（材料加工工程专业论文）316不锈钢金属粉末的选择性激光烧结成形研究.pdf

南京航空航天人学硕十学位论文 摘要 作为快速成形技术的一个重要分支，利用选择性激光烧结技术烧结金属粉 末成形金属零件或块体是2 0 世纪9 0 年代初发展起来的能直接制造任意几何形 状的金属零部件的一项新技术。由于材料和工艺因素的限制，直接用金属粉末 激光烧结制造金属零件还存在一定不足之处，球化是其中的突出问题之一。球 化效应的产生使得烧结线不连续，成形过程难于持续进行；又导致成形件的内 部孔隙增加，成形件强度和密度减小、表面粗糙度增大及尺寸精度降低。 本文对3 1 6 不锈钢粉末进行了激光烧结实验，从材料和工艺参数两方面入 手，初步分析和探讨了球化产生机理和影响球化的因素，并在优化粉末体系和 工艺参数的基础上，成功烧结出具有一定形状、无明显球化的块体。 在对单组元粒度为4 5 “m 的3 1 6 不锈钢粉末进行激光烧结的研究中发现， 球化现象在较宽广的工艺条件下表现十分严重，成形困难，烧结试样由较大的 球形颗粒构成。球化颗粒尺寸随扫描速度和粉层厚度( o 2 5 0 4 m m 范围内) 的 增加而减小：球化颗粒尺寸随激光功率的增大而增大，但激光功率增大超过 5 0 0 w 时，球化颗粒尺寸则随功率的增大而有所减小。 本文还进行了双组元4 5 1 t i n 与8 0 1 t i n 不同粒度3 1 6 不锈钢粉末的混合粉末 体系和在4 5l l m 的3 1 6 不锈钢粉末中添加特制的添加剂的激光烧结实验研究。 研究发现，对该双组元粉末，在7 5 0 w 的激光功率、o 0 2 m s 的扫描速度下， 成形出具有较好表面质量、无明显球化的块体。研究结果表明，采用颗粒尺寸 成双峰分布的混合粉末体系有助于减小球化倾向。 实验还发现，3 1 6 不锈钢粉末的激光烧结对添加剂具有一定的选择性。选 用c u p 作为添加剂对改善3 1 6 不锈钢粉末的球化没有明显作用，烧结结果不 是很理想：选用钎剂1 0 2 作为添加剂，在7 5 0 w 的激光功率、0 0 2 m s 的扫描 速度条件下，可以烧结成形出具有一定形状的块体试样，研究发现，球化现象 得到明显抑制，结果表明，对3 1 6 不锈钢粉末的激光烧结成形，钎剂1 0 2 是一 种抑制球化的合理添加剂。 对以上两个烧结块体的微观组织分析表明，烧结试样组织以柱状晶和等轴 晶两种组织形态交替叠加而成，形成整个烧结件的组织周期性重复出现。 关键词：选择性激光烧结，3 1 6 不锈钢粉末，添加剂，球化效应，微观结构 3 1 6 不锈钢金属粉末的选择性激光烧结成形研究 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fr a p i dp r o t o t y p i n g ( r p ) ，s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ( s l s ) o f m e t a lp o w d e r ，w h i c hi sa l s on a m e dd i r e c tm e t a ll a s e rs i n t e r i n g ( d m l s ) ， i sar e c e n t l yd e v e l o p e dt e c h n i q u ew h i c ho w n st h ec a p a b i l i t yo ff a b r i c a t i n gm e t a l p a r t sw i t ht h ea r b i t r a r yg e o m e t r y d u et ot h el i m i t a t i o no f m a t e r i a lp r o p e r t i e sa n d p r o c e s s i n gc o n d i t i o n su s e d ，l o t so f d e f e c t se x i s ti nt h ep a r t sp r o c e s s e db yd m l s ， s u c ha s “b a l l i n g ”e f f e c t ，w a r p i n gd e f o r m a t i o n ，l o ws i n t e r e d d e n s i t y ，a n dp o o r m e c h a n i c a ls t r e n g t h b a i l i n ge f f e c ti st h em o s ts e r i g u sd e f e c tw h i c hi s u n i q u et o d m l s t h eo c c u r r e n c eo fb a i l i n gr e s u l t e di nt h ef o r m a t i o no fd i s c o n t i n u o u s s i n t e r e dt r a c k sa n dh i g h p o r o s i t y i nt h es i n t e r e d s t r u c t u r e