粉末特性對激光選區(qū)熔化三維打印成形的影響

□ 樊恩想 □ 曹章軼 □ 廖文俊

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 激光選區(qū)熔化概述

激光選區(qū)熔化三維打印是目前主流的三維打印技術(shù),適合加工傳統(tǒng)工藝難以制造的高精度復(fù)雜零件。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,激光選區(qū)熔化三維打印在航空航天、醫(yī)療、模具等行業(yè)已初步形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。激光選區(qū)熔化成形件的性能與金屬粉末的特性密切相關(guān),不合格的粉末會使激光選區(qū)熔化成形件內(nèi)產(chǎn)生氣孔、裂紋、夾雜等各種缺陷,影響激光選區(qū)熔化成形件的質(zhì)量。筆者從粒度、化學(xué)成分、球形度、松裝密度、振實密度、流動性、空心粉率等方面研究粉末特性對激光選區(qū)熔化三維打印成形的影響規(guī)律,并分析其內(nèi)在機(jī)理。

2 粒度

在激光選區(qū)熔化三維打印成形過程中,如果粉末的粒度及粒度分布選取不當(dāng),會引起團(tuán)聚、球化、飛濺等問題,從而影響激光選區(qū)熔化成形件的致密度、力學(xué)性能、光潔度等。通常,適用于激光選區(qū)熔化三維打印的粉末粒度范圍為15～53 μm[1]。

粉末若直徑減小,則比表面積增大,粉末直接吸收的激光能量增多,在成形過程中易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。過熱會造成材料熔融過度,使熔池內(nèi)金屬液的流動情況變得復(fù)雜,可能使金屬熔液產(chǎn)生飛濺。飛濺的熔滴會發(fā)生球化,形成球狀物體,影響下一層鋪粉的均勻性。過高的溫度還容易使合金粉末發(fā)生燒損。

粉末若直徑越小,則越容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,團(tuán)聚后的粉末會大大降低粉末的均勻鋪展性。Pleass等[2]對IN625鎳基合金粉末激光選區(qū)熔化三維打印成形過程進(jìn)行研究,表明如果粉末中大部分顆粒的粒徑小于10 μm,那么由于內(nèi)聚力的作用,容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,使粉末流動性變差,影響激光選區(qū)熔化成形件的質(zhì)量。

當(dāng)粉末直徑過大時,加熱過程中獲取的能量無法充分將粉末加熱至理想成形溫度,可能導(dǎo)致材料的冶金變化不完全,影響材料之間的接合力,使激光選區(qū)熔化成形件的致密性降低。粉末熔化后,可能處于欠熱狀態(tài),熔池整體溫度偏低,溶液黏度增大,溶液與基體的浸潤性降低,受表面張力的作用極易發(fā)生球化現(xiàn)象,降低激光選區(qū)熔化成形件的表面質(zhì)量,嚴(yán)重時還會阻礙成形。當(dāng)粉末直徑大于臨界值時,成形過程將完全無法進(jìn)行。王黎、魏青松等[3]對比三種不同大小粒徑的316L不銹鋼粉末的單道掃描軌跡形貌,粒徑大的粉末單道成形性能最差,表現(xiàn)為掃描線寬度不均勻,表面粗糙,有大顆粒的球化現(xiàn)象。

