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        粉末融化的過程與探究

        作者:翔宇粉末冶金制品

        發布時間:2020-08-31

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        導讀:翔宇粉末冶金制品有限公司為您提供粉末冶金技術、粉末冶金知識,讓客戶對粉末冶金制品的技術與知識有所了解。

        目前,SLM技術在國外受到高度重視,其中歐洲處于世界領先水平。例如,比利時的魯汶大學正在進行SLM成形材料和工藝方面的研究,德國著名的快速成形設備生產商EOS公司、激光器生產商TRUMPF公司以及Fraunhofer研究所3家聯合進行研究與開發,正準備將SLM推向商品化,德國的MCP公司于2003年制造出了第一臺SLM樣機,英國利物浦大學也正在與MCP公司合作研究該技術。在我國,SLM技術尚處于試驗研究階段。華中科技大學已于2005年底研發成功了采用半導體泵浦150WYAG激光器和100W光纖激光器的SLM裝備。

        粉末融化的過程與探究

        但SLM成形涉及復雜的物理化學冶金過程,SLM過程中金屬粉末在快速移動的激光束掃描下,出現迅速熔化與凝固,這個過程只有幾毫秒,導致成形過程產生較大的熱應力,使成形件出現翹曲與開裂;同時,金屬粉末的熔化與凝固過程也容易出現球化現象,導致成形表面粗糙且不連續。這兩個因素最終促使成形的金屬零件內部出現孔隙,難以達到近100致密。因此,合理控制SLM成形工藝有利于減少金屬件內部應力集中、改善金屬粉末熔化狀況和促進SLM成形件的致密化。為此,本文以不銹鋼粉末為研究對象,主要研究其SLM成形工藝對不銹鋼粉末熔化狀況的影響,旨在摸索出合理的工藝參數,成形出高性能的不銹鋼金屬零部件,同時也為其他金屬粉末的SLM成形奠定基礎。

        1不銹鋼粉末的選擇性激光熔化成形實驗1.1不銹鋼粉末不銹鋼作為一種常用工程材料,廣泛應用于金屬零部件制造領域。本實驗分別選用3種不銹鋼粉末來研究其SLM成形工藝。

        1.2不銹鋼粉末的選擇性激光熔化成形過程實驗設備為華中科技大學研制的HRPM-型SLM快速成形系統,主要由光纖激光器、激光光路系統、掃描鏡、工作臺、供粉筒、鋪粉輥和工作缸構成。SLM成形時,先在工作臺面上鋪一層粉末材料,然后,激光束在計算機的控制下,按照截面輪廓的信息,對制件實心部分所在的粉末進行掃描,使粉末的溫度超過其熔化點,于是粉末完全熔化,得到這一層輪廓。在非熔化區的粉末仍呈松散狀,作為制件和下一層粉末的支撐。每層熔化成形后,工作臺下降一定的高度(0.020.10mm),再進行下一層的鋪料和熔化,如此循環,最終形成三維制件。三維制件完成后,清除其周圍未熔化的粉末,即可得到所需要的零件模具。

        1.3不銹鋼成形件的檢測對激光單道掃描線采用光學顯微鏡觀察。不銹鋼SLM成形件的致密度測試采用排水法測量(測試件表面涂敷密封材料)。不銹鋼SLM成形件鑲嵌成金相試樣,經過預磨與拋光后,使用王水進行腐蝕,腐蝕時間約為40s.表面形貌與內部的顯微組織采用Quanta200(FEI)型環境掃描電鏡(ESEM)進行觀察。

        2結果與討論2.1不銹鋼粉末激光單道掃描軌跡研究不銹鋼粉末的單道掃描可以驗證SLM工藝是否滿足成形的要求,并確定工藝參數對熔池寬度的影響規律,驗證不銹鋼粉末的SLM成形特征。

