选取激光熔覆形成的高致密度沃斯帕罗伊合金.doc

选区激光熔覆形成的高致密度沃斯帕罗伊合金的研究 摘要：在这项研究中，用选取激光熔覆技术做出高密度沃斯帕罗伊合金的样品，将沃斯帕罗伊合金粉末应用于SLM技术用的是高功率脉冲Nd：YAG激光器。激光器的参数脉冲能量、脉冲宽度、频率、和扫描速度都是变化的。最优化的工艺参数是通过分析测试工艺参数和成型的沃斯帕罗伊合金样品的关系得到的。最优化的工艺参数可以使沃斯帕罗伊合金的致密度达到99.7%。实验结果将会测出激光扫描缝的高度、宽度和接触角。同时，我们将会测试出试样多孔性，并观察试样的微光组织结构。 关键词：选区激光熔覆 激光熔化 实体自由成形制造 直接成型 沃斯帕罗伊合金1. 引言为了满足对缩短生产周期的要求，迫切需要一种不用高硬度的工具作业就能快速成型出高硬度复杂金属零件的生产工艺。现在有一种生产工艺能满足实体自由成形制造（SFF）的要求，它是一种涉及到逐步初始化成型和材料合成（例如粉末、金属丝等）的可能性，从复杂的CAD模型直接成型出高密度零件。SFF工艺为减少产品的初始化概念设计到实体成型的时间提供了极大的可能性。激光SFF工艺用集中的激光束产生的能量来部分或完全熔化堆积的材料。研究表明由激光SFF技术成型的金属材料的零件的微观结构和机械性能等价甚至优于普通工艺成型的零件。Xue et al. 用一台Nd：YAG激光器完全熔化625铬镍铁合金和316L不锈钢合金粉末，实验产生完全致密的铬镍铁合金零件拥有比铸造和锻造相同材料具有更高的屈服强度和最终应力强度。316L不锈钢合金零件与铸造和锻造零件相比具有更高的屈服强度，同时最终强度和伸长率也旗鼓相当。Zhang et al. 用激光工艺技术熔化了663铜合金和316L不锈钢粉末，成型的零件完全致密，据报道其机械性能优于通常的生产工艺产生的零件。已经有几种激光SFF工艺得到发展并成功应用与商业。这几种工艺包括激光工程网格成型（LENS）、直接激光成型（DLF）、直接金属激光烧结(DMLS)和选区激光熔覆(SLM)。这些工艺都是由高功率激光束产生的热来熔化材料粉末层或注射的材料。LENS技术和DLF技术将熔化的粉末喷射到激光束内，粉末沉积技术对金属成分的合金来说是比较理想的。然而，粉末沉积技术总是需要固体母材，并且成型过程中由于粉末的飞溅常常造成材料的大量浪费。这种工艺也增加了粉末流动率的复杂程度，制造过程中必须始终保持精确的流动率来确保准确的沉积层的厚度。SMLS技术和SLM技术熔化预先铺好的粉末层。为成型材料提供支持结构，没有熔化的粉末可以精确控制粉末程的厚度。然而在一些情况下，表面的支撑结构是必要的。SMLS技术和SLM技术可以循环重复利用没有熔化的粉末。SLM技术的主要研究工作是工艺，研究表明SLM技术已经拥有可行性权来生产功能金属材料，包括钛合金骨头移植。SLM技术用的Nd：YAG激光器比激光器的波长要短。由于短的波长增加了材料对激光能量的吸收率，这使这项工艺得到更高的熔化温度，使反射更加容易。SLM技术的研究已经集中到了像铝、铬、镍、铜、铁、工具钢和钛等金属材料。不管是SLM技术，还是SFF技术，目前还没有研究表明由超级沃斯帕罗伊合金粉末合成完全致密的零件。现在航天飞行器和推进系统需要一些能在高温下工作的材料，沃斯帕罗伊合金已经通过铸造和锻造工艺制造出高强度，耐高温零件。将SLM技术用于沃斯帕罗伊合金粉末给学者由很复杂的几何模型通过简单的几步工艺直接制造出高密度功能材料提供了可能性。这种工艺有生产出微观结构性能优于普通工艺金属零件的潜能。这些优势激励各位学者更加热情的探索SLM技术在金属材料上的应用。由于成型零件的多孔性使采用金属粉末通过SLM技术合成高致密度零件具有一定的困难。合成材料过程中会受到球化现象、蒸发和层与层之间的湿度的影响。维持两件精确度的另外一个因素是当用高功率的激光器时会产生更加复杂的问题。为了降低每个步骤中的因素对成型零件性能的影响需要更多的实验数据。