變厚度熔覆層沉積成形工藝與性能研究

辛 博， 周顯新， 鞏亞東

(東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

送粉式激光熔覆沉積成形以高能激光為熱源，逐道逐層熔化粉材后成形零部件[1]，對(duì)比其他金屬增材制造技術(shù)，其靈活性高，能打印復(fù)雜曲面金屬件[2].但采用等厚度熔覆層堆積成形斜坡結(jié)構(gòu)零件時(shí)易產(chǎn)生階梯效應(yīng)[3]，影響成形件幾何精度.因此變厚度熔覆層沉積成形被提出并廣泛研究，主要成果有：通過改變?nèi)鄹补に噮?shù)制造變厚度熔覆層，包括：送粉量[4]、離焦量[5]；Song等[6]提出多軸增減材交變遞進(jìn)方法精確成形變厚度熔覆層； Song[7]通過激光熔覆工藝參數(shù)的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)變厚度熔覆層，沉積成形曲面薄壁件；Shi等[8]通過自動(dòng)調(diào)整熔覆頭的傾角成形復(fù)雜金屬薄壁件.綜上，現(xiàn)有研究基本實(shí)現(xiàn)了掃描方向的高度自適應(yīng)變化，打印復(fù)雜薄壁件，但利用變厚度熔覆層實(shí)現(xiàn)幾何體多方向高度差仍鮮有研究.

本文首先建立變厚度切片模型，通過掃描速度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)形成變厚度熔道，并將多熔道進(jìn)行不等高搭接，獲得變厚度熔覆層.實(shí)驗(yàn)中以斜坡長(zhǎng)方體為例對(duì)比分析等厚度及變厚度熔覆成形工藝與性能，包括成形件的微觀組織和硬度.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用SVW80C-3D五軸增/減材復(fù)合加工中心沉積成形316L合金零件(基板：Q235)，其化學(xué)成分見表1.

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本文使用的主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：激光光斑直徑2.4 mm，激光功率1 kW，送粉速率12 g/min，離焦量為0.為驗(yàn)證變厚度熔覆層沉積成形工藝，建立以下實(shí)驗(yàn)：1)通過單因素試驗(yàn)，建立掃描速度與單道熔覆層高度間的線性映射fH-V，掃描速度變化范圍：4～8.7 mm/s，得到的映射結(jié)果為

H=-0.135v+1.82.

(1)

2)以斜坡薄壁件和楔形塊為例驗(yàn)證掃描及搭接方向成形策略的精度；并以斜坡長(zhǎng)方體為例，驗(yàn)證等厚度、變厚度熔覆成形件的表面質(zhì)量.

表1 316L鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

3)探究斜坡長(zhǎng)方體在橫、縱截面的晶粒形貌和硬度分布規(guī)律.采用王水溶液(30 mL HCl +10 mL HNO3)腐蝕實(shí)驗(yàn)件，分別觀測(cè)微觀組織及硬度.觀測(cè)儀器包括：OLS4100 3D激光共聚焦顯微鏡、HVS-1000M顯微維氏硬度計(jì)(載荷：1 kN；保載時(shí)間：10 s；卸載時(shí)間：3 s).

2 變厚度切片成形模型

2.1 假設(shè)條件

1)熔道的寬度等于激光的直徑，當(dāng)掃描速度在選定的范圍內(nèi)變化時(shí)，忽略熔覆過程中熔道寬度的變化.

2)離焦量控制為常量，忽略離焦量對(duì)熔覆層高度的影響.

2.2 成形策略

對(duì)零件的實(shí)體模型采用斜面切片方法，得到變厚度熔覆層；且隨著層數(shù)的增加，斜面傾斜角度遞增.由于光柵掃描路徑缺陷較少，且路徑規(guī)劃簡(jiǎn)單，因此，本文基于光柵模式，探究變厚度切片模型成形策略.如圖1所示，首先基于斜坡長(zhǎng)方體的理論三維模型，提取頂部表面模型Mtop，并獲取X，Y方向的高度差，將高度差最大的方向設(shè)為掃描方向，另一方向作為搭接方向，所需的層數(shù)N由整體的高度差求出：

(2)

式中：[HST，HSB]為成形件最大高度，最小高度；[hmin，hmax]為最優(yōu)掃描速度下的高度范圍.

2.2.1 搭接方向成形策略

采用圓弧等效熔覆層截面輪廓[9]方法，對(duì)于不等高搭接方法，將厚度不等的熔覆層搭接在一起，熔覆層頂部的斜面如圖2所示，調(diào)整中心距保證相鄰熔覆層高度的變化，熔覆層截面的面積ABead表示為

(3)

式中：W為熔覆層高度；H為熔覆層寬度.