t h i s m a yi n t u r n l o w e r e dt h e d e n s i t y a n ds t r e n g t ho ft h es i n t e r e d p a r t s ，i n c r e a s e d t h es u r f a c e c o a r s e n e s so ft h ep a r t s ，a n dd e c r e a s e dt h ed i m e n s i o np r e c i s i o n i nt h ep r e s e n t e dp a p e r ，s o m ee x p e r i m e n t so nd m l so f316s t a i n l e s ss t e e l p o w d e rw e r ec a r r i e do u t b a s i n go nt h e s e ，t h em e c h a n i s mo fb a i l i n go c c u r r e n c e a n dt h ee f f e c t so f p r o c e s sp a r a m e t e r s ( 1 a s e rp o w e r ，s c a ns p e e d ，a n dl a y e rt h i c k n e s s ) o nb a i l i n ge f f e c tw e r ei n v e s t i g a t e d u s i n go p t i m i z e dp o w d e rs y s t e ma n dp r o c e s s p a r a m e t e r s ，t w os p e c i m e n s w i t h o u to b v i o u s b a i l i n gp a r t i c l e s w e r es i n t e r e d s u c c e s s f u l l y ，i na p p r o x i m a t eo b l o n gs h a p e a td i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r s ，d m l so f316s t a i n l e s ss t e e lp o w d e rw i t ht h e p a n i c l es i z eo f4 5 p , mw e r ed o n e i tw a sf o u n d t h a tt h eb a i l i n gw a ss e r i o u sd u r i n g l a s e rs i n t e r i n g ，a n ds i n t e r e ds p e c i m e n sw e r em a d eu p _ o fb i gb a i l i n gp a r t i c l e s t h e s i z eo fb a i l i n gp a r t i c l e sr e d u c e dw i t hi n c r e a s i n gs c a nr a t ea n dl a y e rt h i c k n e s s w i t h i nt h e r a n g e o 2 5 - 0 4 r a m t h es i z eo f b a l l i f i gp a n i c l e s i n c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n gl a s e rp o w e r b e l o w5 0 0 w ；w h i l et h el a s e r 西w e ri n c r e a s e da b o v e5 0 0 w t h eb a i l i n gt r e n ds h o w e dad e c r e a s e d m l so fap o w d e rm i x t u r e ，w h i c hw a sb l e n d e dw i t ht w ok i n d so f3i6 s t a i n l e s ss t e e l p o w d e r w i t hd i f f e r e n t p a r t i c l e s i z e o f 4 5 9 ma n d8 0 9 m ，w a s s u c c e s s f u l l yc a r r i e do u t a tt h el a s e rp o w e r o f7 5 0 wa n dt h es c a nr a t eo fo 0 2 m s ， t h ep a r tw a ss i n t e r e d ，w i t hs o u n ds u r f a c eq u a l i t ya n dw i t h o u to b v i o u sb a i l i n g t h e m i c r o s t r u c t u r e so ft h