激光烧结工艺参数对成形机制的影响

激光烧结工艺参数对成形机制的影响

0金属零件生产制造高速原型制造技术（ep）是一系列顶层零件的总称，选择性激光燃烧技术（sl）是其的重要分支。其技术原理是将计算机生成的3d模型加工成一系列薄截面。根据每个截面层的二维数据，控制每个截面层的激光束，选择地下块中的特定区域，并在水平方向上生成零件的层。后续材料与已堆栈层结合，逐渐沉积为三维件。利用SLS工艺直接将金属粉末烧结成三维零部件是快速成形制造的最终目标之一。在SLS过程中,高能量的激光直接将金属粉末烧结成高致密度(大于理论密度的80%)的零部件,很少需要或不需要后续处理。由于金属粉末SLS工艺能快速制造出功能性金属零件原型和金属模具,大幅缩短生产周期及削减生产成本,尤其适于小批量的生产制造,因此,日益成为材料成形与制造领域的研究热点,其工业化应用已在世界范围内引起普遍关注,目前正广泛用于快速模具制造,如EDM电极制造,梯度功能件制造,以及航空、航天和武器装备用高性能关键金属零部件的集成制造领域。然而,国内外的众多研究报道表明,SLS技术精确成形形状复杂的金属零部件仍有较大难度,究其原因,主要是由于金属粉末在SLS中的“球化”效应和翘曲变形。“球化”效应的产生使烧结线不连续,且烧结件内部孔隙增加、表面粗糙度增大及尺寸精度降低。烧结过程中的翘曲变形,使下一层粉末无法铺放或铺粉厚度不均,逐层烧结不能顺利进行;即使能够勉强进行,其内应力将导致烧结件产生相当大的形状误差或形成较多的裂纹。要实现对上述两大问题的控制,必须从研究金属粉末在SLS过程中的成形机制入手,综合分析材料特性和工艺参数对成形机制的影响,从而改善激光烧结质量及实现金属零件的精密成形。1sl形成机制1.1球化及粉末烧结机理在SLS过程中,激光束在任一金属粉末颗粒上的持续辐照时间都极短,通常在0.5～25ms之间。在如此短暂的热循环之下,快速粘结机制是必需的,而这只能通过粉末颗粒的粘性流动或熔化的方式来实现。对于纯金属粉末,考虑到即使是在接近熔点的温度下,由于粉末粘度很高,也很难出现有效的粘性流动致使其致密化,故熔化-凝固机制是纯金属粉末SLS的唯一可行机制。在SLS过程中,需严格调节激光参数,使纯金属粉末颗粒表面熔化而生成液相,由此粘结未熔固相颗粒的残余核心而实现烧结。需要指出的是,SLS过程中激光束逐行扫描会形成圆柱形的金属熔化轨迹;表面能降低所引起的液柱不稳定性会使其改变形状,导致液柱分裂成球状,称之为“球化”现象。纯金属粉末在液相烧结阶段,粘度相对较高且表面张力效应明显,故“球化”现象尤为严重,且形球直径往往大于粉末颗粒直径,导致大量孔隙存在于烧结组织中。Agarwala等曾尝试激光烧结纯铜、纯铅粉末,但均因“球化”严重而未获成功。因此,纯金属粉末的SLS具有明显的工艺缺陷,往往需要后续处理,不是真正意义上的“直接”烧结,故必须选择其他合适的材料体系加以克服。1.2预处理法不同于熔点均一的纯金属,预合金粉末在熔化-凝固的过程中存在一个固液共存的区间。预合金粉末颗粒的粘结也必须通过液相烧结来完成,烧结温度在其组元的液相线温度和固相线温度之间进行选择,称之为超固相线液相烧结。在此过程中,激光加热预合金粉末至略高于固相线的温度,使其发生非均匀熔化,液相沿着粉末颗粒内部的晶界生成,颗粒经受破裂,同时液相流动并润湿晶界和固体颗粒,通过颗粒的重排以及后续的溶解-再沉淀过程,致使合金粉末快速致密化。Song等利用高速摄像机对预合金CuSn89/11粉末的SLS做了实时图像分析,结果验证了上述烧结机制。Simchi等研究发现,如果烧结温度上升至液相线以上,预合金粉末的烧结机制可以从超固相线烧结机制转变为完全熔化-凝固机制。此时,虽然仍可实现金属粉末的烧结成形,但必须合理设计材料组分和严格控制工艺参数,以防烧结过程中的氧化夹渣和“球化”现象,进而获得良好的烧结性。1.3金属粉末烧结目前,金属粉末SLS工艺所使用的材料体系呈现下列趋势:一般选用多组分金属粉末,而将预合金粉末作为其中的粘结金属。