不銹鋼激光焊接成型件的制備及熔滲前的后處理工藝研究

陳 琳，王文超

(1.長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，湖北 武漢 420212；2.武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所，湖北 武漢 430019）

0 前言

選擇性激光燒結(jié)是一種新興的快速制造技術(shù)，集計算機輔助設(shè)計（C A D）、計算機輔助制造（C A M）、計算機數(shù)字控制（C N C）和新材料等先進技術(shù)于一身，近年來發(fā)展迅速。但經(jīng)過激光燒結(jié)成型的零件采用脫脂、高溫?zé)Y(jié)等后處理工藝，在機械性能和熱學(xué)性能上還有一些不足。本研究就不銹鋼激光成型件的制備及燒結(jié)成型后處理的前兩步工藝進行試驗，為以后的滲鋁研究和焊接工藝打下基礎(chǔ)。

1 不銹鋼激光成型件的制備

1.1 成型件原料的選擇

實驗采用選擇性激光燒結(jié)工藝，燒結(jié)覆膜為不銹鋼粉C M P 1，其主要成分為1 G r 1 8 N i 9 T i，由有機樹脂包覆不銹鋼顆粒制成，外觀為灰色，粒度1 6 0～3 0 0目，燒結(jié)溫度1 4 0℃，其化學(xué)分如表1所示。制備工藝：（1）用稀鹽酸鈉溶液清洗不銹鋼粉末的表面油脂，再用稀鹽酸清洗表面氧化物，然后用潤濕劑進行表面處理；（2）將增潤劑、潤濕分散劑、增脆劑以及不同熔點的有機樹脂按一定比例在鹵代烴中加熱溶解制成包覆溶液；（3）將包覆溶液和表面處理后的金屬粉末按照一定的比例在雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機中混合、烘干、回收溶劑，然后進行冷凍粉碎，經(jīng)篩分得到一定粒度分布的粉末，一般要求粒度為3 0 0目。

表1 覆膜不銹鋼粉末材料化學(xué)成分 %

1.2 燒結(jié)成型原理

如圖1所示，燒結(jié)所用的金屬粉末外層均勻包覆一層有機樹脂，可用小功率激光燒結(jié)機來燒結(jié)[1]，其原理如圖2所示。在燒結(jié)時，激光只是把金屬粉末包覆層的有機樹脂熔化，而金屬顆粒并沒有發(fā)生任何變化，熔化的有機樹脂冷卻后把周邊的顆?；ハ嗾辰Y(jié)在一起形成燒結(jié)體。這種間接成型的原型件的強度還很低，必須經(jīng)過后處理才能達(dá)到一定的強度。

圖1 覆膜金屬粉末示意

圖2 燒結(jié)原理

1.3 成型參數(shù)及設(shè)備的選擇

燒結(jié)成型設(shè)備采用CO2激光器。結(jié)合成型原料性質(zhì)，確定鋪粉厚度為0.2 mm，掃描速度4 mm/s，激光功率20W，激光線束長度30mm，掃描間距0.15mm，預(yù)熱溫度100℃，最高燒結(jié)溫度140℃，采用長邊異側(cè)和短邊方式相結(jié)合的掃描方式。設(shè)備為HLP-350I型點掃描激光燒結(jié)成型機。主要技術(shù)參數(shù)為：最大成型尺寸φ305 mm×400 mm；成型精度±0.15 mm；激光源為3 0W.Synrad.CO2激光器；控制系統(tǒng)為Pentium.4.工控機；激光束最大掃描速度2 500 mm/s；輸入文件格式*.STL。

1.4 粉末及燒結(jié)試樣表面形貌觀察分析

（1）未燒結(jié)粉末形貌。

在較低放大倍數(shù)下觀察未燒結(jié)粉末形貌，發(fā)現(xiàn)其形狀不太規(guī)則，以多角形為主，有部分橢圓和少部分圓形及條狀。顆粒度也不均勻，尺寸以幾十微米的大顆粒為主，大顆粒之間有較多空隙，孔隙內(nèi)填充了大量尺寸為幾微米以下的細(xì)小顆粒[2]。在較大的倍率下觀察，可以發(fā)現(xiàn)大顆粒是由許多小顆粒通過有機樹脂粘結(jié)而成的聚集體。

