激光選區(qū)熔化成形金剛石復(fù)合材料特征幾何結(jié)構(gòu)的工藝約束研究

摘要" 多孔金剛石磨具是一種能在磨削加工過程中提供容屑和冷卻液流通空間的新型工具，激光選區(qū)熔化（selective laser melting，SLM）成形技術(shù)是制造多孔金剛石磨具的有效手段。受激光增材制造的光斑尺寸約束、逐層成形等技術(shù)特征的影響，所設(shè)計(jì)的多孔金剛石磨具難以精準(zhǔn)成形，因此有必要對金剛石復(fù)合材料特征幾何結(jié)構(gòu)的可成形性進(jìn)行研究?；赟LM125HL設(shè)備，以CuSn20/金剛石復(fù)合材料為研究對象，采用SLM成形技術(shù)成形了不同成形方向、不同尺寸的懸垂結(jié)構(gòu)、薄壁、圓孔和尖角等特征幾何結(jié)構(gòu)，并對其可成形性、成形誤差及產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明：金剛石復(fù)合材料懸垂結(jié)構(gòu)的最佳可成形尺寸為1.00～2.00 mm，薄壁結(jié)構(gòu)的最小可成形尺寸為0.70 mm；垂直于成形方向的圓孔結(jié)構(gòu)的最小可成形直徑尺寸為0.50 mm，平行于成形方向的圓孔結(jié)構(gòu)的最佳成形直徑尺寸為1.00～4.00 mm；尖角結(jié)構(gòu)的可成形角度需gt;10°。這些特征幾何結(jié)構(gòu)的成形誤差主要受激光對復(fù)合粉末的熱吸附、激光光斑熱影響區(qū)擴(kuò)散以及復(fù)合粉末的弱支撐等作用影響。

關(guān)鍵詞" 激光選區(qū)熔化；CuSn20/金剛石復(fù)合材料；特征幾何結(jié)構(gòu)；工藝約束

金剛石磨具是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體晶圓、航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、光學(xué)鏡片等高端零部件精密加工的重要工具，在新能源、集成電路、國防工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1-2]。目前，金剛石磨具的制備方法主要有熱壓燒結(jié)、釬焊、電鍍等[3-5]。隨著精密零部件的應(yīng)用場景逐漸廣泛，對工具的形狀和性能要求也越來越高，主要體現(xiàn)在仿形/異形工具和功能結(jié)構(gòu)化工具的制備。傳統(tǒng)工藝難以制備出此類工具，因此探索新型的工具制備方法具有重要意義。

以激光選區(qū)熔化（selective laser melting，SLM）成形為代表的激光增材制造技術(shù)，可通過逐層熔化粉床實(shí)現(xiàn)三維模型的構(gòu)建[6-7]，制備出復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)零件，已應(yīng)用于高性能金屬結(jié)合劑金剛石多孔砂輪的制備，采用的材料為金剛石與金屬結(jié)合劑機(jī)械混合的復(fù)合材料[8-10]。LI等[11-13]利用SLM成形技術(shù)制造了一系列孔隙率可控的多孔砂輪，與電鍍砂輪相比，其具有更小的磨削力和比磨削能。GAN等[14]研究了不同SLM制造參數(shù)對Cu-Sn-Ti / 金剛石復(fù)合材料成形質(zhì)量的影響，同時(shí)發(fā)現(xiàn)SLM磨塊的耐磨性比熱壓燒結(jié)磨塊的更高。

由于激光光斑熱影響區(qū)作用和逐層堆積成形的技術(shù)特點(diǎn)，采用SLM成形技術(shù)制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，往往受到薄壁、圓孔、懸垂等特征幾何結(jié)構(gòu)的工藝約束影響[15-16]，難以做到設(shè)計(jì)即成形的無縫銜接。針對金屬特征幾何結(jié)構(gòu)的工藝約束，已有專家學(xué)者進(jìn)行了大量探索。GU等[17]研究了激光能量密度及成形角度對SLM成形鋁合金懸垂結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量的影響；CHEN等[18]研究了SLM成形技術(shù)制造Ti6Al4V薄壁結(jié)構(gòu)的工藝約束，僅當(dāng)薄壁厚度gt;0.4 mm時(shí)才能成形。金剛石復(fù)合材料的SLM成形過程主要是通過金屬結(jié)合劑熔化凝固包裹金剛石，其與金屬的SLM成形有較大區(qū)別，因此難以參考現(xiàn)有金屬材料的工藝約束來設(shè)計(jì)多孔金剛石磨具。

從多孔金剛石磨具的設(shè)計(jì)到SLM成形的實(shí)現(xiàn)，需要特征幾何結(jié)構(gòu)工藝約束研究的支撐。本文提取了現(xiàn)有多孔金剛石磨具的特征幾何結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析了不同SLM成形方向、不同尺寸的薄壁、尖角、圓孔和懸垂結(jié)構(gòu)等特征幾何結(jié)構(gòu)的可成形極限尺寸，并給出相對應(yīng)的尺寸誤差，最后分析了影響不同特征幾何結(jié)構(gòu)工藝約束的成因。