这是因为在预合金化过程中,一方面可以通过调整熔点不同成分金属的含量,使合金整体的熔点降低,以利于烧结;另一方面,可以在其中添加某些表面活性元素或脱氧剂,以改善烧结性。多组分金属粉末的SLS一般沿用液相烧结机制,采用粉末部分熔化的方式。多组分金属粉末一般由高熔点金属、低熔点金属以及某些添加元素混合而成,其中,高熔点金属粉末作为结构金属,低熔点金属粉末作为粘结金属。粘结金属的颗粒尺寸一般小于结构金属,因为以小颗粒形态存在的粘结金属由于比表面较大,更易熔化形成液相。传统的液相烧结过程大致可以分成以下3个阶段:第一,液相生成和颗粒重排阶段;第二,固相溶解和析出阶段;第三,致密化阶段。而在SLS过程中,高能量的激光束与金属粉末作用时间极其短暂,液相的生成与凝固过程极快,传统液相烧结中的某些阶段往往不能充分进行。Khaing等在镍、青铜和铜磷焊料混合粉末SLS后发现,虽然理论上假设作为粘结金属的青铜粉末能在某一烧结温度下完全熔化,但在实际SLS中仍有部分青铜颗粒未熔化,从而残留在烧结件中,如图1所示,黑色的圆形图样表示未熔化的青铜颗粒,黑色空隙部分表示残留孔隙。作为粘结金属的青铜粉末未能完全熔化,导致生成的液相量偏少,直接造成烧结件的致密度降低。因此,多组分金属粉末SLS的致密化程度取决于生成的液相粘度以及液相对固相的润湿性。如果有足量的液相生成,而且液相粘度足够低并能自由流动,则通过液相对固体颗粒的充分润湿,就能使烧结致密度提高。一般认为,液相烧结时液相以占烧结体体积的20%～50%为宜。2影响形成机制的因素2.1材料属性(1)添加剂对烧结性能的影响金属粉末材料的化学成分是决定SLS工艺成功与否的最基本因素。至今为止,SLS制造金属零部件的可行性己经在多种粉末体系中得到验证,包括Ni-Sn、Fe-Sn、Fe-Cu、Cu-Sn-NiP、Cu-SCuP、Cu-Sn、Cu-Ni、Ti-6A1-4V、镍基合金粉末、铁基合金粉末和不锈钢粉末。需要指出的是,添加剂作为烧结辅助材料,一般是作为稀释剂或脱氧剂而改善烧结性,其添加数量和添加形态对于烧结件的显微组织和最终性能具有重要的影响。Zhu等在SCuP粉末SLS过程中加入了少量的P、Ag元素。其中,Ag元素的作用是增加烧结件的延展性;P元素的存在致使表面氧气优先与P反应生成磷渣,从而能在液相烧结阶段形成金属-金属界面,改善润湿性,抑制“球化”现象。此外,对于添加剂的添加形态,它可以作为独立的组分加入金属粉末混合物中,但最好是以与基体金属化合的形态加入其中,其优点是避免了混合时由于粉末颗粒的重力不同而引起的问题。(2)烧结致密化作用金属粉末材料的物理性质主要包括颗粒尺寸及其分布、粉末流动性、热传导系数、热吸收率等,它们之间是相互影响的,其中颗粒尺寸及其分布是最基本的物理性质。一方面,粉末颗粒尺寸及其分布影响粉末松装密度,粉末松装密度越高,SLS过程中的热传导系数就越高,越易实现烧结致密化。Tang等对Cu和SCuP粉末的SLS试样进行了性能测定,结果表明,使用松装密度高的粉末所获得的烧结件的密度远大于使用松装密度低的粉末所获得的烧结件的密度。在其他工艺参数相同的情况下,烧结试样密度之间至少存在7.6%的差异,有的甚至高达11.1%。另一方面,粉末颗粒尺寸及其分布影响粉末流动性。Simchi等研究表明,与传统烧结不同,SLS过程中细粉不如粗粉易于实现致密化。这是因为在铺粉阶段,细粉易于团聚,从而降低了粉末的流动性,降低了烧结过程中对激光能量的吸收率。为提高粉末流动性,防止粉末团聚,可以通过混合细粉和粗粉,使颗粒尺寸成双峰分布来实现。然而,提高粉末松装密度和增加粉末流动性是一对矛盾,在实际SLS中必须保证两者之间的平衡。2.2激光参数(1)总输入能量对烧结线表面光洁度的影响在金属粉末SLS过程中,提高激光功率不仅能提高单个脉冲的能量,而且能增加总的输入能量。