圖1 斜面切片原理

圖2 不等高搭接方法

為確保搭接頂部表面的平整度，重疊面積S1等于凹陷面積S2，則梯形SEFHG面積可由相鄰熔覆層面積表示，推得中心距C：

C=2(ABead1+ABead2)/(hEF+hGH).

(4)

根據(jù)所分的層數(shù)，求出搭接方向每一層最大、最小高度：

(5)

式中：[hOt，hOb]為每一層搭接方向兩端的高度;HOT為斜坡長(zhǎng)方體最高點(diǎn)高度；HOB為斜坡長(zhǎng)方體最低點(diǎn)高度.

如圖3所示，以搭接起始熔道中點(diǎn)為原點(diǎn)，建立平面坐標(biāo)系X-Z，根據(jù)高度hOt，hOb求解頂部熔道線AB的方程.相鄰熔覆層高度可由第一層高度和其中心距表示，且點(diǎn)(C1，h1)滿足熔道線AB的方程.聯(lián)立方程解得相鄰熔覆層高度和中心距C1.以此遞推可解得成形件寬度范圍內(nèi)任意相鄰熔道的中心距(C1…Cn)，遞推公式為

(6)

式中：L0為成形件寬度；n為搭接道數(shù).

圖3 搭接方向的熔覆層橫截面

Fig.3Cross section of multiple cladding layers in the overlapping direction

2.2.2 掃描方向成形策略

理論上，通過連續(xù)改變掃描速度可實(shí)現(xiàn)熔道高度的自適應(yīng)變化.但實(shí)際熔覆過程中，掃描速度分段離散變化，熔道軌跡呈鋸齒狀(圖4).多層沉積時(shí)，下層的掃描軌跡是上層的高度變化曲線，以避免離焦量的自愈合作用.為提高熔覆層表面平滑度，根據(jù)單位長(zhǎng)度下的理論與實(shí)際面積誤差EH，推得單熔道所需最小段數(shù)m為

(7)

式中，HMtop表示頂部表面的高度函數(shù).

通過搭接和掃描方向成形策略，求出每條熔道軌跡的段數(shù)以及對(duì)應(yīng)的高度值.如圖5所示，點(diǎn)P表示單段熔道，則熔道任意段的掃描速度為

v(k,t)=fH-V-1(HMtop(tLS/m)/N),(k=1…n,t=1…m).

(8)

圖4 熔覆頭在掃描方向上的移動(dòng)軌跡

圖5 單層熔覆的熔道及其段數(shù)分布

Fig.5 Cladding segment and pass distribution in a layer

3 成果與討論

3.1 成形實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證變厚度熔覆方法的成形精度及表面質(zhì)量，分別采用掃描與搭接方向成形策略生成實(shí)驗(yàn)件.其中，斜坡薄壁件和楔形塊的截面見圖6a， 6b.結(jié)果表明，變厚度熔覆層熔覆成形斜坡薄壁件和楔形塊的頂部高度連續(xù)變化，測(cè)量其高度差分別為：掃描方向上每100 mm的變化量為17.28 mm，搭接方向上每15 mm的變化量為4.46 mm，與其理論高度差的偏差分別為0.58，0.84 mm，相對(duì)百分比分別為4.3%，8.3%，低于目前送粉式激光熔覆平均成形精度10%[10-11].如圖6c所示，通過超景深顯微鏡測(cè)量楔形塊頂部的平面度為116 μm，優(yōu)于文獻(xiàn)[12]中等高搭接方法成形的132 μm.

等厚度、變厚度熔覆成形的斜坡長(zhǎng)方體見圖7，可觀察到等厚度熔覆成形件的階梯效應(yīng)明顯，其表層平面度高達(dá)613 mm.而變厚度熔覆方法能完全消除階梯效應(yīng)(虛線)，成形件表層更平滑.但由于熔覆頭在成形件端部的掃描速度方向的變化，引起成形件兩端的輕微凸起.

3.2 微觀組織

兩種沉積方法下，斜坡長(zhǎng)方體橫截面微觀組織分布一致，相鄰熔道堆積處和搭接處的微觀組織見圖8.橫向搭接相鄰熔道時(shí)，搭接區(qū)的基體為已成形熔道的邊界曲面.相鄰熔覆層間，激光能量的高斯分布引起熔池邊界彎曲，中部重熔深度明顯高于熔池邊緣(圖8a).如圖8b所示，相鄰熔道交叉構(gòu)成搭接區(qū)域.液體熔池下半部分與凝固金屬接觸，形成較大的溫度梯度，因此在邊界(白色虛線)上方易出現(xiàn)定向生長(zhǎng)的細(xì)長(zhǎng)柱狀晶，并沿溫度梯度最大的方向擇優(yōu)生長(zhǎng)，且垂直于熔池邊界，晶粒指向熔池中心.已凝固的熔覆層由于與高溫的熔池邊界相接觸，該區(qū)域的晶粒尺寸受二次加熱作用影響顯著，邊界下方的等軸晶粒尺寸明顯小于其他區(qū)域.