當(dāng)細(xì)粉和粗粉以一定配比混合,達(dá)到恰當(dāng)?shù)牧６确植紩r,可以形成較高的粉末堆積密度,使激光選區(qū)熔化成形件達(dá)到預(yù)期的成形效果。堆積密度高,會形成一個連續(xù)的熔融池,生產(chǎn)出表面光滑、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的激光選區(qū)熔化成形件。粉末的堆積密度由顆粒大小和形狀控制,粉末中大顆粒過多,會降低粉末的密度,小顆粒過多,會降低粉末的流動性,只有當(dāng)大小顆粒比例最優(yōu)時,大顆粒中的小空隙被小顆粒填滿,使粉末的流動性和堆積密度達(dá)到最佳。劉鵬宇[4]對比四種不同粒徑分布的GH4169鎳基高溫合金粉末激光選區(qū)熔化三維打印成形,發(fā)現(xiàn)粉末能否鋪粉及成形質(zhì)量的好壞關(guān)鍵取決于粉體的粒度分布。粒度分布均勻,在不影響鋪粉的前提下,適當(dāng)含有微量的細(xì)粉,不僅可以保證鋪粉成功,而且能夠在一定程度上減小粉末顆粒之間的孔隙,提高激光選區(qū)熔化三維打印成形質(zhì)量。胡勇等[5]系統(tǒng)研究IN738合金不同粒徑粉末搭配對粉末特性和激光選區(qū)熔化成形件質(zhì)量的影響,結(jié)果表明,粉末的流動性隨著粗粒徑粉末體積分?jǐn)?shù)的增大而提高。當(dāng)粗細(xì)粉末相互搭配,50%為31～53 μm粒徑粗粉,50%為15～30 μm粒徑細(xì)粉時,粉末具有較高的松裝密度和振實密度,激光選區(qū)熔化成形件具有較好的表面粗糙度及較低的孔隙率和裂紋密度,致密度達(dá)到99.3%。通常激光選區(qū)熔化三維打印使用的粉末粒徑分布曲線呈現(xiàn)為單峰高斯正態(tài)曲線,通過粉末粒徑分布對激光選區(qū)熔化三維打印成形Ti6Al4V合金性能影響的研究,Gu Hengfeng等[6]認(rèn)為,在相同范圍內(nèi),對于粒度分布具有雙峰特征的金屬粉末而言,激光選區(qū)熔化成形件的致密度和力學(xué)性能均較高。

3 化學(xué)成分

粉末化學(xué)成分包括粉末組成元素和夾帶的少量雜質(zhì)。粉末在生產(chǎn)、使用、儲存過程中,常常會引入一些雜質(zhì),如氧化鋁、二氧化硅、難熔金屬,以及吸附在粉末表面的水蒸氣、氧、其它氣體等。粉末中的雜質(zhì)應(yīng)嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi),如果要得到高質(zhì)量的激光選區(qū)熔化成形件,夾雜物數(shù)量每100 g不得多于兩個,夾雜物尺寸不得大于35 μm[1]。

一般而言,雜質(zhì)成分會使粉末顆粒硬度提高,使激光選區(qū)熔化成形件的性能降低。雜質(zhì)的存在使粉末熔化不均勻,造成激光選區(qū)熔化成形件內(nèi)部缺陷。雜質(zhì)的存在還會導(dǎo)致粉末熔化后潤濕性變差,零件在成形過程中發(fā)生球化。雜質(zhì)可能會與基體金屬發(fā)生反應(yīng),使基體金屬性質(zhì)發(fā)生改變,影響激光選區(qū)熔化成形件的質(zhì)量[7]。粉末的氧含量對激光選區(qū)熔化成形件有重要影響,氧含量高,激光選區(qū)熔化成形件內(nèi)部氧化物夾雜的數(shù)量會增加,尺寸會增大,進(jìn)而降低合金的塑性。高溫下金屬粉末會形成致密的氧化膜,影響激光選區(qū)熔化成形件的性能,還會直接導(dǎo)致球化現(xiàn)象,降低激光選區(qū)熔化成形件的致密度和成形質(zhì)量[8]。魏青松、王黎等[9]對不同含氧量316L不銹鋼粉末的激光選區(qū)熔化成形件性能進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)隨著粉末含氧量的提高,激光選區(qū)熔化成形件的致密度和拉伸性能明顯降低。