（2）燒結(jié)試樣微觀形貌。

不同激光加熱溫度下的燒結(jié)試祥表面微觀形貌如圖3所示，由圖3a可以看出，當(dāng)激光加熱溫度低于100℃時，顆粒表而無明顯變化。當(dāng)加熱溫度超過100℃時，顆粒表面有機樹脂開始熔化，在顆粒之間形成粘結(jié)橋，初步起到粘結(jié)顆粒的作用。隨著加熱溫度的逐步升高，有機樹脂熔化程度提高，粘度下降，流動性變好，對金屬顆粒的潤濕性及包覆程度進一步增強。當(dāng)加熱溫度超過l30℃時，樹脂的熔化程度明顯增強（見圖3b）。這是因為此時加熱溫度達(dá)到了有機樹脂中另一組分熱熔膠的熔點，促使其熔化，并與另一熔融組分（復(fù)合蠟）形成均勻連接相，提高了粘結(jié)強度[3]。與此同時，大顆粒內(nèi)部的有機樹脂也對小金屬顆粒或小金屬顆粒聚集體進行浸潤和連接，由于表面樹脂的流失，大顆粒聚集體對內(nèi)部小顆粒的約束作用變?nèi)?，其形狀發(fā)生了變化，如圖3c所示。聚乙烯蠟的粘性系數(shù)(粘度)隨溫度變化關(guān)系為

式中 T為熱力學(xué)溫度：T0為初始熱力學(xué)溫度；η0為溫度T0下的粘性系數(shù)；Eh為材料常數(shù)（熱激活能）；k為玻爾茲曼(Bohzman)常數(shù)。

由圖3d可以看出，隨著溫度的增加，粘度下降。隨著溫度進一步提高，由于聚乙烯蠟粘度下降，流動性變好，幾乎呈流動的液態(tài)向顆粒間隙內(nèi)滲透，提高了燒結(jié)密度。但聚乙烯蠟粘結(jié)強度較低，達(dá)不到燒結(jié)成型所需的金屬顆粒間的連接要求；同時出現(xiàn)燒結(jié)試樣收縮量大、形狀不易控制的缺點。并且加熱溫度太高會導(dǎo)致有機樹脂的碳化、燒損，如圖3d所示，從而影響燒結(jié)強度。所以通常激光加熱最高溫度不宜超過200℃。

2 不銹鋼激光成型件的脫脂處理

2.1 脫脂工藝及其影響因素

激光燒結(jié)成型的金屬制件即原型件的相對密度很低，機械性能差，不能作為結(jié)構(gòu)零件在工程中使用，因此需要通過后處理進一步提高其機械性能。脫脂降解是其后處理的第一個階段。

圖3 燒結(jié)試樣表面微觀形貌

典型的脫脂加熱在兩個不同溫度的保溫階段完成，先將坯件加熱到350℃，保溫5 h，再升溫到450℃，保溫4 h。在這兩個階段，98%的聚合物分解成氣體除去。大量的實驗研究中發(fā)現(xiàn)加熱時間也是一個重要參數(shù)，它與試件的體積大小、厚度有關(guān)。圖5是在上述激光燒結(jié)工藝參數(shù)下，選擇試件面積為30mm×30 mm，以脫脂后質(zhì)量為原來的93%為標(biāo)準(zhǔn)得出的脫脂加熱時間跟試件厚度之間的關(guān)系曲線。

圖4 脫脂加熱時間與試件厚度的關(guān)系曲線

從圖4可知，隨著試件厚度的增加，所需的加熱時間延長，兩者之間成近似的直線關(guān)系。這是因為試件厚度增加，其內(nèi)部聚合物降解產(chǎn)生的氣體逸出困難，因此完全逸出所需時間增長，延長了加熱時間。

2.2 脫脂后原型件的微觀組織

原型件脫脂后的微觀組織如圖5所示?？梢钥闯?，粉粒之間存在大量的空隙，表明聚合物已經(jīng)氣化消失，因此粉粒間僅靠微小的范德華力和少量殘余聚合物連接，原型件的強度很低，在處理過程中要當(dāng)心變形和斷裂，一般將脫脂和高溫?zé)Y(jié)在同一個真空爐中進行，中途不宜移動原型件。

