鎳基高溫合金選擇性激光熔化的工藝參數(shù)

吳　桐,　劉邦濤,　劉錦輝

(1.黑龍江科技大學(xué) 現(xiàn)代制造工程中心， 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué)， 機(jī)械工程學(xué)院 哈爾濱 150022)

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鎳基高溫合金選擇性激光熔化的工藝參數(shù)

吳桐1,劉邦濤2,劉錦輝1

(1.黑龍江科技大學(xué) 現(xiàn)代制造工程中心， 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué)， 機(jī)械工程學(xué)院 哈爾濱 150022)

為研究不同工藝參數(shù)對(duì)鎳基高溫合金選擇性激光熔化成形質(zhì)量的影響,通過(guò)單層單道實(shí)驗(yàn),分析激光功率、掃描速度和鋪粉厚度等工藝參數(shù)對(duì)熔化道的寬度、連續(xù)程度和表面質(zhì)量的影響。結(jié)果表明:當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下,合理的工藝參數(shù)取值范圍為激光功率250～300 W,掃描速度600～800 mm/s,鋪粉層厚0.02～0.03 mm。該研究成果可以為后續(xù)的塊體成形綜合性能研究奠定基礎(chǔ)。

鎳基高溫合金; 選擇性激光熔化; 工藝參數(shù); 表面質(zhì)量

0　引　言

航空航天和武器裝備等領(lǐng)域中，一些具有特殊性能和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬零件,如航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)等,通常采用的材料均為難加工材料[1-3]。這些材料用傳統(tǒng)方法進(jìn)行加工制造,不僅加工周期較長(zhǎng),且材料利用率極低,尤其對(duì)于具有高復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件,甚至使制造無(wú)法完成,難以滿足社會(huì)市場(chǎng)的需求[4-7]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展,選擇性激光熔化(Selective laser melting,SLM)成形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。SLM技術(shù)突破傳統(tǒng)模具制造的束縛,提供一種不需要特定模具可以完全自由加工的新方法[8-10]。由于SLM技術(shù)對(duì)成形材料質(zhì)量、激光光束質(zhì)量與穩(wěn)定性、工藝參數(shù)等有較高的要求[11-14],所以,眾多學(xué)者都在做著深入的探討和研究。筆者將著重探討成形工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響,探索IN718鎳基高溫合金選擇性激光熔化的粉末成形規(guī)律,選取IN718鎳基高溫合金粉末成形優(yōu)良的工藝參數(shù),為后期鎳基高溫合金零件的制造提供理論基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備與方法

實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備及方法的確定是整個(gè)實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行的必要保證,實(shí)驗(yàn)材料采用由美國(guó)CARPENTER公司生產(chǎn)制造的氣霧化鎳基高溫合金IN718粉末,粉末粒徑在10～38 μm之間,粉末的形貌如圖1所示。粉末形狀基本為球形且流動(dòng)性良好。粉末化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。為去除水汽等可揮發(fā)雜質(zhì),成形前需要對(duì)粉末進(jìn)行干燥處理,采用DZ-2BC-Ⅱ型真空干燥箱,干燥溫度60 ℃,干燥時(shí)間2 h。

圖1　IN718 粉末顆粒電鏡照片

Table 1　IN718 chemical composition %

為保證熔化金屬與基板之間達(dá)到良好的冶金結(jié)合,避免制件脫落,基板材料的選擇和成形前的處理至關(guān)重要。本實(shí)驗(yàn)基板材料采用45#鋼,化學(xué)成分如表2所示。經(jīng)過(guò)成形材料與基板材料物理性能的比較,基板材料理論上可以與成形材料達(dá)到良好的冶金結(jié)合。由于基板材料與成形材料地黏接對(duì)后續(xù)的熔化成形十分重要,所以還需考慮如何將第一層撲粉和基板很好的黏接在一起。在確定激光功率等參數(shù)后,第一層撲粉厚度不易過(guò)厚,否則,將因?yàn)榕c基板接觸部分無(wú)法充分熔化而影響?zhàn)そ有Ч??；灏惭b前需要完成除銹和除油處理,并用角磨機(jī)打磨至基板表面平整且具有金屬光澤,之后使用丙酮對(duì)打磨好的表面進(jìn)行清洗、擦拭和烘干,以保證成形零件受殘留油污影響。