4 球形度

球形度表征粉末顆粒接近球體的程度。根據(jù)顆粒截面積等效直徑除以截面周長等效直徑的方法,計算得到球形度值。金屬粉末由于不同的制備方法呈現(xiàn)出不同形狀,如球形、片狀、樹枝狀、針狀等。球形粉末流動性較好,鋪粉均勻,松裝密度高,有利于提高激光選區(qū)熔化成形件的密度與組織均勻性,由此保證激光選區(qū)熔化三維打印成形質(zhì)量。非球形粉末顆粒之間的接觸面積大于球形顆粒,使粉末之間的摩擦作用更大,粉末難以均勻鋪展。用于激光選區(qū)熔化三維打印的粉末要求球形度值達(dá)到0.92以上,縱橫比大于2的非球形粉末的質(zhì)量百分比不超過3%[1]。

魏青松、王黎等[9]對不同制粉工藝的316L不銹鋼粉末激光選區(qū)熔化成形件的性能進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)水霧化粉末的顆粒呈現(xiàn)為不規(guī)則形狀,激光選區(qū)熔化成形件的表面較為粗糙,存在大量較大的空隙,致密度約為90%;氣霧化粉末的顆粒呈現(xiàn)為較規(guī)則球形,激光選區(qū)熔化成形件表面相對平整,空隙數(shù)量少、尺寸小,致密度高于90%。

5 松裝密度

松裝密度指粉末在特定容器中處于自然充滿狀態(tài)后的密度。松裝密度是粉末多種性能的綜合體現(xiàn),可以反映粉末的密度、顆粒形狀、顆粒表面狀態(tài)、顆粒粒度、粒度分布等,對激光選區(qū)熔化三維打印穩(wěn)定性及成形質(zhì)量的控制都有重要影響。粉末顆粒形狀越規(guī)則,表面越光滑,越致密,粉末的松裝密度就越高。較高的粉末松裝密度有利于激光選區(qū)熔化三維打印,在成形時有足夠的金屬液補(bǔ)充,更有利于形成連續(xù)熔池,避免在凝固過程中發(fā)生球化現(xiàn)象[10],進(jìn)而確保激光選區(qū)熔化成形件致密度達(dá)到要求。Liu Bochuan等[11]通過對兩種不同粒徑分布的316L不銹鋼激光選區(qū)熔化成形件進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)粒徑分布較寬、細(xì)小顆粒較多的粉末,松裝密度較高,激光選區(qū)熔化成形件更致密,表面質(zhì)量更好。Baitimerov等[12]對AlSi12合金粉末激光選區(qū)熔化成形件進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)粉末中不規(guī)則顆粒數(shù)量越多,粉末的松裝密度越低,激光選區(qū)熔化成形件的表面球化現(xiàn)象越嚴(yán)重。

6 振實密度

振實密度指粉末在容器中經(jīng)過機(jī)械振動達(dá)到較理想排列狀態(tài)的密度,是粉末多種物理性和工藝性能的綜合體現(xiàn),包括粉末粒度、粒度分布、顆粒形狀、表面粗糙度、比表面積等。振實密度與松裝密度都反映了粉末的堆垛特性,但兩者定義不同,前者反映的是粉末在有限空間受壓狀態(tài)下的堆垛特性,后者反映的是粉末在有限空間自然狀態(tài)下的堆垛特性。一般而言,振實密度越高,粉末的流動性就越好。

7 流動性

粉末的流動性以一定量粉末流過規(guī)定孔徑標(biāo)準(zhǔn)漏斗所需要的時間來表示,數(shù)值越小,說明流動性越好。粉末的流動性直接影響激光選區(qū)熔化三維打印過程中的鋪粉均勻性。如果粉末流動性太差,那么鋪粉時顆粒與顆粒容易粘附、抱團(tuán),造成粉層厚度不均,成形區(qū)域內(nèi)各個位置的金屬熔化量不一致,使激光選區(qū)熔化成形件內(nèi)部呈現(xiàn)出無序的組織結(jié)構(gòu),影響激光選區(qū)熔化成形件質(zhì)量。高流動性的粉末鋪展均勻,回收粉量小,粉末利用率高,有利于提高激光選區(qū)熔化成形件的尺寸精度和致密性[8]。粉末的粒度、濕度、靜電及粉末是否為球形均會影響粉末的流動性。激光選區(qū)熔化三維打印對不同合金粉末流動性的要求見表1[1]。

