摘要： 本文在分析和實驗的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地闡述了大功率激光直接燒結(jié)金屬粉末成形金屬件的一些基本特征。這主要包括在激光燒結(jié)成形過程中的熔池球化特征、熔體流動特征，動態(tài)凝固組織特征，進一步探討燒結(jié)過程的基本規(guī)律，為金屬粉末的直接激光燒結(jié)成形提供了依據(jù)。 關(guān)鍵詞： 激光選區(qū)燒結(jié)，金屬粉末，過程，特征 自從快速成形技術(shù)誕生以來，金屬零件的快速制造就成為一個令人矚目的研究方向[1~3]。其中選區(qū)激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，簡稱SLS）技術(shù)因可進行金屬零件的快速制造而倍受關(guān)注。到目前為止，人們的研究主要集中在高低熔點二種金屬粉末混合或在金屬粉末中混合某種粘結(jié)劑，用較小的激光功率燒結(jié)成形金屬零件[4~5]，而對用大功率激光直接燒結(jié)金屬粉末成形金屬件研究較少。本文是在以前研究工作的基礎(chǔ)上[6~7 ]，從分析燒結(jié)現(xiàn)象入手，弄清金屬粉末激光直接燒結(jié)過程的基本特征，進一步探討燒結(jié)過程的基本規(guī)律，使人們對采用大功率激光直接燒結(jié)金屬粉末成形金屬件有一個比較完整而清晰的認識。 1 SLS的基本原理 SLS的基本原理如圖1所示，其工藝過程是通過分層切片軟件將CAD模型進行分割，形成若干個簿層平面。燒結(jié)成形時，首先用鋪粉裝置進行鋪粉，然后激光根據(jù)層面的幾何形狀有選擇地對材料進行掃描，使粉末熔化，并粘結(jié)在下層材料上，而未被激光掃描燒結(jié)的粉末則作為零件的支撐體。在完成一層燒結(jié)后，工作臺下降一個切片厚度，重新鋪粉、燒結(jié)，重復(fù)這樣的過程，直到燒結(jié)出整個零件。2 成形過程特征探討 2.1熔池球化特征 金屬粉末熔化后形成的熔池形狀取決于三種不同物質(zhì)的氣、液、固三相接觸的情況，也可以說取決于接觸物質(zhì)之間的界面張力。在三相交點上的液體質(zhì)點，設(shè)其受氣體質(zhì)點的作用力為f1；受液體質(zhì)點的作用力為f2；受固體質(zhì)點的作用力為f3。f1、f2、f3分別指向氣、液、固三相的內(nèi)部，如圖2所示。f1、f2、f3合力的大? ⒎較蛉【鲇諶鄢廝Φ奈恢謾Ｔ詵勰?上的熔池，由于粉末是松散的，顆粒之間存在間隙，它們的結(jié)合力較小，使得f1、f2、f3總的合力F指向液體內(nèi)部，如圖2(a) 所示，液面與固－液體界面的夾角為鈍角，此時，界面張力將使液面縮為球狀，熔池形狀是球形。在這種條件下進行燒結(jié)成形，由于熔池在多個方向流動力偶的作用下，粘接周圍的粉末,并形成一個球形熔池。隨著激光移向下一個熔區(qū)，使得已粘接周圍粉末的熔池冷卻和凝固加快。如果激光作用下的下一熔區(qū)沒有足夠的粉末材料（因這里的粉末已被前一熔區(qū)粘接走），則不能形成新的熔池。只有移動到一定距離以后，才有足夠的粉末材料被熔化，形成一個新的熔池，這樣重復(fù)形成一個個新的球體。因此燒結(jié)線是由一串圓球組成。在基體部分的熔池，由于固體質(zhì)點的作用力f3較大，使得f1、f2、f3總的合力Fϖ指向固體，如圖2(b) 所示，液面與固－液體界面的夾角為銳角，界面張力將使液面沿著固體表面張開，熔池的形狀在垂直掃描方向上是以扇形形狀出現(xiàn)，而在沿著掃描方向上熔池是連續(xù)的，難以形成單個球體。整個熔池形狀是由基體熔化深度所決定的，基體熔化深度越大，熔池的橢圓度越大，越有利于燒結(jié)成形。2.2 熔體流動特征 在激光燒結(jié)成形過程中，作用在金屬熔池內(nèi)的流體單元上的力主要是體積力和表面力。其體積力主要是熔池內(nèi)的溫度差(∆Τ)和濃度差(∆C)所引起的浮力，而表面力主要是熔池表面的溫度差(∆Τ)和濃度差(∆C )所引起的表面張力差，由于燒結(jié)成形采用的小光斑（d=1mm），熔池中的表面張力占主要作用，在這種情況下，可忽略體積力的作用。 表面張力受熔池表面的溫度變化及溶質(zhì)濃度變化的影響[8]。式中：σ0是一個與溫度和濃度無關(guān)的常數(shù)，它是純金屬在熔點時的表面張力值。顯然，當(dāng)激光作用下的熔池表面存在溫度梯度或溶質(zhì)濃度時，勢必產(chǎn)生一個表面張力梯度∂σ/∆r，由此引起熔體的對流驅(qū)動力Fσ。表面張力驅(qū)動力為：式中：(∂σ/∂T)*∆T為溫度梯度引起表面張力差；(∂σ/∂c)*∆T為濃度梯度引起表面張力差；δ(z)為δ-函數(shù)；H(d−r)為Heaviside函數(shù)。δ-函數(shù)和Heaviside函數(shù)表明熔體對流驅(qū)動力僅存在 于熔池表面，它是一個表面力。 在激光束的作用下，靠近能束光斑中心附近，其熔體的表面溫度最高，而偏離中心區(qū)域越遠，其表面溫度越低。