金屬粉末激光燒結(jié)成型工藝研究

尤磊　王思豪　李道益　范浩浩　姜世杭

摘 要：通過對雙組份Ni-CuP混合粉末進行激光燒結(jié)試驗，研究了激光功率、掃描速度和鋪粉厚度對燒結(jié)效果的影響。通過實驗可以得出：在本試驗條件下，當激光功率為60W、掃描速度為1 500mm/min、鋪粉厚度為0.3mm時可獲得較好的燒結(jié)效果。

關鍵詞：金屬粉末;激光燒結(jié);激光功率;掃描速度

中圖分類號：TG665;TF124.5文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）26-0068-02

隨著快速成型技術（RP）的發(fā)展，出現(xiàn)了成型件只需簡單表面處理或不需后續(xù)處理就可用于實際生產(chǎn)中的金屬零件加工方法[1，2]。選擇性激光燒結(jié)技術是RP技術中最前沿、最具潛力的技術，是先進制造技術的重要發(fā)展方向[3]。直接金屬粉末燒結(jié)（DMLS）可通過單步工藝直接實現(xiàn)復雜零件的快速成型，具有工藝周期短、省時、經(jīng)濟的特點。隨著研究的深入和工藝的發(fā)展完善，DMLS在金屬選擇性激光燒結(jié)中所占比重逐漸上升。本文研究激光功率、掃描速度對燒結(jié)效果的影響，得出理想的燒結(jié)工藝參數(shù)。

1 試驗材料及方法

試驗所用的材料為純Ni和CuP的混合粉末，配比為62∶38。燒結(jié)所用激光器為LCY300數(shù)控CO2激光器，其平均輸出功率為300W。

2 試驗結(jié)果和分析

圖1為不同工藝下的激光燒結(jié)試樣。圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）和圖1（d）為燒結(jié)較好的試樣，圖1（e）、圖1（f）、圖1（g）和圖1（h）為燒結(jié)中出現(xiàn)翹曲變形、粉末飛離等現(xiàn)象的試樣。

2.1 激光功率的影響

激光功率為120W時，試樣翹曲較為嚴重;激光功率為80W時，燒結(jié)試樣略微翹曲;激光功率為60W時，燒結(jié)結(jié)效果較好;激光功率為40W時，燒結(jié)效果又變差。

燒結(jié)一定厚度的體件需要經(jīng)過多層鋪粉，在掃描速度和粉末配比一定的情況下，若激光功率過小，由于粉末熔融厚度小，會使前后兩燒結(jié)層之間不能很好地熔合，甚至引起燒結(jié)體產(chǎn)生分層;增大激光功率有利于生成足夠的液相及液體的流動和鋪展，提高固相顆粒間的黏結(jié)性，使前后兩燒結(jié)層之間熔合，但若功率過大，使熔融溫度過高，粉層產(chǎn)生的收縮過大，就會影響燒結(jié)體的精度，甚至使其出現(xiàn)翹曲變形和開裂現(xiàn)象。適當?shù)剡x擇激光功率，既可以保證層與層之間連接好，又可以使燒結(jié)體收縮，且變形小。

2.2 掃描速度的影響

掃描速度為2 500mm/min時，燒結(jié)試樣未能成形;掃描速度為2 000mm/min時，燒結(jié)試樣有邊緣飛濺現(xiàn)象;掃描速度為1 500mm/min時，燒結(jié)效果較好;掃描速度為1 000mm/min時，燒結(jié)試樣翹曲、表面球化。

在燒結(jié)成形過程中，掃描速度過快會使粉末在燒結(jié)過程中出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象，使粉末飛離燒結(jié)區(qū)，燒結(jié)體層與層之間不能很好地熔合。掃描速度過慢，則可能造成燒結(jié)體收縮變形甚至開裂。只有在合理的掃描速度下，才能使燒結(jié)體層與層之間熔合好，收縮變形也小[4，5]。