es i n t e r e dp a r tw e r em a i n l yc o n s i s t e do fd i r e c t i o n a lc r y s t a l s a n di s o m e t r i cc r y s t a l s 堕室堕窒堕盔盔兰塑主堂盟竺里二一 t h er e s u l ts h o w e dt h a tab i m o d a lm i x t u r ep r o d u c e db ym i x i n g c o a r s ea n df i n e d o w d e r s ，e a c ho fw h i c hh a st h ep a r t i c l es i z ei ng a u s s d i s t r i b u t i o n ，c a nb eu s e dt o r e d u c et h et r e n do fb a i l i n g i ta l s ow a sf o u n dt h a tp r e a l l o y e d c u pp o w d e rw a su s e l e s s t o i m p r o v e s i n t e r i n ga b i l i t yo f3 1 6s t a i n l e s ss t e e lp o w d e r s ，u s i n gt h eq j l 0 2a s a na d d i t i v e ， t h ed a r tw i t h o u to b v i o u sb a l l i n g w a ss i n t e r e d i t s h o w e dt h a t q j 10 2w a sa n e f f c c t i v ea d d i t i v ei nr e s t r a i n i n gb a i l i n go c c u r r e n c ed u r i n g l a s e rs i n t e r i n go f316 s t a i n l e s ss t e e lp o w d e r s k e y w o r d s ：s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ，316s t a i n l e s ss t e e lp o w d e r ，a d d i t i v e ，b a i l i n g e f f e c t ，m i c r o s t r u c t u r e 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：盘蠼垒 日期： 2 盟上，i 。2 南京航空航天人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 快速原型制造技术简介 快速原型制造【。5 j ( r a p i dp r o t o t y p i n g & m a n u f a c t u r i n g ，r p & m ) 是2 0 世纪 8 0 年代末迅速发展起来的一种崭新制造技术，也称为快速成形技术。它突破 了传统的材料变形成形和去除成形工艺方法机械加工的许多限制，采用材料逐 渐增长的原理，可在没有工装夹具或模具的条件下，迅速制造出形状十分复杂 的三维实体模型或零件，可有效地降低产品开发周期。因而，r p & m 被认为是 近二十年来制造技术领域的一次重大突破，并有可能成为2 1 世纪的主流制造 技术。 自r p & m 推出的二十年来，美、日、欧等工业发达国家都投入了大量的 人力和资金进行研究开发，使其得到迅速的发展，并已逐步形成一定的产业规 模。r p & m 是一项集机械工程、c a d 、数控技术和新材料的先进制造技术， 是实现并行工程和敏捷制造的有效手段。目前，r p & m 技术的成形工艺有十多 种，各种r p & m 方法具有自身的特点和应用范围，其中比较成熟并已经商业 化的r p & m 技术有mj ： ( 1 ) 立体光造型s l a ( s t e r e ol i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ) ； ( 2 ) 选择性激光烧结s l s ( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ) ； ( 3 ) 分层实体制造l o m ( l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ) ； ( 4 ) 熔融沉积制造f d m ( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) ； ( 5 ) 三维印刷3 d p ( t h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g ) 。 选择性激光烧结( s l s ) 是发展最快、最为成功且已经商业化的r p & m 方法 之一。