所以将激光技术应用于商业在今天仍然受到限制。本研究将应用SLM技术合成沃斯帕罗伊合金。因素分析将用来确定工艺参数，并确定这些因素是怎么影响合成零件性能的。研究还将明确材料的完整结合，并制定一套最优的工艺参数来合成高致密的的沃斯帕罗伊合金样品。最后将测试合成样品的多孔性和微观组织。2. 实验原理2.1. 设备此次实验用的是500W的Nd：YAG脉冲激光器（GSI Lumonics JK701H），激光的波长是1.06m，激光束直径的0.8mm。这套设备的工作系统如图1。粉末层将由漏斗朝一个方向铺在一块43mm*30mm*4mm的钢材基体上。每块基材被固定在工作台上，并且有四个轴控制。其中工作台的z轴是可以下降的，允许进一步的铺层。Nd：YAG激光器通过光纤维分离系统产生脉冲激光束，然后通过激光喷嘴射到粉末层上。激光器产生的热量又来熔化粉末层的区域，这个粉末层相当于在那层粉末的零件的断面。这一熔化的过程将被重复进行，直到要成型的零件完全制造出来。Ar气将以15ml/s的速度通过激光喷嘴喷到熔化的区域来保护零件，避免氧化的影响。2.2. 粉末性能沃斯帕罗伊合金是一种镍基合金，具有具有超高硬度的超级合金，它具有极高的热硬性，很好的抗腐蚀性和抗氧化性。沃斯帕罗伊合金被用于航空和气体涡轮机的引擎部件。目前沃斯帕罗伊合金已经应用于压缩机、旋转磁盘、轴承，垫片、环形和包装、紧固件和其他各种引擎硬件，机构组装和发射系统。据研究沃斯帕罗伊合金粉末的平均尺寸是63m。沃斯帕罗伊合金的化学成分见表格1。2.3. 最佳激光工艺参数工艺参数包括脉冲宽度、脉冲能量、频率和扫描速度都会影响SLM技术成型零件的性能。为制定出最优的激光工艺参数以合成高致密度的沃斯帕罗伊合金零件，将需要一系列的步骤。多层零件是由多个单层粉末堆积起来的，因此在多层零件成型之前完全理解解决单层成型中的任何问题是十分重要的。初始沃斯帕罗伊合金滴的产生是为了获得一个对激光材料相互作用和成型零件的定量理解。材料的粘合区域将完全集中到被建立的基材上面。我们用数据分析结果解读软件来为测试设备和初始结果分析进行影响因素的分析。数据分析结果解读软件为实验结果产生一系列的分析信息，结果表明工艺参数对单个沃斯帕罗伊合金层有很大的影响。这样就得到了一个精确的结果和最优化的脉冲宽度、频率和扫描速度的值。然后用最优化的工艺参数合成多层的沃斯帕罗伊合金，调整激光脉冲能量并测试对多孔性的影响。 2.3.1. 单层扫描最优化参数的确定单层扫描粉末层的厚度是0.9mm，扫描轨迹的长度是25mm，其他工艺参数的变化见表格2。材料完全熔化，但没有合成和蒸发的扫描区域进行初步的研究。我们将材料扫描宽度、高度和接触角等因素的变化的影响。扫描的重叠部分见图2,其重叠率在60%到85%之间变化，重叠率的影响也是我们的研究范围。研究考虑到了进一步的发展，并确定脉冲宽度、频率和扫描速度等最佳的工艺参数。 2.3.2. 过程最佳工艺参数的确定在合成多层样品过程中，进步的的实验将用来确定脉冲能量的影响。优化的脉冲宽度、频率和扫描速度等工艺参数已经确定，进一步的实验将用6J到10J变化的脉冲能量，其粉末层的厚度是0.4mm。最后合成长25mm，宽5mm，三层0.4mm厚的样品。一种用SLM技术通过再扫描工艺方法来合成高致密度钢铁零件的工艺方法将用于合成实验中的多层样品。重新扫描的方式见图3。1a、2a、3a、4a、5a和6a是首次扫描，相邻两次的扫描距离是1mm。再次扫描的厚度与首次相同，直接扫描在第一次之上，其扫描方式是图3中的1b、2b、3b、4b、5b和6b。由于对粉末充分的应用，这种方法可以避免不必要的变形对样品性能的影响。同时，由于粉末密度的压缩，有效的降低了材料的多孔性。脉冲能量对样品多孔率的影响将通过优化分析得到其最佳工艺参数2.4. 合成高致密度沃斯帕罗伊合金样品实验中将合成10mm*10mm的又8层0.4mm厚度的样品。