激光燒結工藝參數(shù)對成形機制的影響

0金屬零件生產制造高速原型制造技術（ep）是一系列頂層零件的總稱，選擇性激光燃燒技術（sl）是其的重要分支。其技術原理是將計算機生成的3d模型加工成一系列薄截面。根據(jù)每個截面層的二維數(shù)據(jù)，控制每個截面層的激光束，選擇地下塊中的特定區(qū)域，并在水平方向上生成零件的層。后續(xù)材料與已堆棧層結合，逐漸沉積為三維件。利用SLS工藝直接將金屬粉末燒結成三維零部件是快速成形制造的最終目標之一。在SLS過程中,高能量的激光直接將金屬粉末燒結成高致密度(大于理論密度的80%)的零部件,很少需要或不需要后續(xù)處理。由于金屬粉末SLS工藝能快速制造出功能性金屬零件原型和金屬模具,大幅縮短生產周期及削減生產成本,尤其適于小批量的生產制造,因此,日益成為材料成形與制造領域的研究熱點,其工業(yè)化應用已在世界范圍內引起普遍關注,目前正廣泛用于快速模具制造,如EDM電極制造,梯度功能件制造,以及航空、航天和武器裝備用高性能關鍵金屬零部件的集成制造領域。然而,國內外的眾多研究報道表明,SLS技術精確成形形狀復雜的金屬零部件仍有較大難度,究其原因,主要是由于金屬粉末在SLS中的“球化”效應和翹曲變形?！扒蚧毙漠a生使燒結線不連續(xù),且燒結件內部孔隙增加、表面粗糙度增大及尺寸精度降低。燒結過程中的翹曲變形,使下一層粉末無法鋪放或鋪粉厚度不均,逐層燒結不能順利進行;即使能夠勉強進行,其內應力將導致燒結件產生相當大的形狀誤差或形成較多的裂紋。要實現(xiàn)對上述兩大問題的控制,必須從研究金屬粉末在SLS過程中的成形機制入手,綜合分析材料特性和工藝參數(shù)對成形機制的影響,從而改善激光燒結質量及實現(xiàn)金屬零件的精密成形。1sl形成機制1.1球化及粉末燒結機理在SLS過程中,激光束在任一金屬粉末顆粒上的持續(xù)輻照時間都極短,通常在0.5～25ms之間。在如此短暫的熱循環(huán)之下,快速粘結機制是必需的,而這只能通過粉末顆粒的粘性流動或熔化的方式來實現(xiàn)。對于純金屬粉末,考慮到即使是在接近熔點的溫度下,由于粉末粘度很高,也很難出現(xiàn)有效的粘性流動致使其致密化,故熔化-凝固機制是純金屬粉末SLS的唯一可行機制。在SLS過程中,需嚴格調節(jié)激光參數(shù),使純金屬粉末顆粒表面熔化而生成液相,由此粘結未熔固相顆粒的殘余核心而實現(xiàn)燒結。需要指出的是,SLS過程中激光束逐行掃描會形成圓柱形的金屬熔化軌跡;表面能降低所引起的液柱不穩(wěn)定性會使其改變形狀,導致液柱分裂成球狀,稱之為“球化”現(xiàn)象。純金屬粉末在液相燒結階段,粘度相對較高且表面張力效應明顯,故“球化”現(xiàn)象尤為嚴重,且形球直徑往往大于粉末顆粒直徑,導致大量孔隙存在于燒結組織中。Agarwala等曾嘗試激光燒結純銅、純鉛粉末,但均因“球化”嚴重而未獲成功。因此,純金屬粉末的SLS具有明顯的工藝缺陷,往往需要后續(xù)處理,不是真正意義上的“直接”燒結,故必須選擇其他合適的材料體系加以克服。1.2預處理法不同于熔點均一的純金屬,預合金粉末在熔化-凝固的過程中存在一個固液共存的區(qū)間。