由于其具有诸多优点，如粉末选材广泛、适用性广，以及可直接烧结零 件等，在现代制造业中受到越来越广泛的重视。 1 2 选择性激光烧结技术 1 2 1s l s 技术原理及其特点 选择性激光烧结( s l s ) 4 , 8 , 9 1 是采用激光有选择地逐层烧结固体粉末，叠加 生成预定形状的三维实体零件的一种快速成形制造方法。其又可称为选区激光 31 6 不锈钢金属粉末的选择性激光烧结成形研究 烧结。其原理为：首先由c a d 产生零件模型，再用专用的分层切片软件将零 件模型处理成系列的截面层，获得各截面的形状，作为激光束进行扫描的轨 迹，激光束沿该轨迹有选择地烧结各层粉末材料，使固化的部分层层叠加，最 终生成三维形状的零件。其整个工艺过程包括c a d 模型的建立和数据处理阶 段、铺粉阶段、烧结阶段以及后处理等川j 。 s l s 工艺的快速成形系统工作原理如图1 1 所示。整个工艺装置由粉术缸 和成形缸组成，工作时粉末缸活塞( 送粉活塞) 上升，由铺粉滚筒将粉末在成形 缸活塞( 工作活塞) 上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的 二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的个层面。一层粉末 烧结完成之后，工作活塞下降一个粉层厚度( 由切片软件决定) ，铺粉系统铺上 新粉，系统控制激光柬再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维 零件成形。最后，取出成形件，并可将未烧结的粉末回收到粉术缸中重新使用。 图1 1s l s 工作原理图 与其他r p 方法相比，s l s 突出盼优点在于它所使用的成形材料十分广泛。 从理论上说，任何加热后能够形成原子间联接的粉末材料都可以作为s l s 的 成形材料。目前，利用s l s 已成功进行成形加工的材料有石蜡、高分子聚合 物、金属、陶瓷粉末以及它们的复合粉末材料。由于s l s 成形材料品种多， 用料节省，成形件性能分布广泛、适合多种用途，此外，s l s 无需设计和制造 复杂的支撑系统，因此，s l s 的应用越来越来广泛。 s l s 技术的特点【9 ”“5 】归纳起来主要有以下几点： ( 1 ) 成形过程与零件复杂程度无关，是真正的自由制造，这是传统方法无 法比拟的。s l s 与其他r p 不同，不需要预先制作支架，未烧结的松散粉末作 南京航兰；三航天人学硕十学位论文 了自然支架。s l s 可以成形几乎任意几何形状的零件，对具有复杂内部结构的 零件特别有效。 ( 2 ) 生产周期短，开发成本相对较低。从c a d 设计到零件的加工完成只需 几小时到几十小时，整个生产过程数字化，可随时修正、随时制造。这一特点 使其特别适合于新产品的开发。 ( 3 ) 与传统加工工艺方法相结合，可实现快速铸造、快速模具制造、小批 量零件加工等功能，为传统制造方法注入新的活力。 ( 4 ) 材料范围宽，任何受热粘结的粉末材料都有被用作s l s 原材料的可能 性。材料无浪费，末烧结的粉末可重复使用。 ( 5 ) 应用面广。由于成形材料的多样化，使得s l s 适合于多种应用领域， 如原型设计验证、模具母模、精铸熔模、铸造型壳和型芯等。 1 2 2s l s 技术的发展及研究状况 s l s 工艺最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校( t h eu n i v e r s i t yo ft e x a s a ta u s t i n ) 的c a r ld e c k a r d 于1 9 8 6 年在其硕士论文中提出的，原美国d t m 公司 ( 于2 0 0 1 年与美国3 ds y s t e m s 公司合并) 、德国e o s ( e l e c t r o o p t i c a l s y s t e m g m b h ) 公司先后在1 9 8 7 年和1 9 9 5 年将这一思想转化成为现实，d t m 公司于 1 9 9 2 年推出了基于s l s 技术的商业化生产设备s i n t e rs t a t i o n 【l6 ”l 。几十年来， 奥斯汀分校和d t m 公司、e o s 公司在s l s 领域做了众多的研究工作，并已取得 了丰硕成果，推出系列化成形专用材料和设各。 在国内，也有多家单位进行s l s 的相关研究工作，如华中科技大学、南 京航空航天大学、西北工业大学、大连理工大学、华北工学院和北京隆源自动 成型有限公司等；并且已经取得了许多重大成果，如南京航空航天大学研制的 r a p i 型、r a p i i 型激光烧结快速成形系统，北京隆源自动成型有限公司开 发的a f s 3 2 0 、a f s 4 5 0 激光快速成形的商品化设备。 s l s 技术的发展按烧结用材料的特性可分为两个阶段i ”】：( 1 ) 利用s l s 技 术烧结低熔点的材料来制造原型。目前的烧结设备和工艺大多处于这一阶段， 所用的材料主要是塑料、尼龙、金属或陶瓷的包覆粉末( 或与聚合物的混合物) ； ( 2 ) 利用s l s 技术直接烧结高熔点的金属粉末材料来制造零件，这种工艺已成 为现在研究的热点。 