1" 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1" 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料采用金剛石與CuSn20合金（質(zhì)量比為59∶1 000）通過機(jī)械混合制備而成的復(fù)合材料。其中，金剛石的規(guī)格為325 / 400（40～50 μm），CuSn20合金采用氣霧法制備而成。詳細(xì)的材料屬性如表1所示。

1.2" 成形方法

金剛石復(fù)合材料特征幾何結(jié)構(gòu)的成形采用德國Solution公司的SLM成形設(shè)備，型號為SLM125HL，成形艙尺寸為125 mm × 125 mm × 500 mm。特征幾何結(jié)構(gòu)的成形工藝參數(shù)如表2所示。

1.3" 模型構(gòu)建方法

根據(jù)現(xiàn)有多孔磨具填充單元結(jié)構(gòu)[12，19]，從中提取出影響SLM成形的4種特征幾何結(jié)構(gòu)模型，即懸垂、薄壁、圓孔和尖角結(jié)構(gòu)（如圖1所示），并建立不同尺寸的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）模型，導(dǎo)入SLM成形設(shè)備進(jìn)行制造。通過光學(xué)顯微鏡、游標(biāo)卡尺和電子量角器測量成形尺寸和角度3次，取其平均值進(jìn)行記錄。成形誤差采用相對誤差進(jìn)行標(biāo)注。

2" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1" 懸垂結(jié)構(gòu)

通過SLM成形技術(shù)分別成形邊長為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 、8.0 mm的懸垂方孔，成形方向?yàn)閆軸方向，沿Y軸方向?yàn)樗竭呴L，沿Z軸方向?yàn)樨Q直邊長。如圖2和表3所示，邊長為0.5 mm的方孔被粉末堵塞，造成孔封閉，無法成形。邊長為1.0 、2.0 mm的方孔形狀保持性較好，其水平邊長相對誤差均為1.00%，豎直邊長相對誤差分別為?11.00%和?14.50%。邊長gt;2.0 mm的方孔能夠成形，水平方向的邊長相對誤差為?0.67%～3.75%，垂直方向的邊長相對誤差為?9.20%～5.67%，但存在明顯的弧形坍塌。因此，設(shè)計(jì)懸垂結(jié)構(gòu)時(shí)，要求邊長尺寸為1.0～2.0 mm。

當(dāng)邊長gt;2.0 mm時(shí)，懸垂方孔開始出現(xiàn)弧形坍塌現(xiàn)象，且隨著邊長的增加，該現(xiàn)象越發(fā)明顯，其成因是在SLM成形過程中，熔池受到表面張力、重力以及支持力的作用，如圖3所示。對于非懸垂結(jié)構(gòu)，熔池的支持力來自凝固的熔道，熔池形狀保持完整；對于懸垂結(jié)構(gòu)，熔池的支持力來自金剛石復(fù)合粉末，其難以支撐熔池，同時(shí)受到熔池?zé)嵊绊懽饔?，形成坍塌的掛渣。因此越遠(yuǎn)離熔道，掛渣現(xiàn)象越明顯。懸垂結(jié)構(gòu)成形后，經(jīng)過噴砂，形成了弧形的坍塌。

2.2" 薄壁結(jié)構(gòu)

通過SLM成形技術(shù)成形了壁厚為0.50～1.40 mm的薄壁結(jié)構(gòu)，壁厚間隔設(shè)置為0.10 mm，成形結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，設(shè)計(jì)厚度為0.50 mm和0.60 mm的薄壁結(jié)構(gòu)無法成形，主要原因是該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，在制造過程中被刮刀刮壞；設(shè)計(jì)厚度gt;0.60 mm的薄壁結(jié)構(gòu)可以成形。從表4可以得出，實(shí)際成形的薄壁結(jié)構(gòu)厚度比設(shè)計(jì)厚度略有增加，同時(shí)隨著壁厚的增大，相對誤差呈下降趨勢。這是因?yàn)榧す獬尚芜^程中，激光光斑熔化金屬粉末，同時(shí)黏結(jié)金剛石顆粒成形，如圖5所示。激光的熱作用不只集中于光源照射區(qū)域，在光斑的外部也有熱影響區(qū)，雖然外部熱影響區(qū)比光源中心區(qū)域的溫度低，但足以熔化部分粉末，形成吸附在薄壁表面的半熔融粉末，因此增加了壁厚。同時(shí)，不同壁厚的結(jié)構(gòu)尺寸增大的程度差異不大，所以相對誤差隨著壁厚的增加而減少。

2.3" 圓孔結(jié)構(gòu)

2.3.1" 垂直于成形方向的圓孔

如圖6所示，在垂直于成形方向（孔的直徑方向與成形方向垂直），進(jìn)行了直徑為0.50～1.50 mm的圓孔成形實(shí)驗(yàn)。由圖6和表5可知，直徑為0.50 mm的圓孔可以成形，但相對誤差為?8.00%，與設(shè)計(jì)尺寸偏離較大，并有少量粉末堵塞，對成形精度有較大影響。若再降低直徑，則可能導(dǎo)致無法成形。當(dāng)孔的直徑gt;0.50 mm時(shí)，均能成形。同時(shí)，隨著孔直徑的增加，相對誤差值呈下降趨勢。因此可認(rèn)為，沿著垂直于成形方向的圓孔直徑設(shè)計(jì)需gt;0.50 mm。

