選擇性激光熔化鎳基高溫合金的成形工藝

劉邦濤，　田　操，　張愛(ài)平

(1.哈爾濱福沃德多維智能裝備有限公司， 哈爾濱 150022；2.航天海鷹(哈爾濱)鈦業(yè)有限公司， 哈爾濱 150028； 3.空軍軍械通用裝備軍事代表局， 北京 100070)

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選擇性激光熔化鎳基高溫合金的成形工藝

劉邦濤1，田操2，張愛(ài)平3

(1.哈爾濱福沃德多維智能裝備有限公司， 哈爾濱 150022；2.航天海鷹(哈爾濱)鈦業(yè)有限公司， 哈爾濱 150028； 3.空軍軍械通用裝備軍事代表局， 北京 100070)

為探討激光掃描速度、鋪粉層厚度及激光功率對(duì)鎳基高溫合金選擇性激光熔化成形的影響，采用FORWEDO LM120型選擇性激光熔化成形設(shè)備在不同工藝參數(shù)下制備IN718試樣，通過(guò)光學(xué)和掃描電子顯微鏡觀測(cè)分析試樣的成形質(zhì)量及成形效率。結(jié)果表明：隨著激光掃描速度的逐漸增大，熔化成形產(chǎn)生的熔池寬度和深度隨之減?。患す夤β屎图す鈷呙杷俣鹊膮f(xié)同作用決定了成形質(zhì)量；確定鋪粉厚度，匹配工藝參數(shù)，在保證成形質(zhì)量的前提下，提高了成形效率。該研究為選擇性激光熔化成形生產(chǎn)奠定了理論基礎(chǔ)。

選擇性激光熔化； 鎳基高溫合金； 工藝參數(shù)； 成形質(zhì)量； 成形效率

0　引　言

鎳基高溫合金IN718是一種沉積硬化型鎳鉻合金，其機(jī)械性能優(yōu)異，在-253～650 ℃極低溫和高溫條件下仍具有良好的抗疲勞強(qiáng)度、高溫蠕變強(qiáng)度、抗腐蝕和抗氧化性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備、石油化工等領(lǐng)域[1-2]。也因其卓越的材料機(jī)械性能，IN718零部件的加工十分困難，不僅工件的加工難度大，加工周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，且材料浪費(fèi)嚴(yán)重，制造成本較高[3-4]。

選擇性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)是一種基于分層疊加制造原理的金屬成形加工方法，是典型的增材制造[5-8]。SLM成形技術(shù)的特點(diǎn)是通過(guò)高能量激光光束將金屬粉末逐層熔化成形零件，無(wú)需裝夾具，不受零件復(fù)雜程度影響，尤其適用于成形困難的復(fù)雜金屬零部件，不僅縮短了加工周期、提高了生產(chǎn)效率，也有效避免了貴重合金的材料浪費(fèi)[9-13]。由于成形方式有著本質(zhì)上的區(qū)別，增材制造不同于傳統(tǒng)意義上的減材制造，也因此解放了設(shè)計(jì)思想、豐富了機(jī)械設(shè)計(jì)理念。在保證零件良好性能的基礎(chǔ)上提高成形效率是SLM技術(shù)應(yīng)用的主要方向之一[14-19]。為此，筆者研究激光掃描速度、激光功率及鋪粉層厚的選擇對(duì)成形零件成形質(zhì)量與成形效率的影響，并探討成形規(guī)律，以期為高效成形鎳基高溫合金IN718復(fù)雜零部件提供理論依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料采用美國(guó)CARPENTER公司生產(chǎn)制造的氣霧化IN718粉末，組織形態(tài)如圖1所示。IN718為粒徑10～38 μm的球狀粉末，具有良好的流動(dòng)性。其化學(xué)成分如表1所示，能夠在很大溫度范圍內(nèi)保持優(yōu)越的機(jī)械性能。成形前對(duì)粉末進(jìn)行真空干燥處理，去除水汽等可揮發(fā)雜質(zhì)，保證其成形質(zhì)量。成形基板材料選擇熔點(diǎn)和熱膨脹系數(shù)與IN718相近的45號(hào)鋼，安裝前用無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗，去除基板表面殘留油污，安裝后調(diào)平基板并預(yù)鋪成形金屬粉末。

圖1　IN718 粉末顆粒

實(shí)驗(yàn)研究采用哈爾濱福沃德多維智能裝備有限公司生產(chǎn)制造的FORWARD LM120型金屬粉末熔化成形設(shè)備。設(shè)備裝備一臺(tái)IPG YLR-500連續(xù)波光纖激光器，激光波長(zhǎng)1.06～1.10 μm，光斑直徑70 μm左右，最大輸出功率500 W。工控機(jī)內(nèi)置自動(dòng)切片、自動(dòng)支撐及成形工藝軟件，可完成各種需求的零部件加工。還包括一套鋪粉式自動(dòng)送粉裝置、加熱系統(tǒng)、全密閉高純氬氣氣氛保護(hù)及循環(huán)系統(tǒng)。