        -250目水霧化304L不銹鋼粉末單道掃描軌跡如所示,其特征有連續直線形、非連續(斷續)直線形、波紋形。若軌跡呈連續直線形,說明SLM成形過程較為穩定;若軌跡呈非(斷續)直線形和波紋形,說明SLM成形過程不穩定。SLM成形軌跡形貌及表面質量受不規則顆粒的影響,這主要是因為液態金屬表面張力作用吸附其周圍粉末所致;另外,掃描軌跡周圍存在少量金屬球,這主要是因為水霧化制備的粉末氧含量相對較高,增大了液態金屬的潤濕角,導致產生了金屬球;同時液態金屬與其周圍存在溫度梯度,產生表面張力梯度及馬蘭各尼(Marangoni)對流,使金屬表面產生波動的幅度較大,導致其不穩定。

        在功率98W、不同掃描速度作用下,-250目水霧304L不銹鋼粉末的單道掃描軌跡為了尋求成形性較好的不銹鋼粉末,又選擇了-500目水霧化316L不銹鋼粉末進行單道掃描成形實驗。316L不銹鋼粉末與304L不銹鋼粉末成分的主要差別在于:316L中含有Mo,而304L中不含Mo.-500目水霧化316L不銹鋼粉末的單道掃描成形軌跡如所示,其特征主要表現為連續直線形。在較寬的掃描速度范圍內,水霧化316L不銹鋼粉末的單道掃描成形軌跡表面及其周圍存在球形金屬,這表明成形過程中液態金屬斷裂成小體積液體,通過減小系統表面自由能而形成金屬球;圓柱狀成形軌跡明顯,較低掃描速度柱狀直徑較大,較高掃描速度柱狀直徑較小。

        功率98W、不同掃描速度作用下,-500目水霧化316L不銹鋼粉末的單道掃描軌跡單道掃描成形軌跡表明,-250目304L不銹鋼粉末和-500目316L不銹鋼粉末的成形性都不好,其原因是水霧化制備的粉末的含氧量較高,易在成形過程中球化。為此,又研究了-800目氣霧化316L不銹鋼粉末的單道掃描成形軌跡,其特征主要是連續直線形,未出現非連續(斷續)、直線形、波紋形、球形。其成形軌跡寬度受掃描速度影響規律為:當掃描速度較低時,單道成形軌跡較寬;當掃描速度較高時,單道成形軌跡較窄。

        單道成形軌跡在較寬的掃描速度范圍內未出現斷續,表明成形過程穩定性好。

        為單道掃描成形軌跡與工藝參數之間的關系。其變化規律為:在相同激光功率下,單道掃描成形軌跡寬度隨掃描速度的增加而減??;在相同掃描速度下,較小的激光功率變化對單道掃描成形軌跡寬度的影響不是很明顯。這與-250目304L不銹鋼粉末和-500目316L不銹鋼粉末單道掃描成形軌跡寬度隨掃描速度的變化相似。

        2.2不銹鋼粉末選擇性激光熔化成形件的致密化研究影響SLM成形件致密度的因素較多(激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉層厚等工藝參數),可在功率98W、不同掃描速度作用下,-800目氣霧化316L不銹鋼粉末的單道掃描軌跡-800目氣霧化316L不銹鋼粉末激光掃描軌跡寬度與激光功率、掃描速度的關系將這些因素歸納為一個變量(激光能密度)。激光能密度為單位體積的激光能量,單位為Jmm3,其表達式為:=P(vdh)(1)SLM成形件的致密度是成形軌跡平均致密度的累積,與激光能量密度相關聯。SLM成形件的相對致密度與激光能量密度之間的關系如所示。

        對實驗數據進行擬合,可得出-250目水霧化304L不銹鋼粉末SLM成形件的相對致密度與激光能量密度滿足式:=85.785-24.384exp(-93.555)(2)-500目水霧化316L不銹鋼粉末SLM成形件的相對致密度與激光能量密度之間的關系如b所示,對數據擬合,可得出SLM成形件的相對致密度與激光能量密度滿足式:=94.341-28.862exp(-224.277)(3)-800目氣霧化316L不銹鋼粉末SLM成形件的相對致密度與激光能量密度之間的關系如c所示。同理,對數據擬合,可得出SLM成形件的相對致密度與激光能量密度滿足式:(a)-250目水霧化304L不銹鋼粉末(b)-500目水霧化316L不銹鋼粉末(c)-800目氣霧化316L不銹鋼粉末激光能量密度對SLM成形件致密度的影響=99.859-11.919exp(-167.533)(4)經上述分析,表明不銹鋼粉末SLM成形件的致密度隨激光能量增大而提高,且存在一個以能量密度為函數的致密化方程:=m-Aexp(-K)(5)該方程表明了SLM成形件的致密度隨激光能量密度的變化關系。其中m為最大致密度,A與K為常數。

