生;同时,结构金属Ni和粘结金属CuSn的熔点相差较大也是一个重要原因。另一方面,这一结果也较好地验证了选区激光烧结的成形机制,即在SLS过程中,熔点较低的CuSn充当粘结金属,熔化形成液相;而熔点较高的Ni则保持固相。液相均匀弥散在固相颗粒四周,并充当润湿剂的作用,使得固相发生快速颗粒重排,从而实现SLS烧结致密化。3cusn-营造(1)对于多组分金属粉末的选区激光烧结,整个激光功率和扫描速率变化区间可分为无烧结区、固相烧结区、部分熔化区、球化区和完全熔化区