表1　IN718化學(xué)成分

2　實(shí)驗(yàn)過(guò)程

選擇性激光熔化成形技術(shù)基于分層疊加制造原理，通過(guò)專(zhuān)業(yè)處理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)三維實(shí)體數(shù)模的z軸方向切片處理，每一層切片所包含的幾何信息即為當(dāng)前層激光掃描的截面，激光光束通過(guò)二維振鏡，根據(jù)程序設(shè)定的掃描路徑完成對(duì)當(dāng)前截面的掃描，因此, 激光掃描速度對(duì)零件的成形質(zhì)量和成形效率有著重要影響。確定激光功率為150 W不變，激光掃描間距為0.06 mm，單層IN718粉末厚度0.03 mm，在激光掃描速度分別為800、1 200、1 600和2 000 mm/s時(shí)，分別對(duì)成形基板和單層IN718粉末進(jìn)行單道掃描實(shí)驗(yàn)。

鎳基高溫合金IN718的熔化溫度為1 260～1 320 ℃，為保證成形粉末完全熔化且具有良好的成形質(zhì)量，激光的能量輸入值應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)，激光能量輸入可用激光能量密度表示：

η=P/v，

式中:η——激光能量密度，J/m；

P——激光功率，W；

v——激光掃描速率，mm/s。

因此，采用較高的激光掃描速度，匹配較高的激光功率，保證成形質(zhì)量的同時(shí)，縮短制件的成形時(shí)間，提高產(chǎn)品成形效率。依據(jù)上述分析，實(shí)驗(yàn)采用表2中工藝參數(shù)進(jìn)行單層多道成形實(shí)驗(yàn)。

零件成形時(shí)間除了與激光掃描速度有關(guān)，還與鋪粉厚度有關(guān)，由于成形零件的加工尺寸固定，零件成形時(shí)間與鋪粉厚度成反比。當(dāng)鋪粉厚度過(guò)低時(shí)，由于粉末量較少，使得激光熔化金屬粉末過(guò)程中熔池鋪展面積小且不均勻，使成形表面產(chǎn)生空隙等缺陷。當(dāng)鋪粉厚度過(guò)大時(shí)，激光能量不能使粉末全部熔化，不能達(dá)到充分的冶金結(jié)合，成形質(zhì)量較差。鋪粉厚度越大，成形零件的切片數(shù)就越少，即成形截面的數(shù)量減少，故很大程度地縮短了加工時(shí)間，提高了成形效率。綜合考量成形質(zhì)量與成形效率最終確定鋪粉層厚為0.03 mm。

表2　單層多道成形實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用分組變向的激光掃描方式，如圖2所示。相鄰兩層之間的掃描線相互垂直，即第n+1層掃描線與第n層垂直，采用這種方式可有效增加層與層間的牢固性，也可成形規(guī)則且表面清晰的熔化道形貌。設(shè)置激光掃描間距為0.06 mm，鋪粉厚度0.03 mm，試樣尺寸為13 mm×13 mm×10 mm。成形試樣如圖3所示。

圖2　分組變向掃描方式

圖3　實(shí)驗(yàn)塊體

利用線切割將試樣按照成形生長(zhǎng)方向進(jìn)行垂直方向地截取，試樣打磨、拋光經(jīng)腐蝕后通過(guò)Quanta 200場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行組織觀測(cè)。腐蝕劑采用H2O(20 mL)+HCl(20 mL)+HNO3(5 mL)+ H2O2(10 mL)，腐蝕時(shí)間10 s。

3　結(jié)果與討論

3.1激光掃描速度的影響

激光功率不變，不同激光掃描速度下，基板材料和單層成形粉末單道激光成形的表面形貌如圖4和圖5所示。

由圖4可知，激光輻射基板材料形成熔池，隨后極速冷卻形成單道掃描線，單道掃描線寬取決于熔池大小。激光功率大小不變，隨著激光掃描速度的逐漸增大，單道掃描線寬逐漸減小。這是因?yàn)殡S著激光掃描速度的增大，激光作用于基板材料的時(shí)間減少，單位時(shí)間里基板吸收的激光能量減少，熔池變小，單道掃描線寬度隨之減小。

a　150 W，800 mm/s　　　　　b　150 W，1 200 mm/s

c　150 W，1 600 mm/s　　　　　d　150 W，2 000 mm/s

由圖5可知，IN718粉末單道成形掃描線寬度變化規(guī)律與基板的基本相同，即隨著激光掃描速度的逐漸增大，單道掃描線寬逐漸減小。同時(shí)，成形表面魚(yú)鱗紋減少，表面有微小波動(dòng)，但趨于平整。因此，激光功率不變的情況下，適當(dāng)調(diào)整激光掃描速度，在保證成形質(zhì)量的同時(shí)，可以有效提高生產(chǎn)效率。