1 2 3 国内外s l s 成形材料的产品及用途 成形材料是s l s 技术发展和烧结成功的一个关键环节，它直接影响成形 速度、成形件的精度和物理、化学性能，影响成形工艺和设备的选择及成形件 316 不锈钢金属粉末的选择性激光烧结成形研究 的综合性能。因此，国内外有许多公司和研究单位加强了s l s 成形材料方面 的研究工作，并且取得了重大进步。 ( 1 ) 国外主要s l s 成形材料的产品及用途 国外的许多快速成形系统开发公司和使用单位都对快速成形材料进行了 大量的研究工作，开发了多种适合于快速成形工艺的材料。其中，在s l s 领 域，以d t m 公司所开发的成形材料最具有代表性，其已商品化的s l s 用成形 材料产品见表1 1 9 j 。 表1 1d t m 开发的s l s 用成形材料产品 材料型号材料类型使用范围 d u r a f o r m 聚酰胺粉末概念型和测试型制造 p o l y a m i d e 添加玻璃珠的聚酰胺粉能制造微小特征，适合概念 d u r a f o r mg f 末型和测试型制造 d t m p o l y c a r b a n a t e聚碳酸酰粉末 消失模制造 t r u e f o r mp o l y m e r聚苯乙烯粉末消失模制造 s a n d f o r ms i覆膜硅砂砂型( 芯) 制造 s a n d f o r mz r1 1覆膜锆砂砂型( 芯) 制造 c o p p e rp l o y a m i d e 铜聚酰胺复合粉金属模具制造 r a p i d s t e e l2 0 覆膜钢粉功能零件或金属模具制造 表1 2 国内主要快速成形技术研究单位开发的s l s 用材料 研究单位成形材料应用范围 华中科技大学覆膜砂、p s 粉等砂铸、熔模铸造 北京隆源自动成型有限覆膜陶瓷、塑料( p s 、 烙模铸造 公司a b s ) 粉 覆膜金属、覆膜陶瓷、金属模具、陶瓷精铸、 华北工学院 精铸蜡粉、原型烧结粉熔模铸造、原型 南京航空航天人学硕七学伉论文 ( 2 ) 国内主要s l s 成形材料的产品及用途 相对于快速成形设备研究，我国快速成形材料及工艺的研究还相对滞后， 目前还处在起步阶段，与国外相比存在较大差距。虽国内有多家研究开发单位 对s l s 材料和工艺进行了研究开发工作，但还没有专门的成形材料生产和销 售单位。国内几家主要快速成形技术研究单位开发的材料见表1 2 1 ”j 。 1 2 4s l s 的应用和实例 十几年来，s l s 工艺已经成功应用于汽车、造船，航天和航空等诸多行 业，为许多传统制造业注入了新的生命力和创造力。 概括地说，s l s 工艺可以应用于以下一些场合1 2 , 1 4 , 2 0 1 ： ( 1 ) 快速原型制造。s l s 可快速制造设计零件的原型，及时进行评价、修 正以提高产品的设计质量；使客户获得直观的零件模型：制造教学、试验用复 杂模型。 ( 2 ) 快速模具和工具制造。将s l s 制造的零件直接作为模具使用，如砂型 铸造用模、金属冷喷模、低熔点合金模等；也可将成形件经后续处理后作功能 性零部件使用。 ( 3 ) 单件或小批量生产。对于那些不能批量生产或形状很复杂的零件，利 用s l s 技术来制造，可降低成本和节约生产时间，这对航空航天及国防工业 更具有重大意义。 s l s 具体应用已有诸多报道 5 , 2 1 - 2 3 】。德国e o s 公司在这方面走在前列，它 开发了可直接对未经预热的金属粉末进行激光烧结的系统e o s i n t m 。该系统所 使用的是不同金属粉末组成的混合物，各混合物在烧结过程中相互补偿体积的 变化而使全部粉末的收缩率可小到忽略不计，有利于保证制作精度，而且各混 合物的粒度仅为5 0 9 m 左右，有利于提高零件表面质量。该系统可制作形状复 杂的薄壁金属零件，特别是用于制作注塑模具。 d t m 公司于1 9 9 4 年推出r a p ms t e e l 制造技术，在s l s 2 0 0 0 系统中烧结 表面包覆树脂材料的铁粉，初次成形零件后，置入铜粉暾再一起放入高温炉进 行二次烧结制造出注塑模具，此模具在性能上相当于7 0 7 5 铝合金，可以注塑 5 万件。 国内，北京隆源自动成型系统有限公司在快速精密铸造方面取得了诸多成 果。利用其开发的a f s 3 2 0 激光快速成形机在较短时间内可为用户制造铸件 原型、熔模及铸造型壳等。 31 6 不锈钢金属粉末的选择性激光烧结成形研究 1 3 金属粉末的s l s 技术 s l s 最初只能用于塑料粉和蜡粉的成形，2 0 世纪9 0 年代初，从事s l s 技 术开发的德国e o s 公司通过与芬兰r a p i d p r o d u c t i n n o v a t i o n s 公司合作，研制 出可用于s l s 成形的烧结不收缩铜粉和不锈钢粉从而将s l s 技术拓展到了 金属材料成形领域。直接用金属粉末烧结成形三维零件是s l s 技术发展的目 标之一，也是快速成形制造最终的目标之一【8 24 1 。国内外科研人员在这方面进 行了大量的工作，并初步取得了一些成果，且在某些高科技领域得到了一定范 围的应用。 目前，金属粉末的s l s 主要分为间接法和直接法两种成形方法。 ( i ) 间接法 s l s 间接法 2 5 屯8 1 使用的金属粉末实际上是覆膜金属粉术或是金属粉末与 有机粘结剂按一定的配比组成的混合物。由于有机材料的红外光吸收率高、熔 点低，因而在激光烧结过程中，有机覆膜或粘结剂熔化，将金属颗粒粘结起来， 形成金属零件的坯体( g r e e np a r t ) 。烧结后的成形件孔隙率较大，强度也不是很 高，必须经后续处理才能成为密实的金属功能件。一般的后续处理工艺为脱脂 一高温焙烧( 或称二次烧结) 一金属熔浸。间接法的优点是烧结速度快，不需要 大功率激光器，成形过程中对环境要求较低，可极大地降低生产成本与设备成 本【6 】：主要缺点是工艺周期长，在后续处理过程中零件的尺寸和形状精度会降 低【2 9 】。 ( 2 ) 直接法 s l s 直接烧结金属粉末成形即直接金属粉末激光烧结( d i r e c tm e t a ll a s e r s i n t e r i n g ，d m l s ) ，是使用金属粉末( 粉末中不含有机粘结剂) 直接烧结成形出 金属零件 3 0 】。目前，由于材料和工艺因素的限制，直接法烧结成的零件机械 强度和致密度差别较大。对于致密度较低的烧结件，为提高其机械强度一般需 进行后续处理( 如液相烧结、热等静压等) 才能满足使用要求。 1 4d m l s 的研究进展 1 4 ，1d m l s 的粉末材料及组合类型 d m l s 按烧结用粉末材料体系的不同，通常可划分为以下几种 ( 1 ) 单组分金属粉末 南京航空航天人学硕f ：学位论文 在单组分金属粉末d m l s 过程中，激光在任一金属粉末颗粒上的持续辐 照时间很短，通常在o 5 2 5 m s 之间【8 1 ，在如此短暂的热循环之下，一般只能 通过粉末颗粒的粘性流动或熔化的方式来形成快速粘结。由于烧结的对象是单 组分金属粉末，因此即使是在接近熔点的温度下，粉末粘度仍然很高，因此很 难表现出有效的粘性流动致使其致密化。 对于单组分金属粉末的d m l s ，由于激光束逐行扫描，故金属粉末颗粒的 熔化也逐行进行，因此会形成圆柱形的金属熔化轨迹，在沿扫描方向表现为液 柱。为了减小表面积，降低液相表面能，液柱有分裂成一排球面的倾向，称之 为“球化”效应( b a i l i n ge f f e c t ) 拉虬”3 “。 ( 2 ) 多组分金属粉末混合系 多组分金属粉末混合系直接金属激光烧结成形机制一般沿用传统的液相 烧结机制。当激光烧结温度超过某一组元的熔点时，该组元材料熔化形成液相； 液相烧结可以显著提高原子扩散速率，引起物质的迁移，加速烧结过程，而且 液相将填充烧结体内固体颗粒问的孔隙，可获得高致密度的烧结件。 对于双组分金属粉末的d m l s ，金属粉末由高熔点金属粉末和低熔点金属 粉末混合而成，其中，前者作为结构金属( t h es t r u c t u r a l m e t a i ) ，而后者作为粘 结金属( t h eb i n d e rm e t a l ) 4 8 2 0 2 5 3 3 】。烧结时，激光束辐照粉末，使之升温至两 种金属粉末熔点之间的某一温度，从而使粘结金属熔化形成液相，并在表面张 力的作用下填充于结构金属粉末的孔隙之间，使之粘结并致密化。众多研究结 果 4 , g , 2 4 , 3 1 l 表明，为了更好地降低孔隙率，粘结金属的颗粒尺寸必须小于结构 金属，这样一方面可以在铺粉阶段有效地减少颗粒间的孔隙数量，提高粉末松 装密度：另一方面，在烧结阶段，激光辐照粉末，使之升温至两种金属粉末熔 点之间的某一温度，以小颗粒形态存在的粘结金属更易熔化形成液相，并在表 面张力的作用下填充于结构金属粉末的孔隙之间，使之粘结并致密化。 两种金属粉末的相对颗粒尺寸在很大程度上影响了每一种粉末的相对吸 收能量。选择合适的颗粒尺寸对获得足够的液相烧结反应是必要的。例如，对 于f e c u 或s t e e l c u 混合粉末，具有高反射率的c u 颗粒的尺寸应小于f e s t e e l 颗粒，以避免结构粉末材料f e s t e e l 在粘结材料c u 之前熔化 4 1 。 ( 3 ) 预合金粉末 预合金粉末材料的激光烧结成形通常也可以分为两类，即单组分预合金粉 末和预合金粉末与单组分金属粉末混合系。 单组分预合金粉末 区别于多组分金属粉末混合物，金属粉末的预合金化有助于烧结质量的提 高。通过控制不同金属粉末的质量百分含量。使之在预合金化过程中形成固溶 7 3 1 6 不锈钢金属粉末的选择性激光烧结成形研究 体组织，有利于后续的激光烧结。 预台金粉末颗粒的粘结也是通过液相烧结来完成的，烧结温度在其组分的 液相线温度和固相线温度之间进行选择，称之为超固相线液相烧结。 图1 2 解释了预合金化粉末的烧结过程：液相生成、颗粒破碎、重新排列、 晶粒再填充和滑动、粗化、通过溶解一再沉淀消除孔隙【3 ”。激光加热预合金粉 末至略高于固相线温度时，液相生成于每个预合金化粉末颗粒内部，每个颗粒 经受破裂和再填充，使液相分布趋于均匀，液体在对流扰动力和毛细作用力作 用下流动并润湿晶粒边界和固体颗粒，通过颗粒的重排以及后续的溶解一再沉 淀过程，致使合金粉末快速致密化。 