2.3 鋪粉厚度的影響

激光燒結(jié)過程中，激光光能轉(zhuǎn)化為熱能，其中一部分在粉末表面散失，另一部分則進入粉末內(nèi)部[6]。在內(nèi)部傳熱方式上，因為粉層一般是疏松狀態(tài)，故考慮孔隙中的氣相和固相顆粒之間的傳熱、顆粒間的傳熱。在燒結(jié)的起始階段，粉末間的空隙率較高，粉末顆粒呈點接觸狀態(tài)。隨著液相燒結(jié)的進行，顆粒間形成燒結(jié)頸，顆粒變成面接觸，使粉末導熱率顯著提高。但是，激光能量在向粉末內(nèi)部傳導的過程中會迅速衰減，若粉層厚度太大，激光能量還未到達底部就損失掉了。

鋪粉厚度為0.3mm時，可獲得較好的燒結(jié)效果;鋪粉厚度大于0.5mm時，燒結(jié)件易出現(xiàn)開裂和翹曲現(xiàn)象。在進行第一層燒結(jié)時，熔融液體凝固后密度增大，體積收縮。由于原來粉末層較厚，在凝固冷卻的過程中，同一層上下部會存在一定的溫度梯度，使同一燒結(jié)層內(nèi)的收縮不均勻，產(chǎn)生熱應力引起變形。進行第二層燒結(jié)時，除了產(chǎn)生本層收縮不均勻變形外，同時由于和前一層之間的熱應力，使得變形加劇，產(chǎn)生明顯的翹曲現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)裂紋。

顧冬冬和沈以赴[7]認為，雙（多）組分金屬粉末激光燒結(jié)機制主要是液相生成和固相顆粒重排對燒結(jié)致密化起決定作用。試驗所用金屬粉由高熔點Ni粉和低熔點CuP粉混合構(gòu)成。在燒結(jié)過程中，激光束是持續(xù)移動的，因此，激光束輻照在區(qū)域粉末上的時間極其短暫，Ni粉由于熔點較高，不易完全熔化而能保留作為其硬質(zhì)核心;而CuP粉熔點低，易全部成為液相在表面張力作用下填充到Ni金屬粉末顆粒間的孔隙中而起黏結(jié)作用。同時，由于Ni和Cu之間能形成無限固溶體，被液相Cu包覆并潤濕的金屬Ni顆粒在液相毛細管力作用下，固相顆粒發(fā)生重排，從而使燒結(jié)致密度提高。

3 結(jié)語

本文研究并討論了激光功率、掃描速度、鋪粉厚度對粉末成型的影響，得出：激光功率過小、掃描速度過快，燒結(jié)層之間不能很好地熔合;若功率過大、掃描速度過慢，燒結(jié)體會產(chǎn)生翹曲變形甚至開裂。在本試驗條件下，當激光功率為60W、掃描速度為1 500mm/min、鋪粉厚度為0.3mm時可獲得較好的燒結(jié)效果。

參考文獻：

[1]楊永強，劉洋，宋長輝.金屬零件3D打印技術現(xiàn)狀及研究發(fā)展[J].機電工程技術，2013（4）：1-8.

[2]胡孝昀，沈以赴，李子全，等.金屬粉末激光快速成型的工藝及材料成型[J].材料科學與工藝，2008（3）：378-383.

[3]劉艷，李宗義，張曉剛.基于金屬粉末激光燒結(jié)技術的研究進展[J].工具技術，2017（7）：7-11.

[4]鄧琦林，方建成.選擇激光燒結(jié)粉末的參數(shù)分析[J].制造技術與機床，1997（10）：26-29，53.

[5]崔益軍，姜世杭，張劍峰.直接金屬粉末激光燒結(jié)試驗研究[J].農(nóng)業(yè)裝備技術，2007（6）：21-23.

[6]沈以赴，顧冬冬，王蕾，等.多組分銅基金屬粉末選擇性激光燒結(jié)成形的工藝研究[J].鑄造，2005（7）：659-664.

[7]顧冬冬，沈以赴，潘琰峰，等.直接金屬粉末激光燒結(jié)成形機制的研究[J].材料工程，2004（5）：42-48.