表2　45#鋼化學(xué)成分

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用哈爾濱福沃德多維智能裝備有限公司制造的FORWARD LM180金屬粉末熔化成形機(jī)。該設(shè)備裝有一臺(tái)IPG YLR-500連續(xù)波光纖激光器、一套自動(dòng)送粉裝置、真空保護(hù)系統(tǒng)以及控制操作系統(tǒng)。連續(xù)波光纖激光器的光斑直徑70 μm,激光波長(zhǎng)為1.06～1.10 μm,最大輸出功率500 W。成形設(shè)備制件過(guò)程中需要保證零件的機(jī)械性能,避免材料氧化造成的不利影響,因此設(shè)備配有氣體保護(hù)系統(tǒng),整個(gè)成形過(guò)程均會(huì)在氬氣保護(hù)下進(jìn)行,不僅可以提高材料的利用率,而且可以有效保證成形質(zhì)量的穩(wěn)定性。

為探尋該實(shí)驗(yàn)條件下適合IN718鎳基高溫合金SLM成形工藝參數(shù),基于國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果,采用單因素方法,研究成形過(guò)程中最為重要的幾個(gè)工藝參數(shù)的激光掃描功率P、激光掃描速度v、掃描鋪粉層厚h和掃描線間的間距s對(duì)零件成形質(zhì)量的影響。探尋鎳基高溫合金SLM成形的各工藝參數(shù)最優(yōu)取值范圍。

2 結(jié)果與分析

2.1激光功率的影響

研究不同激光功率對(duì)單層單道掃描成形線寬b的影響,設(shè)定實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)為:激光掃描速度v=600 mm/s,鋪粉厚度h=0.03 mm,激光掃描功率P以50 W為增量從50 W逐步增大至450 W。對(duì)不同激光掃描功率下單層單道掃描成形線寬進(jìn)行測(cè)定,如圖2所示。由圖2可知,隨著激光功率的不斷增大,單層單道掃描成形線寬不斷增加,最終趨于平穩(wěn)。在激光功率相對(duì)較小的情況下,掃面線并不十分連續(xù),有斷線現(xiàn)象,這是由于激光功率較小,不能充分使粉末熔化,因此產(chǎn)生不連續(xù)的斷線情況;掃描線寬逐步增加,這是因?yàn)榧す夤β实脑龃?激光輻射的能量增多,成形金屬粉末表面吸收的能量增加,熱量則向更寬更深的方向延伸,熔池區(qū)域面積增大,最終使單層單道掃描成形線寬增大。由于激光光斑直徑大小一定,所以掃描成形線寬最終趨于平穩(wěn)。

Fig. 2Width of scan forming line cure under different laser power

其他工藝參數(shù)相同,在不同激光掃描功率條件下的單層單道掃描線形貌表征如圖3所示,圖片按組別數(shù)從左至右依次排開(kāi),圖3a～h以50 W為增量,P分別為50～350 W和450 W。

圖3　不同激光功率下的掃描線形貌

Fig. 3Scan forming line morphology under different laser power

由圖3可以看出,激光掃描功率數(shù)值大小不僅對(duì)掃描線寬的影響較大,對(duì)掃描線成形表面形貌的影響也頗為明顯。當(dāng)激光掃描功率在50～200 W之間時(shí),單層單道掃描線表面質(zhì)量及整體連續(xù)程度較差,這是因?yàn)楫?dāng)激光功率較小時(shí),成形金屬粉末吸收激光輻射的能量偏小,不足以使粉末充分熔化,未熔化部分成為夾雜物,降低了液相與基體之間的潤(rùn)濕性;在之后層層累加的成形過(guò)程中,形成孔隙和裂紋等缺陷,降低了成形表面質(zhì)量和零件致密度。當(dāng)激光掃描功率在250～300 W之間時(shí),單道掃描線的成形表面質(zhì)量得以改善,且掃描成形線較為平整呈連續(xù)狀。當(dāng)激光掃描功率增加至350～450 W范圍時(shí),單道掃描線表面粗糙度增加,表面出現(xiàn)輕微的褶皺、氣孔及球化缺陷。這是由于激光功率的增大引起了熔池內(nèi)的對(duì)流作用加劇,使得掃描線的表面質(zhì)量下降,同時(shí),過(guò)大的激光輻射能量導(dǎo)致掃描線出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象,金屬粉末發(fā)生氧化,表面顏色和光潔度下降。綜上,可以確定激光功率在250～300 W范圍內(nèi)時(shí),見(jiàn)圖3e和3f掃描線表面的質(zhì)量最優(yōu)。