图1 2预台金粉束的超固相线烧结示意图 s i m e h i 等人1 3 副研究发现，预含金粉末d m l s 过程中，颗粒烧结机制可能 从超固相线烧结机制转变到完全熔化一凝固机制，即在激光辐照下粉床的温度 上升至液相线以上时，粉末将发生完全熔化。虽然通过熔化一凝固机制也能实 现合金粉末颗粒的粘结，但会出现严重的表面“球化”现象以及由氧化导致的 夹杂，故超固相线烧结机制是预舍金粉末激光烧结的最佳烧结机制。 在预合金粉末d m l s 过程中，应注意元素成分间可能发生反应生成金属 间化合物，及其所带来的不利影响。金属间化合物脆性大、易破碎，会严重影 响烧结件的机械强度；而且，液相烧结时，金属间化合物的形成会增加熔体的 粘度，不利于液相的自由流动。 预合金粉末与单组分金属粉末混合系 预含金粉末与单组分金属粉末混合系的d m l s 综合了多组分纯金属粉末 烧结和预合金粉末烧结的工艺优势，因此被认为是d m l s 的最佳组合。 在预合金粉末与单组分金属粉末混合系的d m l s 过程中，添加剂的添加 数量和添加形态是非常重要的参数，它对于烧结速度、烧结件的显微组织和最 终性能具有重要的影响。在烧结过程中熔化的预合金粉末能否润湿单组分金属 南京航空航天大学硕士学位论文 粉末是实现成功烧结的关键。 1 4 2d m l s 的合金体系及研究状况 在d m l s 工艺中，高能量的激光直接烧结金属粉末成形出高致密度( 9 0 理论密度) 的零部件，而很少需要或不需要后续处理。与间接s l s 技术相比， d m l s 工艺最主要优点是取消了昂贵且费时的预处理和后处理工艺步骤。至今 为止，d m l s 制造金属零部件的可行性已经在多种金属粉末体系中得到验证， 主要有：铁基合金粉末( 包括f e s n 、f e c u 、f e c u s n 、不锈钢粉末和高速钢 粉末等) 3 3 , 3 5 3 7 、铜基合金粉末( 包括c u s n 、c u 、c u s n n i p 等) 1 。| 3 8 3 9 、镍 基合金粉末( 包括n i s n 、n i c u 等) 1 1 1 4 们、t i 6 a i 4 v i 4 1 l 等。 目前，国外在对各种金属粉末材料的烧结成形研究的基础上已经开始 d m l s 专用材料的设计和研制工作，如美国t e x a s 大学a u s t i n 分校s u m a nd a s 等人进行了i n c o n e l 6 2 5 超合金和t i 6 a i 4 v 的直接激光烧结实验研究，并分别 制造出f - 1 4 战斗机的涡轮发动机叶片和a i m 9 导弹的零部件【4 ”。j p k r u t h 等人通过对f e s n 、c u s n 、f e c u 等不同类型的金属粉末混合物的烧结试验后 发现，激光直接烧结f e c u 粉末混合系，能获得最佳的烧结结果f ”j 。a b d o l r e z a s i m c h i 等人研制了一种用于快速工具制造( r a p i dt o o l i n g ，r t ) 的低合金铁粉材 料，称之为l a s e r t o o l l ，该合金粉末包含：基体铁粉，用于降低熔点、氧化率 和熔体粘度的添加剂，表面活性元素，助烧结剂和用于金属基体增强、控制相 转变的元素。烧结试验表明，l a s e r t o e l l 粉末d m l s 成形件的致密度可达9 5 以上【3 ”。对于铜基金属粉末d m l s ，新加坡国立大学作了大量研究，并在烧 结e o s i n tm c u 3 2 0 1 粉末的基础上，自行制备了双组分铜基粉末( 预合金 s c u p 纯c u ) 【3 8 ，39 1 。 表1 3d m l s 材料的性能 高潮卜趋窭 d i r e c tm e t a jd i x e c tm e t a jd i r e c tm e t a ld i r e c ts t e e ld i r e c ts t e e l 粉层厚度( “m ) 1 0 05 0 2 05 02 0 主要成分b r o n z eb r o n z eb r o n z es t e e is t e e l 最终拉伸强度( m p a )2 0 02 0 05 0 05 0 06 0 0 布氏硬度9 0 - 1 2 09 0 1 2 01 0 0 1 2 01 5 0 2 2 01 8 0 2 3 0 最, i , - i l 隙率( )2 02 0752 最高操作温度( )6 0 04 0 04 0 08 5 08 5 0 3 1 6 不锈钢金属粉末的选择性激光烧结成形研究 但是即使到目前，已商品化的d m l s 专用材料数量甚少，主要是德国e o s 公司开发的一系列材料，材料名称以及特性详见表1 1 3 | 4 2 1 。 e o s 的d m l s 专用材料的设计思路是：合理选择包含纯金属或预合金舍 属粉末的混合物，以使得d m l s 过程中收缩与膨胀相互平衡。这种思路的奇 特之处正是在于特制的多组分金属粉末系，利用烧结过程中颗粒间的相互扩散 而引起的膨胀，来补偿液相烧结阶段的自然收缩趋势。 1 4 3 d m l s 发展存在的问题 d m l s 还是非常年轻的一个制造领域，在许多方面还不够完善，如目前制 造的三维零件普遍存在强度不高、精度较低及表面质量较差等缺陷。