鈦合金激光快速成形工藝研究*

楊光 劉偉軍 王 維 欽蘭云 于福鑫

（①中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所，遼寧沈陽 110016；

②中國科學(xué)院研究生院，北京 100039；

③沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽 110136）

鈦合金激光快速成形工藝研究*

楊光①②③劉偉軍①王 維③欽蘭云③于福鑫③

（①中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所，遼寧沈陽 110016；

②中國科學(xué)院研究生院，北京 100039；

③沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽 110136）

通過大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)工藝參數(shù)，特別是激光功率、掃描速度和送粉速率對激光快速成形鈦合金件表面質(zhì)量影響的規(guī)律。綜合比能量和粉流密度之間關(guān)系，得出激光快速成形工藝參數(shù)帶；通過查詢此參數(shù)圖表，可快速確定激光快速成形工藝參數(shù)。

激光快速成形 鈦合金 比能量 粉流密度 工藝參數(shù)帶

* 航空科學(xué)基金資助（2007ZE540061）

鈦合金作為一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，在飛機(jī)上的用量越來越大。但高昂的加工成本，越來越長的交貨期，限制了其應(yīng)用范圍。尋求一種新的加工方法是廠商和用戶的共同追求［1］?？焖俪尚卫谩半x散+堆積”的增材制造思想，將“材料設(shè)計(jì)與制備”與“近凈成形”有機(jī)融為一體，是一種先進(jìn)、低成本、數(shù)字化快速制造技術(shù)［2－3］，滿足鈦合金加工的要求，有望成為開拓鈦合金應(yīng)用深度和廣度的新加工方法。

激光快速成形所涉及到參數(shù)包括：設(shè)備參數(shù)、材料參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和工藝參數(shù)等。設(shè)備參數(shù)主要指激光器的最大輸出功率，工作臺行程及速度等；材料參數(shù)主要指材料的熱導(dǎo)率、膨脹系數(shù)等；環(huán)境參數(shù)是預(yù)熱溫度及成形后的冷卻速度等；工藝參數(shù)包括激光功率、掃描速度、送粉速率等；而在設(shè)備、成形材料一定的情況下，成形質(zhì)量只與工藝參數(shù)有關(guān)。本文通過大量實(shí)驗(yàn)分析激光快速成形工藝參數(shù)對鈦合金成形件表面質(zhì)量的影響，得出用于鈦合金激光快速成形的工藝參數(shù)帶，以期推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1基材及粉末成分

實(shí)驗(yàn)用基材為TC4合金（Ti6Al4V）。其化學(xué)成分如表1所示［4］。實(shí)驗(yàn)樣品的尺寸為50 mm×30 mm×5 mm，實(shí)驗(yàn)前用砂紙打磨掉氧化層，用丙酮清洗，去除表面油污及雜質(zhì)［5］。

表1 TC4合金成分（wt%）

激光快速成形用合金粉末為 TC4粉，純度為99%，粒度為200目。將基板和混合好的粉末在真空干燥機(jī)中、150℃條件下干燥10 h。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)

試驗(yàn)采用自制的激光快速成形系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由激光器及光路系統(tǒng)（CO2橫流激光器，飛行光路，透射聚焦，焦距f=300 mm），惰性氣體動(dòng)態(tài)保護(hù)箱及真空獲得系統(tǒng)（真空可達(dá)10－2Pa，充氬氣，純度99.99%），三維工作臺及控制系統(tǒng)，送粉系統(tǒng)（載氣式送粉器及同軸送粉嘴），預(yù)熱裝置等幾部分組成，整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)集成控制。

2 工藝參數(shù)對成形質(zhì)量影響分析

2.1 激光功率對熔覆層質(zhì)量的影響

在鈦合金激光快速成形的過程中，激光為熔化基材和金屬粉末提供能量。激光功率的改變，直接影響到單位面積上激光輻照能量的大小，從而影響成形質(zhì)量。圖2所示為不同激光功率下單道成形實(shí)驗(yàn)，工藝參數(shù)如表2所示。從熔覆層形貌來看，在激光功率為900 W時(shí)，沒有形成熔覆層，表面只有少量粉末熔化，球化現(xiàn)象嚴(yán)重。而當(dāng)激光功率在1 200 W以上時(shí)形成了連續(xù)的熔覆層，熔覆層表面均有少量粉末粘附。如圖3所示為激光功率對熔覆尺寸影響情況，在光斑大小、掃描速度、送粉率一定時(shí)，熔覆層的寬度和高度隨激光功率的增大而增加，相對熔覆層寬度而言，熔覆層高度隨激光功率的變化程度較小。

表2 不同激光功率下單道熔覆實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2.2 掃描速度對熔覆層質(zhì)量的影響

在金屬粉末激光快速成形的過程中，當(dāng)其他工藝參數(shù)不變而改變掃描速度時(shí)會(huì)影響激光與材料相互作用時(shí)間，同時(shí)會(huì)影響單位距離內(nèi)進(jìn)入熔池的粉末量。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。圖4為不同掃描速度下熔覆層形貌，從圖中可以看出較高的掃描速度不能形成穩(wěn)定的熔池，如圖4a中掃描速度為3.4 mm/s時(shí)熔覆層不連續(xù)。當(dāng)速度過低時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)輸入的粉末量增大，表現(xiàn)出成形的不均勻性。

表3 不同掃描速度下單道熔覆實(shí)驗(yàn)參數(shù)