預合金粉末顆粒的粘結也必須通過液相燒結來完成,燒結溫度在其組元的液相線溫度和固相線溫度之間進行選擇,稱之為超固相線液相燒結。在此過程中,激光加熱預合金粉末至略高于固相線的溫度,使其發(fā)生非均勻熔化,液相沿著粉末顆粒內部的晶界生成,顆粒經受破裂,同時液相流動并潤濕晶界和固體顆粒,通過顆粒的重排以及后續(xù)的溶解-再沉淀過程,致使合金粉末快速致密化。Song等利用高速攝像機對預合金CuSn89/11粉末的SLS做了實時圖像分析,結果驗證了上述燒結機制。Simchi等研究發(fā)現(xiàn),如果燒結溫度上升至液相線以上,預合金粉末的燒結機制可以從超固相線燒結機制轉變?yōu)橥耆刍?凝固機制。此時,雖然仍可實現(xiàn)金屬粉末的燒結成形,但必須合理設計材料組分和嚴格控制工藝參數(shù),以防燒結過程中的氧化夾渣和“球化”現(xiàn)象,進而獲得良好的燒結性。1.3金屬粉末燒結目前,金屬粉末SLS工藝所使用的材料體系呈現(xiàn)下列趨勢:一般選用多組分金屬粉末,而將預合金粉末作為其中的粘結金屬。這是因為在預合金化過程中,一方面可以通過調整熔點不同成分金屬的含量,使合金整體的熔點降低,以利于燒結;另一方面,可以在其中添加某些表面活性元素或脫氧劑,以改善燒結性。多組分金屬粉末的SLS一般沿用液相燒結機制,采用粉末部分熔化的方式。多組分金屬粉末一般由高熔點金屬、低熔點金屬以及某些添加元素混合而成,其中,高熔點金屬粉末作為結構金屬,低熔點金屬粉末作為粘結金屬。粘結金屬的顆粒尺寸一般小于結構金屬,因為以小顆粒形態(tài)存在的粘結金屬由于比表面較大,更易熔化形成液相。傳統(tǒng)的液相燒結過程大致可以分成以下3個階段:第一,液相生成和顆粒重排階段;第二,固相溶解和析出階段;第三,致密化階段。而在SLS過程中,高能量的激光束與金屬粉末作用時間極其短暫,液相的生成與凝固過程極快,傳統(tǒng)液相燒結中的某些階段往往不能充分進行。Khaing等在鎳、青銅和銅磷焊料混合粉末SLS后發(fā)現(xiàn),雖然理論上假設作為粘結金屬的青銅粉末能在某一燒結溫度下完全熔化,但在實際SLS中仍有部分青銅顆粒未熔化,從而殘留在燒結件中,如圖1所示,黑色的圓形圖樣表示未熔化的青銅顆粒,黑色空隙部分表示殘留孔隙。作為粘結金屬的青銅粉末未能完全熔化,導致生成的液相量偏少,直接造成燒結件的致密度降低。因此,多組分金屬粉末SLS的致密化程度取決于生成的液相粘度以及液相對固相的潤濕性。如果有足量的液相生成,而且液相粘度足夠低并能自由流動,則通過液相對固體顆粒的充分潤濕,就能使燒結致密度提高。一般認為,液相燒結時液相以占燒結體體積的20%～50%為宜。2影響形成機制的因素2.1材料屬性(1)添加劑對燒結性能的影響金屬粉末材料的化學成分是決定SLS工藝成功與否的最基本因素。至今為止,SLS制造金屬零部件的可行性己經在多種粉末體系中得到驗證,包括Ni-Sn、Fe-Sn、Fe-Cu、Cu-Sn-NiP、Cu-SCuP、Cu-Sn、Cu-Ni、Ti-6A1-4V、鎳基合金粉末、鐵基合金粉末和不銹鋼粉末。