金屬零件選擇性激光熔化成形的影響因素

金屬零件選擇性激光熔化成形的影響因素

已經(jīng)通過了幾項研究，slm的研究取得了一些成果，但有關(guān)slm形成中slm變形、裂紋和闡明的影響規(guī)律需要進(jìn)一步研究。這項工作的目標(biāo)是這樣的。1實驗1.1slm實驗?zāi)Ｐ蛯嶒灢牧线x用Fe,Ni與石墨C粉末,Fe與Ni粉末粒度-300目,石墨C粉末粒度-200目,將三種粉末按質(zhì)量比91.5∶8.0∶0.5混合,通過球磨機(jī)均勻攪拌5h,制成SLM金屬粉末原料.實驗設(shè)備采用作者所在課題組研制的SLM系統(tǒng)HRPM-Ⅱ,該系統(tǒng)是國內(nèi)第一臺SLM實驗樣機(jī),主要包括150WYAG調(diào)制模式激光器(光斑直徑大小150μm,波長1.06μm),三維ScanLab動態(tài)聚焦振鏡,左右升降貯粉缸等.SLM的工作原理如圖1所示,其原理與選擇性激光燒結(jié)(SelectiveLaserSintering,SLS)一致,都是用激光束選區(qū)掃描粉末、逐層疊加、制造出所需的零件,不同的是SLM工藝采用一些特殊的方法,使制件CAD模型切片層實體部分的金屬粉末完全熔化,能夠直接制造高致密度與良好力學(xué)性能的金屬零件.本文中實驗參數(shù)的選擇采用正交設(shè)計方案,其工藝參數(shù)包括:激光器工作電流I(I與激光器功率成正比)、掃描速度V、掃描間距D與掃描層厚T.1.2金屬粉末國鐵粉體的球化現(xiàn)象圖2為單層多道實驗,對比圖2(a)與(b)可知:在相同的激光器工作電流與掃描間距條件下,由于圖2(a)中掃描速度較慢,單位時間內(nèi)金屬粉末吸收的激光能量太大,因此導(dǎo)致瞬時熔化,金屬熔池與周圍溫差太大,液態(tài)金屬發(fā)生劇烈的熱膨脹;另外,由于激光本身就是一種電磁波,金屬熔池表面存在光壓,于是熔化金屬粉末發(fā)生嚴(yán)重飛濺,致使圖2(a)中掃描線不連續(xù),成形不好;并且,由于圖2(a)中金屬熔池存在時間相對較長,氧化嚴(yán)重,使液態(tài)金屬的表面張力增大,另外,根據(jù)熱力學(xué)定律可知,當(dāng)非穩(wěn)態(tài)的熔化金屬在凝固過程中向穩(wěn)態(tài)發(fā)展時,表面自由能降低,液態(tài)熔滴容易形成球狀,在較大液態(tài)金屬表面張力驅(qū)動作用下,因此球化現(xiàn)象較圖2(b)嚴(yán)重.上述分析同樣適用于圖2(c)與(d)金屬粉末熔化凝固成形的區(qū)別.對比圖2(a)與(c)可知:圖2(c)中熔池球化現(xiàn)象更加嚴(yán)重,但是相對于圖2(a)而言,點與點、掃描線與掃描線之間搭接較好,這是由于圖2(c)中采用的激光器工作電流大,而激光器的功率與工作電流成正比例關(guān)系,雖然圖2(c)中的掃描間距比圖2(a)大,但是兩者“耦合”致使圖2(c)中單位體積金屬粉末吸收的激光能量較大,液態(tài)金屬高溫存在時間長,氧化相對加劇,促使表面張力增大而造成球化更加嚴(yán)重,雖然實驗中觀察到圖2(c)中飛濺也較多,但是因為單位時間熔化的金屬粉末較多,熔池尺寸相應(yīng)增大,掃描線之間還是能夠搭接的,所以圖2(c)較(a)成形好.從上述分析可知:按照表1進(jìn)行16組正交試驗,對比成形效果,結(jié)合理論分析,能夠選取合適的成形工藝參數(shù):I=22A,V=45mm/s,D=0.07mm,T=0.18mm.1.3分區(qū)掃描路徑與逐行掃描路徑的掃描試驗本文采用了兩種不同掃描路徑:分區(qū)掃描路徑與逐行掃描路徑,然后對上述兩種掃描路徑進(jìn)行了理論分析與實驗比較.a.