a　150 W，800 mm/s　　　　　b　150 W，1 200 mm/s

c　150 W，1 600 mm/s　　　　　d　150 W，2 000 mm/s

3.2激光能量密度的影響

圖6所示為IN718鎳基高溫合金單層多道成形實(shí)驗(yàn)六組工藝參數(shù)下的光學(xué)顯微照片。

a　η=150 J/m　　　　　　　　b　η=167 J/m

c　η=187 J/m　　　　　　　　d　η=200 J/m

e　η=222 J/m　　　　　　　　f　η=250 J/m

由圖6可以看出，隨著激光能量密度的改變，掃描截面的成形質(zhì)量也發(fā)生了較為明顯的變化。當(dāng)激光能量密度η為150、167 J/m時(shí)，表面成形質(zhì)量并不十分理想，連續(xù)程度略低，由于激光能量偏小，導(dǎo)致粉末中少部分未熔化粉末成為掃描成形層表面的夾雜物，使得液相和機(jī)體之間潤(rùn)濕性有所降低，因此表面質(zhì)量相對(duì)偏低。當(dāng)激光能量密度η為250 J/m時(shí)，掃描成形層的表面粗糙度相對(duì)有所增加，表面出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象，掃描成形層表面顏色和光澤度下降，氧化加劇，說(shuō)明激光能量密度過(guò)大不僅是能量的浪費(fèi)，同時(shí)對(duì)成形質(zhì)量產(chǎn)生較為嚴(yán)重的負(fù)面影響。η為187、200 J/m的掃描成形層表面質(zhì)量比其他四組參數(shù)的偏好，表面光澤度和平整度都相對(duì)良好。

3.3微觀組織形貌

圖7為IN718不同激光工藝參數(shù)SLM成形試樣的縱截面組織形貌。文中上述觀點(diǎn)得到進(jìn)一步論證。由圖7可見(jiàn)，隨著掃描速度的減小，熔池的深度也逐漸增大，這是由于當(dāng)激光功率大小不變的情況下，隨著激光掃描速度的減小，能量作用在單位面積成形粉末上的時(shí)間延長(zhǎng)，成形粉末吸收激光輻射的能量增多，使得熔池的深度增大。當(dāng)把激光功率提高到較高的350 W時(shí)，成形速度小幅度變化過(guò)程中，成形致密度與成形質(zhì)量沒(méi)有較大變化，都可滿(mǎn)足成形要求。

a　350 W，2 200 mm/s　　　　　b　350 W，2 000 mm/s

c　350 W，1 800 mm/s　　　　　d　350 W，1 600 mm/s

4　結(jié)　論

(1)激光功率不變，適當(dāng)調(diào)整激光掃描速度，在保證成形質(zhì)量的同時(shí)，可有效提高生產(chǎn)效率。

(2)激光掃描速度要與激光功率相互匹配，隨著激光能量密度的改變，掃描截面的成形質(zhì)量也發(fā)生較為明顯的變化。能量密度為187、200 J/m的掃描成形層表面質(zhì)量相對(duì)較好。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SLM的最佳工藝參數(shù)為激光功率350 W、掃描速度2 200 mm/s和鋪粉厚度0.03 mm。

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(編輯王冬)

Forming process of selective laser melting of nickel-based superalloy

LIUBangtao1，TIANCao2，ZHANGAiping3

(1.Harbin FORWEDO Multi-dimensional Intelligent Equipment Co.Ltd., Harbin 150022, China；2.Aerospace Hiwing(Harbin) Titanium Industry Co.Ltd., Harbin 150028, China；3.Military Representative Bureau Air Force for Ordnance & General Equipment, Beijing 100070, China)

This paper is an effort to investigate the influences of process parameters laser scanning speed, powder thickness and laser power on the forming of nickel-based superalloy by selective laser melting(SLM). The study does this by fabricating IN718 samples by FORWEDO LM-120 SLM system under different process parameters; observing and analyzing the forming quality and forming efficiency of sample by optical and scanning electron microscope. The results show that a increase in laser scanning speed is accompanied by a decrease in the melting pool width and depth; synergistic effect of laser power and laser scanning speed exerts an effect on the forming quality; an improvement in the forming efficiency is achieved by determining the thickness of the powder coating, proportioning process parameters, and ensuring the forming quality. This study may provide a theoretical foundation for the production of SLM.

selective laser melting; nickel-based superalloy; process parameters; forming quality; forming efficiency

2016-02-24

劉邦濤(1989-)，男，黑龍江省哈爾濱人，助理工程師，碩士，研究方向：激光成形制造，E-mail：liubangtao@forwedo.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.02.006

TN249;TG665

2095-7262(2016)02-0138-05

A