单个脉冲能量的提高有利于液相的铺展和流动;总输入能量的增加有利于生成足够的液相,进而改善烧结线之间的粘结,提高表面光洁度。需要指出的是,对于一定的粉层厚度,若激光功率偏小,则粉末烧结厚度降低,致使层间连接性变差,导致烧结体脱层;若激光功率偏大,则烧结温度过高,粉层收缩增大,影响烧结体精度,严重时还会出现翘曲变形和开裂。因此,对激光功率的合理选择和有效控制是SLS成功的基础。(2)接触状态的影响在SLS工艺参数中,扫描速率对“球化”现象有显著影响。在其他工艺参数一定的情况下,扫描速率越高,越易引起“球化”,且烧结件的拉伸强度、尺寸精度和表面光洁度也越低。Simchi等对含Fe、C、Cu、Mo和Ni的多组元铁基粉末进行了SLS试验,结果表明,烧结试样的密度强烈依赖于激光束在粉末颗粒表面的持续辐照时间,进而取决于激光扫描速率,当持续辐照时间达到4ms以上时,粉末的致密化行为进入稳定阶段。综合多项试验结果,利用SLS工艺制造形状复杂的金属零件的最佳成形速率约为6.7cm/h。(3)短扫描佐式图2所示为2种不同的激光扫描方式:(a)沿X方向的短扫描光栅,(b)沿Y方向的长扫描光栅。粉末的致密化行为依赖于所选择的扫描方式,且Y/X的值越大,扫描方式的影响越小。使用短扫描矢径(沿X方向),一方面能提高烧结致密度,这是因为连续脉冲之间更短的时间间隔使得温度衰减最小化,故较之于较长的扫描矢径,一系列短扫描矢径都能获得更多的局部净能量;另一方面能减少烧结件内部的残余热应力,故选择短扫描矢径有利于烧结成形质量的提高。(4)sem试验结果扫描间距是指连续2条激光扫描线之间的距离。烧结试样的表面形态主要受扫描间距的影响,而其他参数的影响相对较小,扫描间距减小致使表面光洁度提高。如图3所示,Simchi等拍摄了水雾化铁粉SLS后的SEM照片,正好验证了上述结论。图(a)、(b)所对应的扫描间距分别为0.4mm和0.3mm,固相颗粒彼此粘结而形成平行于扫描方向的柱状烧结线,烧结线之间间隔着纵向缝隙,其间出现大量孔隙;且随着扫描间距的减小,纵向间隙变窄。图(c)对应的扫描间距为0.1mm,此时烧结试样的表面相对较光滑,且接近全致密。可见,扫描间距的减小致使烧结试样的表面形态从波浪形转变为较为光滑的状态,表面精度显著提高。一般而言,扫描间距增大导致孔隙率增加,致密度降低,烧结件强度下降。2.3其他工艺参数(1)粉层厚度的影响众多研究皆表明,粉层厚度越薄,所获工件的致密度越高。Chatterjee等在低碳钢粉末SLS中对此进行了定量研究,结果表明,烧结试样的密度与粉层厚度成平方关系,基本趋势是随着粉层厚度的减小,致密度增加。但粉层厚度不能一味减小,当小于某个值时,铺粉滚筒装置往往会使已烧结层在其预先确定的位置上移动,进而影响烧结件的几何尺寸,这个问题在烧结起始阶段尤为严重。此外,由于松散状态下的金属粉末在激光烧结时会出现明显的收缩现象,故实际铺粉过程中应充分考虑粉末收缩效应对烧结件形状精确度的影响,逐层保留适当的尺寸收缩余量,有利于最终尺寸精度的提高。(2)冷却速度的影响金属粉末SLS的工作台一般是以钢板为基底,金属粉末在上面逐层烧结而成,基底钢板加快了冷却速度。过快的冷却速度导致亚稳相的生成,并且阻碍合金元素的充分扩散。因此,合理的粉床预热温度对于提高烧结致密度,降低残余热应力以及减少烧结件“翘曲”现象是有利的。值得注意的是,粉床预热温度需合理选择,不能太高,否则未被激光扫描到的粉末也会结块,不便于烧结件从其周围的粉末中取出。(3)金属氧化物的表面SLS作业环境中氧含量的高低是影响致密化程度和显微结构的重要因素,应注意避免金属粉末表面发生氧化。金属氧化物的表面能比相应的纯金属低,故在液相烧结阶段,固相和液相之间难以形成足够的润湿,这对烧结不利。因此,在SLS过程中采用适当的保护气氛对提高烧结质量是有益的。氮气、氩气、氢气及其混合气体常被用作保护气氛。保护气氛需合理选择,烧结的金属不同,要求的保护气氛也不尽相同。3材料方面的研究金属粉末选择性激光烧结是一个年轻的研究领域,近