分區(qū)掃描路徑.由于對三維實體CAD模型切片后各層截面區(qū)域形狀不一,為了避開截面區(qū)域內(nèi)的空洞,使激光束能夠連續(xù)掃描每個子區(qū)域,需要對截面進(jìn)行分區(qū),分區(qū)依據(jù):根據(jù)每條掃描線上填充線段的多少以及它們在X軸與Y軸上的位置進(jìn)行劃分.步驟1首先對每層截面區(qū)域進(jìn)行掃描線填充,填充順序從下到上,填充方向從左到右,然后從下向上求每條掃描線與截面區(qū)域輪廓(包括外環(huán)輪廓與內(nèi)環(huán)輪廓)交點個數(shù),根據(jù)交點個數(shù)的多少進(jìn)行分組,交點相同的掃描線所在區(qū)域分為一組,分組順序從下到上.步驟2各交點個數(shù)大于2,則根據(jù)掃描線與填充區(qū)域相交的順序?qū)ψ訁^(qū)域進(jìn)行重新分組,然后轉(zhuǎn)到步驟1,循環(huán)反復(fù),直到整個截面由一系列單連通區(qū)域組成,所謂單連通區(qū)域即任意一條掃描線與該區(qū)域的輪廓線交點個數(shù)為2.b.逐行掃描.任意一層切片截面均作為一個掃描區(qū)域.按照上述定義,圖3(b)實體截面按照分區(qū)掃描路徑方式可以分成9個單連通掃描區(qū)域(圖3(c)),激光束掃描子區(qū)域順序依次按照區(qū)域編號由小到大,按照逐行掃描路徑方式只能分成1個掃描區(qū)域(圖3(d)),它們的掃描方向如圖3(a)所示.采用上述兩種掃描路徑,分別對圖3(c)實體截面進(jìn)行單層掃描試驗,截面輪廓尺寸20mm×20mm,試驗結(jié)果如圖4所示.試驗分析:圖4(a)與(b)分別為采用分區(qū)掃描路徑與逐行掃描路徑成形的單層試樣.從圖中可知,對應(yīng)圖3(c)子區(qū)域2,3,4,6,7,8的圖4(a)相應(yīng)區(qū)域成形較差,出現(xiàn)塌陷、氣孔與裂紋,而圖4(b)中相應(yīng)位置較好.這是由于當(dāng)采用分區(qū)掃描路徑時,這些區(qū)域相鄰兩次掃描路徑時間間隔太短,溫度衰減太慢,前一次被掃描的金屬粉末形成的熔池還沒有冷卻,相鄰的掃描線又開始了,因而掃描線之間的溫差太小,造成過熱,金屬熔池整體表面張力較小(液態(tài)金屬表面張力與溫度成反比),而且由于金屬熔池邊緣位置受到較多未熔金屬粉末冷卻,邊緣處溫度低于熔池中心溫度,因而表面張力相對較大,形成的力偶促使金屬熔池向四周流動,以及在激光光壓與液態(tài)金屬自身重力作用下,發(fā)生塌陷,凝固成形不好,嚴(yán)重影響后續(xù)的鋪粉與加工,當(dāng)進(jìn)行第二層鋪粉與掃描加工時,塌陷位置所填金屬粉末遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他區(qū)域,并且激光束焦深小,致使塌陷位置金屬粉末不能完全熔化,造成層與層之間結(jié)合較弱,力學(xué)性能較差.當(dāng)采用逐行掃描路徑時,在圖4(b)中,對應(yīng)于圖4(a)上述區(qū)域,金屬熔池溫度相對較低,表面張力相對較大,于是它與激光光壓以及熔池自身重力的向下合力減小,以及金屬熔池邊緣位置與中心溫差相對要小,造成表面張力梯度減小,相應(yīng)的力偶也減小,促使中心液態(tài)金屬向四周流動量也要減小,所以,圖4(b)相應(yīng)位置比較平滑,但相應(yīng)子區(qū)域中間位置還是出現(xiàn)略微下凹.