2.2激光掃描速度的影響

研究不同激光掃描速度對(duì)單層單道掃描成形線寬的影響,設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù):激光功率P=600 mm/s,鋪粉厚度h=0.03 mm,激光掃描速度以100 mm/s為增量,從100逐步增大到1 000 mm/s。對(duì)不同激光掃描速度下單層單道掃描成形線寬進(jìn)行測(cè)定,如圖4所示曲線。

圖4　不同激光掃描速度下掃描線寬曲線

Fig. 4Width of scan forming line cure under different laser scanning speed

從圖4可以看出,隨著激光掃描速度的不斷增大,單層單道掃描成形線寬逐漸減小。這是因?yàn)殡S著激光掃描速度的不斷增大,能量單位時(shí)間內(nèi)作用在粉末上的時(shí)間縮短,則激光輻射作用于成形金屬粉末的能量減少,直接導(dǎo)致粉末吸收的能量減少,熔池變小,最終使得單層單道掃描成形線寬減小。然而過(guò)大的激光掃描速度易使成形金屬粉末的熔化不夠充分,導(dǎo)致粉末飛濺加劇,這就大大降低了成形表面質(zhì)量,因此,選擇適中的激光掃描速度,對(duì)成形質(zhì)量會(huì)起到一定積極作用。

其他工藝參數(shù)相同,在不同激光掃描速度條件下的單層單道掃描線形貌表征如圖5所示。圖5a～5i以100 mm/s為增量,v分別為100～900 mm/s和1 000 mm/s從圖5可以看出,當(dāng)激光掃描速度在100～500 mm/s之間時(shí),單層單道掃描成形線表面出現(xiàn)類(lèi)似魚(yú)鱗紋、過(guò)燒以及掃描線不平整等質(zhì)量缺陷。這是因?yàn)楫?dāng)激光掃描速度較低時(shí),作用于金屬粉末的時(shí)間過(guò)長(zhǎng),金屬粉末吸收過(guò)多的激光能量使得掃描線表面極容易形成氣孔和出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象。當(dāng)掃描速度在600～800 mm/s范圍之間時(shí),見(jiàn)圖5f～5h,掃描成形的線較為平整光亮,成形質(zhì)量相對(duì)較好。當(dāng)激光掃描速度在900和1 000 mm/s時(shí),如圖5h和圖5i單道掃描成形線逐漸變細(xì)且出現(xiàn)不均勻及輕微的球化現(xiàn)象,且單層單道掃描線連續(xù)性降低,出現(xiàn)較小的孔隙,且掃描速度越高成形的零件質(zhì)量越差。這是因?yàn)榧す鈷呙杷俣戎饾u增大,激光作用于金屬粉末的時(shí)間較短,金屬粉末吸收的能量較少,不足以使粉末充分熔化,降低了液相與基體之間的潤(rùn)濕性和冶金結(jié)合性。

圖5　不同激光掃描速度下的單道掃描成形線形貌

Fig. 5Scan forming line morphology under different laser scanning speed

2.3鋪粉厚度的影響

研究不同鋪粉厚度對(duì)單道掃描成形線寬的影響,設(shè)定激光功率為250 W,激光掃描速度為600 mm/s,鋪粉厚度以0.01 mm為增量,從0.01 mm逐漸增大到0.06 mm。對(duì)不同鋪粉厚度條件下的單層單道掃描成形線寬進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出,隨著鋪粉厚度的不斷增大,單層單道掃描成形線寬變化不大,只有很小的波動(dòng)。這是因?yàn)榧す夤β屎图す鈷呙杷俣纫欢?激光輻射的能量值不變,金屬粉末吸收激光能量值也基本不變,只受激光光斑直徑大小的影響,由于光斑直徑的上下擺動(dòng)導(dǎo)致單道掃描成形線寬只有很小波動(dòng)。但隨著鋪粉厚度的增加,過(guò)厚的鋪粉量使基板和粉末之間不能很好的黏接。