因此，需 要加强d m l s 技术的研究，以使其能更好的服务于制造业。 d m l s 工艺过程中涉及到很多参数( 如材料的物理与化学性质、激光参数 和烧结工艺参数等) ，这些参数影响着烧结过程、成形精度和零件质量，制约 了d m l s 进一步的发展与应用。零件在成形过程中，由于各种材料因素、工 艺因素的影响，会使烧结件产生各种冶金缺陷( 如裂纹、变形、气孑l 、组织不 均匀等) 。粉末材料的物理特性，如粉末粒度、密度、热膨胀系数以及流动性 等对零件中缺陷的形成具有重要影响，其中，粉末粒度和密度不仅影响零件中 缺陷的形成，还对零件精度有着显著的影响。烧结工艺参数，如激光功率、扫 描速度、扫描方向、扫描间距以及粉层厚度等对层与层之间的粘接，烧结体的 收缩变形、翘曲变形甚至开裂都会产生影响。此外，烧结气氛等因素对烧结过 程以及最终成形质量也有重要的影响。 直接金属粉末激光烧结之所以还没有得到更为广泛的应用，一个重要原因 是目前研制成的d m l s 专用材料还很少。一般情况下，d m l s 专用材料的性 能要满足：( 1 ) 有利于快速精确地制造原型；( 2 ) 直接制造功能件粉末材料要 接近制件最终用途对强度、刚度、热稳定性等的要求：( 3 ) 有利于烧结件的后 续处理【43 1 。 而目前用于直接金属粉末激光烧结的材料主要是粉末冶金材料和喷涂材 料。这些材料是为满足粉末冶金成形和喷涂成形而设计的。粉末冶金成形和喷 涂成形的原理与直接金属粉末激光烧结成形的原理存在很大的差别，主要是： ( 1 ) 传统粉末冶金过程是长时间加热、保温的过程，而激光烧结成形是瞬态加 热过程：( 2 ) 传统粉末冶金烧结的对象是整体材料或零件，而激光烧结成形的 材料是逐渐增长的。因此这些粉末材料不能很好满足直接金属粉末激光烧结成 形的要求。所以d m l s 专用材料的研制日益成为研究的重点，也是一个难点。 目前，d m l s 技术成形金属零件之所以困难，主要是由于金属粉末在激光 i o 南京航空航天大学硕士学位论文 烧结过程中易发生球化效应和变形。 ( 1 ) 球化效应 熔化相的粘度是影响d m l s 的一个主要的问题【8 29 1 。要使成形件具有足够 的强度，就需使粉末熔化粘结成形。但熔化的粉末由于液相粘度较高、颗粒间 结合力较小，不能对熔池表面张力进行约束，在多个方向力偶的作用下，熔池 易发生球化倾向。球形熔池的出现使得最终烧结线是由一串微小圆球组成，圆 球的出现对烧结是不利的。球化效应的产生使得烧结线不连续，成形件的内部 孔隙增加，导致成形件密度减小、表面粗糙度增大及尺寸精度降低等。 对于单组分金属粉末，如前面论述的，激光烧结过程中易于出现球化效应。 对于混合金属粉末的激光烧结，如果细小粉末颗粒在粉末中占的比例较高，在 烧结成形过程中粉末熔化量较大，也易于出现球化效应。张剑峰对镍基合金粉 末进行激光烧结研究1 1 4 1 时发现，当细小粉末材料比例超过1 5 时，球化现象 出现，且随着细小粉末数量的增加，球化现象严重。 研究结果 8 , 14 , 2 5 1 表明，球化效应的产生既和成形材料的化学成分、物理性 质有关，也和工艺参数有关。合理选择添加表面活性元素和脱氧剂( 如磷) ，对 粉末进行预热，适当增加激光功率、减小铺粉厚度，可降低液相的粘度和固液 接触角，从而抑制球化效应。 ( 2 ) 翘曲变形 在d m l s 成形过程中，粉末与激光相互作用、吸收激光能量，能量的传 递使粉末粒子的温度迅速升高并熔化，通过物质的扩散及流动，完成粉末的烧 结过程，随后成形件的温度要下降到室温。在这个过程中，由于粉末粒子的多 次转换过程和物质的流动，以及熔化粉末与周围粉末由温度不同而形成的较大 温度梯度，不可避免地会发生收缩，产生热应力【4 ”。而且，由于粉末烧结后 密度变大，体积缩小，导致烧结件表层收缩，以及材料的热胀冷缩特性导致收 缩的先后和收缩量的不同将产生残余应力。热应力与残余应力相互作用的结 果引起成形件的翘曲变形，并且随着成形区面积的增大，翘曲变形呈现增加的 趋势4 5 1 。 烧结过程中产生的变形，使得下一层粉末无法铺放或粉末厚度不均，逐层 烧结不能顺利进行。即使能够勉强进行，成形过程中累积的内应力也将导致烧 结件产生相当大的形状误差或形成较多的裂纹。 减轻翘曲变形可从合理选择烧结材料、优化工艺参数等方面考虑，如：增 加粉末的密度，尽量采用线膨胀系数小的材料；预热金属粉末，可降低激光功 率、提高扫描速度，降低温差和冷却速度。 对于那些薄而长的结构零件，尤其易出现翘曲变形。烧结前对这类零件进 3 1 6 不锈钢金属粉末的选择性激光烧结成形研究 行合理定位可减小翘曲变形，如图1 3 所示，图1 3 ( a ) 的定位容易造成烧结翘 曲，如虚线所示，而图1 3 ( b ) 的定位则可以避免这种情况。 ( a ) 1 5 本文研究的主要内容 基n 图1 3 烧结件定位 ( b ) 在国家自然科学基金委员会一中国工程物理研究院联合基金资助项目( 项 目编号1 0 2 7 6 0 1 7 ) 金属粉末激光烧结球化效应和变形控制技术和南京航空 航天大学科研创新基金资助项目( 项目编号s 0 4 0 3 0 6 1 ) 多能量形式作用下直 接金属粉末烧结