        綜上所述,可看出粉末特性對SLM成形件的致密度有較大影響,-800目氣霧化316L不銹鋼粉末較其他兩種粉末具有良好的致密化特性。這是因為,一方面氣霧化制備的粉末具有較低的氧含量,有利于液態金屬與前一層的潤濕性,不易產生球化現象;另一方面-800目的粉末較-500目與-250目粉末具有較細的粒徑,有利于提高金屬粉末的松裝密度,從而促進SLM致密化。

        2.3不銹鋼粉末選擇性激光熔化成形件的微觀組織形成研究反映的是掃描熔化道的縱截面和橫截面的情況。箭頭表示激光光斑的傳熱方向,由于凝固速度的不同而造成了魚鱗狀的界面結構,且相互重疊;表示熔化道沿激光掃描方向上的分布情況。SLM過程中的加熱過程要比加熱爐中復雜得多,這是由SLM激光掃描的特點所決定的。

        在某一時間間隔當中,近乎每一個熔化單元在凝固過程中都經歷了一個不同的溫度降低的過程。

        反映了熔化單元的換熱情況原理。從中可看出,被熔化單元吸收的激光能量會沿著3種方式散失。首先,熱量會通過對流的方式向空氣中散發;其次,熱量會通過傳導的方式向熔化單元周圍松散粉末傳遞;第三,熱量向熔化單元焊接的已凝固部分傳遞。通常,不僅已凝固部分的溫度在變化,而且熔化單元上層的由鋪粉輥鋪來的松散粉末的溫度也隨著加熱歷程產生變化。因此,熔化單元由于溫度變化的復雜凝固過程就是造成其室溫組織復雜多樣性的原因。處于熔化界面處的溫度梯度最大,原因是這些界面是金屬固相和液相的交界處。因此,處于焊接界面處的組織變化最為劇烈,所示的顯微照片中可看出,這些區域存在著幾類不同的組織,這些組織是不均勻,且具有柱狀結構和蜂窩狀結構。從中還可看出,這些組織均非常細小,這是由于快速凝固的液體金屬在短時間內大量形成晶核,具有較大的過冷度,但晶核形成后來不及長大就迅速凝固了,形成了晶粒細小組織。

        3結論本論文研究了不銹鋼粉末的選擇性激光熔化成形工藝,得出了以下主要結論。

        (1)-500目水霧化316L不銹鋼粉末和-250目水霧化304L不銹鋼粉末的單道掃描線不連續,球化現象嚴重,其原因是水霧化制備的粉末含氧量較高,成形過程中潤濕性較差。而-800目氣霧316L不銹鋼粉末的單道掃描成形軌跡較為連續,球化減少,顯示出較好的成形性。

        (2)高的激光能量密度促進SLM成形的致密化,且SLM成形件的致密度與激光能量密度滿足指數關系:=m-Aexp(-K)。與單道掃描實驗類似,氣霧化制備的-800目316L不銹鋼粉末比水霧化粉末在SLM成形時具有較高的致密度。這是因為該種粉末具有較低的氧含量,成形過程中球化減少,同時該種金屬粉末的松裝密度較高,有利于SLM過程的致密化。

        (3)顯微照片顯示SLM成形件的微觀組織非常細小且不均勻的,具有柱狀結構、珠光體形狀和蜂窩狀的結構。熔化界面處的溫度梯度最大,原因是這些界面是金屬固相和液相的交界處,處于焊接界面處的組織變化最為劇烈。


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