如圖5所示為送粉率不變時(shí)，熔覆層寬度和高度在不同激光功率下隨掃描速度變化的曲線。從圖中可以看出，當(dāng)送粉率不變，在一定的激光功率下，熔覆層的寬度和高度隨掃描速度的提高而減??；在一定的掃描速度下，熔覆層的寬度和高度隨激光功率的增大而增加。從熔覆寬度來看，在掃描速度較低時(shí)，激光與材料相互作用時(shí)間較長，相對高速掃描基材會(huì)吸收更多的熱量，熱量通過熱傳導(dǎo)方式，沿寬度方向傳遞，相當(dāng)于使激光光斑的有效直徑增大，所以熔覆層寬度會(huì)隨掃描速度的降低而增大，而當(dāng)掃描速度提高時(shí)，激光與基體相互作用時(shí)間減少，導(dǎo)致熱量沿寬度方向傳遞減少，使熔覆層寬度減小。

2.3 送粉速率對熔覆層質(zhì)量的影響

送粉率一方面影響粉末的注入量，另一方面會(huì)影響激光與基材的相互作用。在激光功率密度和掃描速度一定的情況下，送粉率的增加，一者使單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熔池的粉末量增多，因此會(huì)增加熔覆層的整體尺寸；二者，送粉率的增加會(huì)降低作用到基體上的激光能量，這對熔池的形成和熔化更多的金屬粉末是不利的，兩者是相互影響的。如圖6為不同送粉速率下熔覆層形貌，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表4所示。

表4 不同送粉率下單道熔覆實(shí)驗(yàn)參數(shù)

如圖7所示，為單層熔覆寬度和高度在不同工藝條件下隨送粉率變化的曲線。從圖中可以看出，熔覆層高度隨送粉率的增加而增大，而熔覆層寬度隨送粉率的變化不明顯。但在實(shí)際加工過程中，由于條件的不同，兩者影響的大小不同，當(dāng)激光功率密度較大送粉率較小的情況下，送粉率的變化對激光的反射和吸收較小，其對粉末注入量的影響占主要地位；當(dāng)激光功率密度較小而送粉率較大的情況下，此時(shí)粉末對激光的反射和吸收就不能忽略，因?yàn)榧す夤β时旧砭吞幵谛纬扇鄢氐淖畹蜅l件附近，粉末的增加會(huì)進(jìn)一步降低注入到基材的激光能量而影響其熔化更多金屬粉末的能力。

3 工藝參數(shù)對成形件宏觀質(zhì)量的影響規(guī)律

激光快速成形過程中，工藝參數(shù)的變化會(huì)不同程度地影響成形件的宏觀質(zhì)量。通過在不同工藝參數(shù)條件下的金屬粉末激光快速成形實(shí)驗(yàn)，在考察激光功率、掃描速度、送粉率幾個(gè)工藝參數(shù)表明，激光功率決定了是否產(chǎn)生熔覆層，即是否有冶金結(jié)合和是否有連續(xù)熔覆層；而掃描速度、送粉率有效熔覆的基礎(chǔ)上，對熔覆層的尺寸產(chǎn)生影響。

研究加工工藝參數(shù)對成形件宏觀質(zhì)量影響的目的，是通過宏觀質(zhì)量評價(jià)，來選取工藝參數(shù)的組合范圍。從前面的分析知道，金屬粉末激光快速成形的過程中，所有的工藝參數(shù)都會(huì)對成形質(zhì)量產(chǎn)生影響，單獨(dú)一個(gè)參數(shù)并不能決定成形件的質(zhì)量，僅靠一個(gè)參數(shù)的研究不能有效地得到鈦合金激光快速成形的工藝范圍。所以這里引入兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是比能量（Especific）Es，另一個(gè)是粉流密度（Gpowder）Gp，它們的定義如式（1）和（2）所示。

其中：P為激光功率，D為光斑直徑，U為掃描速度，m為送粉率。這兩個(gè)組合參數(shù)將激光功率、光斑直徑、掃描速度和送粉率綜合起來，它們共同作用，對熔覆有效率和熔覆質(zhì)量產(chǎn)生影響［6－7］。

如圖8所示，以粉流密度為橫坐標(biāo)，以比能量為縱坐標(biāo)，于實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，將表面質(zhì)量較好的試件所對的比能量和粉流密度值的交點(diǎn)繪于圖中，得到比能量、粉流密度和激光快速成形表面質(zhì)量的關(guān)系圖?？梢钥闯鲚^高成形質(zhì)量工藝參數(shù)呈帶狀分布，而且比能量與粉流密度有線性趨勢關(guān)系。

4 結(jié)語

在焦距及焦斑一定的情況下，激光功率是決定快速成形連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行的主要參數(shù)，它與其他參數(shù)特別是掃描速度和送粉率綜合影響快速成形表面質(zhì)量。用比能量、粉流密度表征激光快速成形表面質(zhì)量得到工藝參數(shù)呈帶狀分布且比能量與粉流密度有線性分布關(guān)系。

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Research on Process of Titanium Alloy Laser Rapid Prototyping

YANG Guang①②③，LIU Weijun①，WANG Wei③，QIN Lanyun③，YU Fuxin③

（①Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，CHN；

②Graduate School of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，CHN；

③Shenyang University of Aeronautics&Astronautics，Shenyang 110136，CHN）

This paper summarizes the rule on laser figuration Titanium alloy surface quality by technics parameters through a large of experiments，especially the laser power，scanning veloctiy and powder feed rate.The process parameters band was promoted by synthesizing the relation of specific energy and powder density.And the laser rapid prototyping process parameters of titanium alloy can be got easily from this parameters chart.

Laser Rapid Prototyping；Titanium Alloy；Specific Energy；Powder Density；Process Parameter Band

楊光，男，1978年生，博士生，講師，主要研究方向：激光快速成形，CAD/CAM。

p

2010－03－08）

10621