需要指出的是,添加劑作為燒結輔助材料,一般是作為稀釋劑或脫氧劑而改善燒結性,其添加數(shù)量和添加形態(tài)對于燒結件的顯微組織和最終性能具有重要的影響。Zhu等在SCuP粉末SLS過程中加入了少量的P、Ag元素。其中,Ag元素的作用是增加燒結件的延展性;P元素的存在致使表面氧氣優(yōu)先與P反應生成磷渣,從而能在液相燒結階段形成金屬-金屬界面,改善潤濕性,抑制“球化”現(xiàn)象。此外,對于添加劑的添加形態(tài),它可以作為獨立的組分加入金屬粉末混合物中,但最好是以與基體金屬化合的形態(tài)加入其中,其優(yōu)點是避免了混合時由于粉末顆粒的重力不同而引起的問題。(2)燒結致密化作用金屬粉末材料的物理性質主要包括顆粒尺寸及其分布、粉末流動性、熱傳導系數(shù)、熱吸收率等,它們之間是相互影響的,其中顆粒尺寸及其分布是最基本的物理性質。一方面,粉末顆粒尺寸及其分布影響粉末松裝密度,粉末松裝密度越高,SLS過程中的熱傳導系數(shù)就越高,越易實現(xiàn)燒結致密化。Tang等對Cu和SCuP粉末的SLS試樣進行了性能測定,結果表明,使用松裝密度高的粉末所獲得的燒結件的密度遠大于使用松裝密度低的粉末所獲得的燒結件的密度。在其他工藝參數(shù)相同的情況下,燒結試樣密度之間至少存在7.6%的差異,有的甚至高達11.1%。另一方面,粉末顆粒尺寸及其分布影響粉末流動性。Simchi等研究表明,與傳統(tǒng)燒結不同,SLS過程中細粉不如粗粉易于實現(xiàn)致密化。這是因為在鋪粉階段,細粉易于團聚,從而降低了粉末的流動性,降低了燒結過程中對激光能量的吸收率。為提高粉末流動性,防止粉末團聚,可以通過混合細粉和粗粉,使顆粒尺寸成雙峰分布來實現(xiàn)。然而,提高粉末松裝密度和增加粉末流動性是一對矛盾,在實際SLS中必須保證兩者之間的平衡。2.2激光參數(shù)(1)總輸入能量對燒結線表面光潔度的影響在金屬粉末SLS過程中,提高激光功率不僅能提高單個脈沖的能量,而且能增加總的輸入能量。單個脈沖能量的提高有利于液相的鋪展和流動;總輸入能量的增加有利于生成足夠的液相,進而改善燒結線之間的粘結,提高表面光潔度。需要指出的是,對于一定的粉層厚度,若激光功率偏小,則粉末燒結厚度降低,致使層間連接性變差,導致燒結體脫層;若激光功率偏大,則燒結溫度過高,粉層收縮增大,影響燒結體精度,嚴重時還會出現(xiàn)翹曲變形和開裂。因此,對激光功率的合理選擇和有效控制是SLS成功的基礎。(2)接觸狀態(tài)的影響在SLS工藝參數(shù)中,掃描速率對“球化”現(xiàn)象有顯著影響。在其他工藝參數(shù)一定的情況下,掃描速率越高,越易引起“球化”,且燒結件的拉伸強度、尺寸精度和表面光潔度也越低。Simchi等對含F(xiàn)e、C、Cu、Mo和Ni的多組元鐵基粉末進行了SLS試驗,結果表明,燒結試樣的密度強烈依賴于激光束在粉末顆粒表面的持續(xù)輻照時間,進而取決于激光掃描速率,當持續(xù)輻照時間達到4ms以上時,粉末的致密化行為進入穩(wěn)定階段。綜合多項試驗結果,利用SLS工藝制造形狀復雜的金屬零件的最佳成形速率約為6.7cm/h。