圖6　不同鋪粉層厚條件下掃描線寬曲線

Fig. 6Width of scan forming line cure under different power-bed depth

其他工藝參數(shù)相同,在不同鋪粉厚度條件下的單層單道掃描線形貌表征如圖7所示。由圖7可知,當(dāng)鋪粉厚度在0.01 mm時(shí),見(jiàn)圖7a,單道掃描線表面會(huì)出現(xiàn)掃描線不連續(xù)和表面不平整等現(xiàn)象。原因在于當(dāng)鋪粉厚度過(guò)低時(shí),激光作用于金屬粉末的過(guò)程中,粉末量較少導(dǎo)致熔池鋪展的不均勻,進(jìn)而使掃描線表面產(chǎn)生孔隙及掃描線不連續(xù)等現(xiàn)象。當(dāng)鋪粉厚度在0.02～0.03 mm之間時(shí),見(jiàn)圖7b和7c,掃描線整體平整均勻。當(dāng)激光鋪粉厚度在0.03～0.06 mm時(shí),如圖7d～7f,隨著鋪粉厚度的不斷增加,單層單道掃描線表面質(zhì)量逐漸變差,有魚(yú)鱗狀出現(xiàn),且有輕微的球化現(xiàn)象。厚度越大,單層單道掃描線表面凹凸不平和球化現(xiàn)象越明顯。分析原因,在于鋪粉厚度過(guò)大,激光作用于金屬粉末的熔池深度有限,不能熔化全部粉末,底部的金屬粉末不能和基板充分的冶金結(jié)合,因此成形質(zhì)量偏低。

圖7　不同鋪粉層厚下的掃描線形貌

Fig. 7Scan forming line morphology under different power-bed depth

由以上實(shí)驗(yàn)可以得出,IN718鎳基高溫合金激光熔化單道掃描成形最優(yōu)工藝參數(shù)范圍如表3所示。

表3最優(yōu)工藝參數(shù)范圍

Table 3Optimal process parameters of inconel 718 SLM test

P/Wv/mm·s-1h/mm250～300600～8000.02～0.03

3　結(jié)束語(yǔ)

筆者采用單因素實(shí)驗(yàn)方法,對(duì)鎳基高溫合金進(jìn)行單層單道掃描實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)進(jìn)行研究。分別分析激光功率、掃描速度和鋪粉層厚對(duì)掃描線寬和表面燒結(jié)質(zhì)量的影響。激光功率過(guò)小掃描線連續(xù)性差,激光功率偏大則會(huì)引起掃描線出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象;激光掃描速度過(guò)快粉末熔化不充分,易產(chǎn)生粉末飛濺缺陷,掃描速度過(guò)慢則會(huì)導(dǎo)致掃描線表面出現(xiàn)類(lèi)似魚(yú)鱗紋、過(guò)燒以及掃描線不平整等質(zhì)量缺陷。因此,激光功率的最佳工藝取值范圍在250～300 W,激光掃描速度的最佳工藝取值范圍為600～800 mm/s,

當(dāng)鋪粉厚度在0.02～0.03 mm時(shí),掃描線整體平整均勻。該研究可以為鎳基高溫合金零件的制造提供了理論支持。

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(編輯徐巖)

Study on nickel-based superalloy selective laser melting process parameters

WUTong1,LIUBangtao2,LIUJinhui1

(1.Morden Manufacture Engineering Center, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2. School of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is a study on the effect of various process parameters on the nickel-base superalloy selective laser melting forming quality. The study, based on single single-channel experiments, analyzes the effect of laser power, scanning speed, and dusting thickness and other process parameters on the melting channel width, the degree of continuity and surface quality. The results show that, under the current experimental conditions, the reasonable process parameter ranges are 250 W for the laser power, 600 mm / s for the scanning speed , and 0.02 mm for dusting thickness. The research may lay the foundation for a comprehensive study of the performance of the subsequent block shape.

nickel-based superalloy; selective laser melting; process parameters; surface quality

2015-05-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405138);黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20201104；E201328)

吳桐(1981-),男,黑龍江省哈爾濱人,工程師,研究方向:多軸數(shù)控加工工藝參數(shù)優(yōu)化,E-mail:123747678@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.04.003

TG665

2095-7262(2015)04-0361-05

A