另外,根據(jù)激光束掃描子區(qū)域先后順序,當(dāng)掃描完圖3(c)子區(qū)域4與8時,才開始分別掃描子區(qū)域5與9,致使子區(qū)域5與9和鄰近區(qū)域溫度梯度較大,熔池快速冷卻凝固過程中,產(chǎn)生了較大的熱應(yīng)力,于是圖4(a)中相應(yīng)子區(qū)域分別出現(xiàn)兩條裂紋.同樣,圖4(b)頂端也有兩條裂紋,這是由于該區(qū)域受到頂部附近金屬粉末的強(qiáng)制冷卻,溫差太大,熱應(yīng)力與殘余應(yīng)力造成的.另外,由于金屬粉末傳熱快,導(dǎo)致熱影響區(qū)范圍大,加工后很難清粉.圖4(a)局部位置出現(xiàn)氣孔主要由于金屬粉末混合不均勻,熔化速度快,液態(tài)金屬發(fā)生強(qiáng)烈熱膨脹,促使熔池從中心向四周流動造成的,且這些區(qū)域溫度過高,部分金屬粉末發(fā)生了汽化.因此,通過理論分析與正交試驗,對于小尺寸的金屬零件,采用逐行掃描路徑不僅能夠提高制件精度,而且減小了制件的翹曲變形與裂紋,在工藝參數(shù)I=22A,V=45mm/s,D=0.07mm,T=0.18mm條件下,成形了圖5金屬網(wǎng)格,尺寸為20mm×20mm×3mm.2slm硬化層微觀區(qū)域分析2.1金屬粉末金屬預(yù)冷系統(tǒng)組織應(yīng)力的影響圖6是圖5金屬網(wǎng)格零件局部區(qū)域光學(xué)顯微形貌圖,從圖中可以看見:金屬網(wǎng)格零件致密性尚好,基本沒有出現(xiàn)空洞與裂紋,這說明所選工藝參數(shù)與掃描路徑比較合理.圖7是圖5局部區(qū)域的SEM顯微形貌,結(jié)合XRD金相分析,可知圖中金相組織為白色針狀馬氏體與少量殘余奧氏體,這是由于熔池存在時間短,冷卻速度快,容易產(chǎn)生馬氏體組織,并且金屬粉末中含有8%的Ni,而Ni是促使奧氏體化形成元素,從而增強(qiáng)了高溫奧氏體的穩(wěn)定性,致使出現(xiàn)馬氏體的臨界冷卻速度大大降低,因而當(dāng)熔池快速冷卻時,除了產(chǎn)生大量馬氏體外,還有殘余奧氏體.圖8是圖5金屬網(wǎng)格零件邊緣位置SEM(150×)顯微形貌圖,從圖中可見:當(dāng)金屬粉末受激光束掃描熔化凝固時,除了存在熔化區(qū)a外,由于金屬粉末良好的熱傳導(dǎo),使熔化區(qū)附近區(qū)域也快速升溫,部分金屬粉末熔化,致使金屬零件中形成半熔化區(qū)b與熱影響區(qū)c,兩者不同的是半熔化區(qū)大部分金屬粉末熔化,而熱影響區(qū)只有小部分金屬粉末熔化并且未熔金屬顆粒清晰可見.它們之間存在較大的溫度梯度,以至產(chǎn)生熱應(yīng)力,被熔化的金屬粉末立即冷卻凝固,引起收縮,也會導(dǎo)致較大的殘余應(yīng)力.熔池快速冷卻發(fā)生了組織轉(zhuǎn)變,也會出現(xiàn)組織應(yīng)力,這些應(yīng)力的綜合作用致使半熔化區(qū)與熔化區(qū)以及半熔化區(qū)與熱影響區(qū)之間分別存在明顯的裂紋.2.2顯微硬度與熱的關(guān)系表3、2圖9顯示了圖5金屬網(wǎng)格零件單一網(wǎng)格線不同位置的顯微硬度值,從圖中可知:所測第1,2與4點位置顯微硬度值基本相同,均在HB280左右,第3點位置顯微硬度值略微減