2.3.2" 平行于成形方向的圓孔

如圖7所示，在平行于成形方向（孔的直徑方向與成形方向平行），進(jìn)行了直徑為0.50～8.00 mm的圓孔成形實(shí)驗(yàn)。由圖7可知，直徑為0.50 mm的圓孔被完全堵塞。隨著圓孔直徑的增加，相對誤差逐漸降低，說明圓孔的成形精度越來越高，如表6所示。由于圓孔頂部為懸垂結(jié)構(gòu)，在重力的作用下，圓孔頂部存在少量掛渣。其中，直徑為1.00～4.00 mm的圓孔形狀保持性較為完整。因此，對于平行于成形方向的圓孔，最佳成形尺寸為1.00～4.00 mm。

無論是垂直于還是平行于成形方向的圓孔，其成形尺寸都小于設(shè)計(jì)尺寸，最主要的原因是SLM成形過程中激光掃描軌跡的原理誤差。如圖8所示，虛線框?yàn)閳A孔的設(shè)計(jì)輪廓尺寸，而激光是一種類圓形的高斯光斑，以光斑中心為掃描終點(diǎn)，光斑的外輪廓為實(shí)際圓孔的成形輪廓。因此無論是平行于還是垂直于成形方向，都無法避免這種原理誤差。

2.4" 尖角結(jié)構(gòu)

如圖9所示，分別成形了角度為2.0°、5.0°、10.0°、15.0°、20.0°、30.0°，高度為20 mm的尖角結(jié)構(gòu)模型，尖角的方向平行于成形方向。由圖9可以得出，角度為2°和5°的尖角結(jié)構(gòu)在成形過程中發(fā)生損壞。角度為2°的尖角結(jié)構(gòu)，在距離成形高度為5.45 mm處發(fā)生損壞，而角度為5°的尖角結(jié)構(gòu)在距離成形高度2.10 mm處發(fā)生損壞。因此，尖角角度越小，越早發(fā)生損壞。設(shè)計(jì)角度為10°的尖角結(jié)構(gòu)雖然基本成形，但在頂部發(fā)生了鋸齒狀損傷，因此可視為成形失敗。當(dāng)角度gt;10°時(shí)，所有尖角結(jié)構(gòu)都能完整成形，如表7所示，尖角的相對誤差在0.3%～3.3%波動(dòng)。

尖角結(jié)構(gòu)能否成形主要與角度大小有關(guān)，其損傷產(chǎn)生原理和薄壁結(jié)構(gòu)類似，主要受成形過程中刮刀與結(jié)構(gòu)的相互作用影響。如圖10所示，對于角度較大的尖角結(jié)構(gòu)，整體從下到上的壁厚較大，當(dāng)刮刀移動(dòng)到大尖角結(jié)構(gòu)上時(shí)，整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度較大，在與刮刀碰撞中，不易被刮壞；對于角度較小的尖角結(jié)構(gòu)，由于整體結(jié)構(gòu)較薄，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度較低，當(dāng)刮刀與之碰撞時(shí)，刮刀會(huì)損傷結(jié)構(gòu)，形成結(jié)構(gòu)碎片。因此，尖角結(jié)構(gòu)的成形工藝約束為角度gt;10°才能成形。

3" 結(jié)論

對多孔金剛石磨具進(jìn)行特征幾何結(jié)構(gòu)提取建模，采用SLM成形技術(shù)制備了不同尺寸、不同成形方向的特征幾何結(jié)構(gòu)，通過SLM125HL設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

（1）對于懸垂結(jié)構(gòu)，激光熔化復(fù)合材料時(shí)，熔池底部的復(fù)合粉末難以支撐熔池，因此易造成掛渣，后期噴砂處理使懸垂結(jié)構(gòu)產(chǎn)生弧形坍塌。因此，設(shè)計(jì)懸垂結(jié)構(gòu)時(shí)，需保證懸垂長度為1.00～2.00 mm。

（2）對于薄壁結(jié)構(gòu)，壁厚較小的結(jié)構(gòu)易在成形過程中被刮刀撞壞，無法成形；壁厚較大的結(jié)構(gòu)，由于激光熱影響區(qū)的存在，尺寸略有增大。綜合考慮，薄壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需保證厚度gt;0.60 mm。

（3）由于存在激光光斑的掃描路徑與模型的輪廓軌跡不重合的原理誤差，因此圓孔的成形直徑尺寸偏小。對于垂直成形方向的圓孔結(jié)構(gòu)，最小可成形直徑尺寸為0.50 mm；對于平行于成形方向的圓孔結(jié)構(gòu)，最佳成形直徑尺寸為1.00～4.00 mm。

（4）對于尖角結(jié)構(gòu)，小角度結(jié)構(gòu)易在成形過程中損壞。其中，角度為2°和5°的結(jié)構(gòu)易損壞，當(dāng)尖角結(jié)構(gòu)的角度gt;10°時(shí)方可成形。

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