3 不銹鋼激光成型件的高溫?zé)Y(jié)處理

不銹鋼激光成型件高溫?zé)Y(jié)的后處理工藝有兩種途徑：一種是在惰性氣體的電阻爐中加熱燒結(jié)，但是這種方法燒結(jié)后，顆粒之間存在大量空隙，顆粒表面形成氧化物，使得燒結(jié)件強度不高[4]；另一種方法是將原型件在真空爐中燒結(jié)，可以避免金屬粉末與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)。在此采用真空爐高溫?zé)Y(jié)。

3.1 高溫?zé)Y(jié)試驗

設(shè)備型號SL63-7GF；最大工作尺寸φ160mm×160 mm；最高加熱溫度2 000℃；極限真空度可達(dá)到10-3Pa數(shù)量級，但是一般試驗時的工作真空度在10-2Pa數(shù)量級；真空爐額定功率50 kW，電源電壓380 V，工作電壓36 V。

圖5原型件脫脂后的微觀組織

實驗可知，對于覆膜不銹鋼粉末的激光成型件，在低于800℃范圍內(nèi)燒結(jié)時，試樣的線收縮率、體積密度和空隙變化很小，在800℃～1 100℃范圍內(nèi)隨著燒結(jié)溫度的提高，線收縮率和體積密度顯著增大，空隙急劇減小，說明在這個溫度范圍內(nèi)，燒結(jié)過程激烈，這一階段是燒結(jié)試樣致密化的主要階段。在1 100℃～1 315℃范圍內(nèi)，隨著溫度的提高，線收縮率和密度緩慢增加，空隙減少幅度也很小。根據(jù)上述變化情況，可將高溫?zé)Y(jié)過程分為三個階段：0℃～800℃為燒結(jié)初期；800℃~1 100℃為燒結(jié)中期；1 100℃～1 315℃為燒結(jié)后期。

3.2 燒結(jié)結(jié)果分析

燒結(jié)前脫脂坯體由直徑為幾微米到幾十微米的大顆粒組成，每個大顆粒內(nèi)部包含很多直徑更小的細(xì)顆粒，見圖5。顯然這些大顆粒是在制粉過程中由細(xì)顆粒相互粘結(jié)形成的，經(jīng)脫脂后，各個顆粒之間含有大量尺寸較大的空隙，其內(nèi)部細(xì)小顆粒之間也存在大量的小空隙。

真空燒結(jié)后的原型件沒有發(fā)生金屬氧化現(xiàn)象，表面呈現(xiàn)金屬光澤，經(jīng)真空燒結(jié)后的原型件體積收縮較大，致密度提高，質(zhì)量減少8%～9%。原因是原型件中殘余的有機樹脂降解氣化，質(zhì)量減少，原型件顆粒在高溫下通過擴散接觸粘結(jié)形成燒結(jié)頸，隨時間延長，燒結(jié)頸長大，間距縮小，尺寸收縮，致密度提高，顯微結(jié)構(gòu)如圖6所示?？梢钥闯觯婵諢Y(jié)后，金屬顆粒已大面積融合，空隙缺陷減少，間隙變小，部分空隙已經(jīng)閉合，致使材料性能改善，強度提高。

圖6 高溫?zé)Y(jié)后原型件顯微結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

研究了覆膜不銹鋼粉末激光燒結(jié)件的燒結(jié)工藝以及后處理中的前兩步——脫脂和高溫二次燒結(jié)，為以后的滲鋁研究和焊接工藝打下了基礎(chǔ)。

（1）燒結(jié)工藝中激光燒結(jié)的機理是金屬粉末包覆層的有機樹脂熔化，而金屬顆粒并沒有發(fā)生任何變化，熔化的有機樹脂冷卻后把周邊的顆粒互相粘結(jié)在一起而形成燒結(jié)體。

（2）影響燒結(jié)質(zhì)量的因素主要有激光功率、光斑直徑、掃描間距、鋪粉厚度、掃描速度、粉末粒徑、粉末材料與基體材料的浸潤性等，同時還要考慮掃描方式和方向[5]。

（3）脫脂降解需要通過控制加熱溫度和加熱速度來控制，降解時間與原型件的體積厚度成近似的直線遞增關(guān)系，脫脂后原型件尺寸會有收縮變化，此時強度最低。

（4）通過對真空二次燒結(jié)的研究發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)溫度比燒結(jié)時間對原型件的影響更大，高溫?zé)Y(jié)后，原型件強度大幅度提高。

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