相應(yīng)地，對于金屬熔體，其表面張力場的分布規(guī)律為熔池中心表面附近的表面張力值最低，而熔池邊緣附近的表面張力值最高。這樣在熔池中就產(chǎn)生了強制對流的機制。在垂直掃描方向的平面內(nèi)，會產(chǎn)生一定方向流動的多個力偶，如圖4所示。根據(jù)已有研究成果[8]，表面熔體流速可達8.2m/s。高速流動的熔體不僅加快了金屬的傳熱和傳質(zhì)，而且能將周圍的粉末粘接進來。新的粉末進入熔池，使得熔池的不同部分溫差加大，熔體流動加快。粉層越厚，粘接粉末越多，成形尺寸不易控制。在沿著掃描方向上，隨著激光向前運動，熔池后沿的凝固區(qū)有一部分金屬來自前方熔化區(qū)的回流，回流量的多少主要取決于熔池光斑中心表面的最高加熱溫度，熔池光斑中心表面溫度越高，熔池表面張力梯度越大，熔體的回流量越多。回流量的多少決定了燒結(jié)成形結(jié)果，其典型的成形結(jié)果可能成為：①一串圓球；②粗細不一的燒結(jié)線；③光滑的燒結(jié)線。作者經(jīng)過大量的實驗表面，只有在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下，如采用較小的粉層厚度和較大的激光功率，加大光斑中心和熔池后沿的凝固區(qū)的溫度差，增加了熔池前方熔體的回流量，可以燒結(jié)成形光滑的直線。2.3 凝固組織的形貌特征 凝固組織的形貌既和整個熔池所在的位置有關(guān)，又和熔池內(nèi)部的位置有關(guān)。當(dāng)熔池有一定的深度在基體上時，整個基體可以作為它的傳熱體，這樣對燒結(jié)體的組織形貌是會產(chǎn)生較大的影響。對于每道燒結(jié)線而言，熔化區(qū)可分為熔化過渡區(qū)和熔化區(qū)。熔化過渡區(qū)是指熔池和基體的交界處，在這區(qū)域內(nèi)晶粒處于部分熔化狀態(tài)，存在大量的晶粒殘骸和微熔晶粒，它并不是一條線構(gòu)成，而是一個區(qū)域，即半熔化區(qū)。半熔化區(qū)的晶粒殘骸和微熔晶粒都有可能作為在凝固開始時的新晶粒形核核心[9]，其形核主要機制為微熔晶核作為異質(zhì)外延。這個區(qū)域由于熔體對流對該區(qū)域的作用極弱，晶體的生長取向受熔體對流的干擾作用較弱，形成的枝晶取向沿著固—液界面的法向方向，如圖5所示。 圖5 熔化過渡區(qū)的結(jié)晶特征 圖6熔化區(qū)的結(jié)晶特征由于使用的激光功率較高，能夠完全熔化熔池中的粉末，熔化區(qū)主要為均質(zhì)形核，形成等軸晶，受到熔體對流的作用較強，枝晶的取向受熔體流動影響較大，其晶體的取向比較紊亂，如圖6所示。因此，整個燒結(jié)體的顯微結(jié)構(gòu)存在組織不均勻性，主要表現(xiàn)在層與層之間的成形界面上方（即沿堆積面的法向）其顯微組織主要是枝晶形狀，且枝晶方向沿著層面的法向方向，這也表明基體的聯(lián)生生長；而在其它地方其組織形態(tài)主要是等軸晶，這樣每層均有枝晶和等軸晶二種組織形態(tài)組成，其中等軸晶所占的體積分?jǐn)?shù)遠大于枝晶部分。整個燒結(jié)體是這樣的一層一層疊加而成的，且在沿著堆積方向上二種組織結(jié)構(gòu)交替重復(fù)出現(xiàn)。當(dāng)熔池在粉末上，由于粉末顆粒之間存在著孔隙，金屬層粉末的導(dǎo)熱系數(shù)受氣孔率的影響，其表達式為：式中：λt—金屬粉末的導(dǎo)熱系數(shù)；φA=1-φ；φ—金屬粉末的體積百分比；φA為空氣的體積百分比；λA—空氣導(dǎo)熱系數(shù)。 從式（4）可知，金屬粉末的導(dǎo)熱系數(shù)僅與周圍空氣的導(dǎo)熱系數(shù)成正比，而沒有金屬粉末的導(dǎo)熱系數(shù)項。這說明金屬粉末的導(dǎo)熱系數(shù)是相當(dāng)?shù)偷摹Ｔ谶@種情況下基體不能作為傳熱體，熔池傳熱條件的變化影響著凝固組織的形貌，燒結(jié)線不存在與基體聯(lián)生生長的枝晶；組織形態(tài)主要是等軸晶。 由于快速制造的零件是依靠一層一層疊加而成的，上下層之間必須牢固粘結(jié)，因此二種組織結(jié)構(gòu)交替重復(fù)所占的體積是主要的，只有在零件的凸臺等起始部分才會出現(xiàn)單個組織形態(tài)。 3 結(jié)論 （1）熔池球化和熔體流動對燒結(jié)成形都會產(chǎn)生影響。只要適當(dāng)加大激光功率，基體熔化達到一定深度，就可以避免球化作用力對燒結(jié)成形不利的影響，同時也增加了熔池中熔體的回流量，有利于燒結(jié)成形光滑直線； （2）燒結(jié)體的組織主要是以以枝晶和等軸晶二種組織形態(tài)交替疊加而成，形成整個制件的組織周期性重復(fù)出現(xiàn)。 參考文獻 [1] Abdolreza Simchi, Frank Petzoldt and Haiko Pohl. 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