(3)短掃描佐式圖2所示為2種不同的激光掃描方式:(a)沿X方向的短掃描光柵,(b)沿Y方向的長掃描光柵。粉末的致密化行為依賴于所選擇的掃描方式,且Y/X的值越大,掃描方式的影響越小。使用短掃描矢徑(沿X方向),一方面能提高燒結致密度,這是因為連續(xù)脈沖之間更短的時間間隔使得溫度衰減最小化,故較之于較長的掃描矢徑,一系列短掃描矢徑都能獲得更多的局部凈能量;另一方面能減少燒結件內部的殘余熱應力,故選擇短掃描矢徑有利于燒結成形質量的提高。(4)sem試驗結果掃描間距是指連續(xù)2條激光掃描線之間的距離。燒結試樣的表面形態(tài)主要受掃描間距的影響,而其他參數(shù)的影響相對較小,掃描間距減小致使表面光潔度提高。如圖3所示,Simchi等拍攝了水霧化鐵粉SLS后的SEM照片,正好驗證了上述結論。圖(a)、(b)所對應的掃描間距分別為0.4mm和0.3mm,固相顆粒彼此粘結而形成平行于掃描方向的柱狀燒結線,燒結線之間間隔著縱向縫隙,其間出現(xiàn)大量孔隙;且隨著掃描間距的減小,縱向間隙變窄。圖(c)對應的掃描間距為0.1mm,此時燒結試樣的表面相對較光滑,且接近全致密。可見,掃描間距的減小致使燒結試樣的表面形態(tài)從波浪形轉變?yōu)檩^為光滑的狀態(tài),表面精度顯著提高。一般而言,掃描間距增大導致孔隙率增加,致密度降低,燒結件強度下降。2.3其他工藝參數(shù)(1)粉層厚度的影響眾多研究皆表明,粉層厚度越薄,所獲工件的致密度越高。Chatterjee等在低碳鋼粉末SLS中對此進行了定量研究,結果表明,燒結試樣的密度與粉層厚度成平方關系,基本趨勢是隨著粉層厚度的減小,致密度增加。但粉層厚度不能一味減小,當小于某個值時,鋪粉滾筒裝置往往會使已燒結層在其預先確定的位置上移動,進而影響燒結件的幾何尺寸,這個問題在燒結起始階段尤為嚴重。此外,由于松散狀態(tài)下的金屬粉末在激光燒結時會出現(xiàn)明顯的收縮現(xiàn)象,故實際鋪粉過程中應充分考慮粉末收縮效應對燒結件形狀精確度的影響,逐層保留適當?shù)某叽缡湛s余量,有利于最終尺寸精度的提高。(2)冷卻速度的影響金屬粉末SLS的工作臺一般是以鋼板為基底,金屬粉末在上面逐層燒結而成,基底鋼板加快了冷卻速度。過快的冷卻速度導致亞穩(wěn)相的生成,并且阻礙合金元素的充分擴散。因此,合理的粉床預熱溫度對于提高燒結致密度,降低殘余熱應力以及減少燒結件“翹曲”現(xiàn)象是有利的。值得注意的是,粉床預熱溫度需合理選擇,不能太高,否則未被激光掃描到的粉末也會結塊,不便于燒結件從其周圍的粉末中取出。(3)金屬氧化物的表面SLS作業(yè)環(huán)境中氧含量的高低是影響致密化程度和顯微結構的重要因素,應注意避免金屬粉末表面發(fā)生氧化。金屬氧化物的表面能比相應的純金屬低,故在液相燒結階段,固相和液相之間難以形成足夠的潤濕,這對燒結不利。因此,在SLS過程中采用適當?shù)谋Ｗo氣氛對提高燒結質量是有益的。氮氣、氬氣、氫氣及其混合氣體常被用作保護氣氛。保護氣氛需合理選擇,燒結的金屬不同,要求的保護氣氛也不盡相同。3材料方面的研究金屬粉末選擇性激光燒結是一個年輕的研究領域,近