表1 激光選區(qū)熔化三維打印對合金粉末流動性要求

Baitimerov等[12]對比兩種不同流動性的AlSi12合金粉末激光選區(qū)熔化成形件,發(fā)現(xiàn)細(xì)粉含量較高的合金粉末流動性較差,難以形成均勻致密的粉層,在激光選區(qū)熔化成形件的表面存在較多孔洞;高流動性粉末激光選區(qū)熔化成形件表面光滑致密,孔洞則較少。Gu Dongdong等[13]研究四種不同粒徑尺寸的WC/IN718合金粉末激光選區(qū)熔化成形件性能,發(fā)現(xiàn)中值粒徑為25 μm的粉末流動性較好,可以形成均勻致密的粉層,激光選區(qū)熔化成形件表面光滑,沒有明顯缺陷;中值粒徑為15 μm的粉末流動性較差,粉末出現(xiàn)團(tuán)聚;中值粒徑為35 μm和45 μm的粉末,鋪粉時粉層致密度較低,粉層內(nèi)存在大量孔洞。

8 空心粉率

內(nèi)部含有封閉氣孔的粉末稱為空心粉,空心粉率指空心粉相對粉末顆?？倲?shù)的比例。在氣霧化制備的粉末中,一般都會含有一定數(shù)量的空心粉,無法完全消除?？招姆勐实母叩腿Q于粉末的化學(xué)成分、顆粒粒徑及氣霧化工藝參數(shù)。空心粉夾帶的氣體在激光選區(qū)熔化三維打印過程中不易消除,會形成氣孔、裂紋等缺陷。研究表明,適用于激光選區(qū)熔化三維打印的粉末,空心粉率應(yīng)不高于1%[1]。目前行業(yè)普遍認(rèn)為,采用金相分析法測試粉末顆粒數(shù)大于1 000,空心粉率不高于0.15%,或采用工業(yè)計算機(jī)斷層成像法測試粉末顆粒數(shù)大于30 000,空心粉率不高于1.5%,合金粉末均屬于合格。

9 粉末特性與材料性能關(guān)系

通過以上分析,歸納粉末特性與材料性能的關(guān)系,如圖1所示。粉末流動性主要與粉末粒度、球形度、形貌相關(guān),粉末粒度越大,球形度越大,形貌越規(guī)整,粉末的流動性就越好。粉末松裝密度同樣受到粉末粒度、球形度與形貌的影響。粉末粒度粗細(xì)搭配越合理,球形度越大,形貌越規(guī)整,粉末的松裝密度就越高。當(dāng)粉末具有較好的流動性與松裝密度時,粉末在激光選區(qū)熔化三維打印設(shè)備上具有良好的鋪展堆垛性,具體表現(xiàn)為粉末鋪展均勻及具有較高的密實性。在粉末鋪展堆垛性良好的基礎(chǔ)上,如果粉末具備較低的氧含量與空心粉率,配合合理的激光選區(qū)熔化三維打印工藝參數(shù),將獲得高致密度零件。高致密度零件是高性能激光選區(qū)熔化成形件的基礎(chǔ),獲得高致密度零件后,可以采用材料成分元素設(shè)計、優(yōu)化,以及后續(xù)性能調(diào)控手段,獲得高性能激光選區(qū)熔化成形件。

▲圖1 粉末特性與材料性能關(guān)系

10 結(jié)束語

激光選區(qū)熔化三維打印對粉末特性的要求較高,粉末性能在很大程度上決定了最終的激光選區(qū)熔化三維打印成形質(zhì)量。通過分析可見,要想獲得高質(zhì)量激光選區(qū)熔化成形件,需要采用純凈度高、氧含量低、球形度好、粗細(xì)顆粒粉末配比混合合理、松裝密度和振實密度高、流動性好、空心粉率低的粉末。