圖6 成形件的三維形貌

圖7 斜坡長(zhǎng)方體的熔覆層堆積

圖8 橫截面微觀組織

變厚度和等厚度熔覆成形件的縱截面中部與頂部微觀組織分布見圖9.連續(xù)移動(dòng)的熔池沿掃描軌跡凝固，且激光束的掃描移動(dòng)引起熔池在反復(fù)重熔、凝固的周期性變化中前進(jìn)，在熔道內(nèi)形成清晰的移動(dòng)界面.其中，變厚度熔覆產(chǎn)生的熔池邊界較明顯.熔池凝固過程中，熔池左側(cè)以相鄰已凝固熔池的弧面為界面，熔池底部與已熔覆層的上表面相接觸.由于熱量主要通過邊界散失，使得晶粒沿熔池邊界生長(zhǎng)，熔池頂部的晶粒生長(zhǎng)方向比底部更加傾斜.

此外，等厚度熔覆成形件中部與頂部的邊界曲率和晶粒生長(zhǎng)方向均未發(fā)生顯著變化.而變厚度熔覆的成形初期，熔池底部與已熔覆層通過充分的熱傳導(dǎo)，使熔池的熱量向底部已凝固的部分?jǐn)U散.此處的溫度梯度較大，使得縱截面的晶粒傾斜角度較小，見圖9c.當(dāng)熔覆至成形件頂部時(shí)，熔池邊界的曲率上升使得熔池的熱擴(kuò)散面積增大，大部分熱量沿熔道方向通過對(duì)流傳遞至相鄰熔池，凝固方向趨于水平，晶粒傾斜角度增大，見圖9d.

圖9 變厚度熔覆和等厚度熔覆的縱截面微觀組織

3.3 硬度

斜坡長(zhǎng)方體不同位置的硬度測(cè)量點(diǎn)和變化趨勢(shì)見圖10,圖11.結(jié)果表明：在掃描和搭接方向，成形件邊緣處的硬度小于中部.對(duì)比等厚度熔覆，變厚度熔覆成形件橫、縱截面的硬度最高點(diǎn)均在高端附近，與低端的硬度平均相差40 HV.該現(xiàn)象可解釋為：在同一高度，變厚度熔覆成形件兩端的累積層數(shù)不同，且高端的層數(shù)小于低端，導(dǎo)致低端累積更多熱量，冷卻速率降低，延長(zhǎng)了晶粒形核的生長(zhǎng)時(shí)間，因此硬度降低.而對(duì)于等厚度熔覆，隨著層數(shù)的增多，熔道長(zhǎng)度逐漸縮短使得高端的熱量積累、冷卻速率降低，因此最大硬度出現(xiàn)在低端附近.

圖10 硬度測(cè)量點(diǎn)

圖11 硬度變化對(duì)比

由圖11c可知，堆積方向上兩種成形件的硬度變化趨勢(shì)一致，硬度隨熔覆層數(shù)的增多非均勻上升.其原因?yàn)椋好慨a(chǎn)生新的熔覆層會(huì)使已凝固的熔覆層經(jīng)歷一次升溫和降溫，可等效為對(duì)底部的熔覆層進(jìn)行了回火處理.因此成形件底層的熱循環(huán)次數(shù)最多，硬度值較低，并從底部往頂部呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì).

4 結(jié) 論

1)本文提出的兩種成形策略可實(shí)現(xiàn)成形件在搭接和掃描方向的高度變化，通過變厚度熔覆層堆積成形的斜坡長(zhǎng)方體，消除了階梯效應(yīng)，提高了成形精度.

2)在斜坡長(zhǎng)方體的橫截面，熔池邊界處存在定向生長(zhǎng)的細(xì)長(zhǎng)柱狀晶以及細(xì)小的等軸晶，且生長(zhǎng)方向指向熔池中心.在縱截面，不同于等厚度沉積方式，隨著變厚度熔覆層數(shù)增多，高度差的變化使相鄰熔池邊界的曲率增大，從而改變晶粒生長(zhǎng)方向.

3)在掃描和搭接方向，兩種沉積方式均導(dǎo)致了硬度的不均勻分布，變厚度熔覆成形件的硬度高端大于低端；在堆積方向，兩種沉積方式下硬度變化趨勢(shì)相同，隨著熔覆層數(shù)的增多逐漸增大.