合成样品的方法是多次扫描和平行教材扫描。交叉的扫描线是相互垂直的，扫描方式和样品尺寸见图4。平行交叉扫描将在每一层通过打破任何主要的或重复的热建来清除任何周期波动结构。研究表明，一旦气孔形成，它将会扩展到下一层，形成相互连接的孔。因此，平行交叉扫描方式可以避免形成这样相互连接的孔隙。最后通过观察样品的横截面来研究其多孔性和微观组织结构。2.5. 测试步骤 2.5.1. 制定测量几何所有的样品都是用切断钢研磨料来截断。在图5中展示了用UTHSCA 图像工具3.0版来测量其高度、宽度和接触角。 2.5.2. 扫描电镜为了优化扫描电镜分析，标准的金相学技术将应用于样品的准备阶段。液体将用来蚀刻样品的微光组织。3. 结果和讨论3.1.最优化工艺参数 3.1.1. 单熔缝扫描测试 由图6可以知道，每道熔缝的宽度和高度是随着表格2工艺参数的变化而变化的。图6中的a图说明随着频率从5Hz增长到15Hz，熔缝的宽度和高度也是增加的。这说明由于表面张力的集中，频率直接影响熔化槽的尺寸。随着频率的增加，能量分散到旁边的也增加了，因此更多的粉末熔化了 ，这就是熔缝的宽度和高度增加了。图6中b图展示的是随扫描速度有150mm/min增加到250mm/min，而熔缝的宽度和高度是减少的。其原因是随着速度的增加，单位长度内吸收到的能量减少，致使粉末的熔化量减少。图6c中展示的是较高的脉冲宽度或脉冲持续是更多材料进入到熔化槽，因此其熔缝的宽度和高度也增加。这是由于激光照射时间的延长，会产生更多的热量通过材料传递来熔化粉末。在图6d中，脉冲能量有5J增加到15J，使热量密度增加，从而增加了熔缝的宽度和高度。但是，随着热量密度的增加，如果能量太高，可能使熔滴蒸发。随着更多的能量被熔池吸收，熔化的粉末会更多，从而使熔缝变平。由图7a中可以看出，改变脉冲频率对熔缝接触角的的影响不大。图7b中可以看出，随扫描速度的增加，增加了表面张力而增加了接触角，从而产生较小的平熔缝。图7c中表明，增加脉冲宽度减小了接触角，脉冲宽度的增加减小了能量的峰值，因而产生热强度。这样可能产生更多的孔隙，同时减小了熔缝的宽度和高度，从而减小了接触角。图7d说明脉冲能量对接触角也有一个实质性的影响。增加脉冲能量能促进粉末熔化，熔化的部分可以获得足够的能量石熔滴向外扩张，这样就增加了接触角，并改善了材料的湿润性。SLM技术是材料分层堆积技术，低的湿润度有害，产生像孔隙和分层等缺陷。SLM技术中会出现的另外一个有害的现象就是球化现象。当由于表面张力熔化的粉末没有被湿润底层是就会产生球化现象，这就会产生粗糙的，球状表面，妨碍材料层的沉积，并降低材料的致密度。在频率为10Hz的条件下，有变化的扫描速度来合成重叠率为60%-85%的试样，其变化的重叠率与熔缝的宽度、高度和接触角之间的关系见图8。图8a中展示的是随着重叠率的增加，熔缝的宽度和高度的变化。在重叠率为60%-85%的情况下，熔缝的宽度没有什么明显的变化。但是当其重叠率为70%85%时，熔缝的高度有一个最高的峰值，最低时候的重叠率是65%，最高时候的重叠率是75%。熔缝的宽度和高度的变化趋势有点相同，图8b中说明的是接触角非常稳定，但是当重叠率到达70%80%时，接触角增加。其变化趋势与上图中熔缝宽度的变化趋势是相反的，当熔缝高度增加，接触角减小：而熔缝高度减小，接触角增加。当重叠率为65%时，其接触角最大，这时候的扫描速度是168mm/min。较高的接触角可以改善熔滴的湿润度。蒸发、充满度和部分熔化对熔缝横截面的影响如图9。图9a中激光功率太高产生太多的热量使沃斯帕罗伊合金粉末和部分的钢母材蒸发，在这个情况下快速移动蒸发的合金粉末向外扩张，并对熔化的熔池产生反作用。这种情况下，反作用足够大，可以使熔滴离开母材，激光直接照到母材上，只形成一点后没有试样。图9b中展示了在母材上产生了湿润角很好的高致密度沃斯帕罗伊合金试样。图9c中是熔化的沃斯帕罗伊合金与母材的接触角很低，由于没有足够的能量，合成的合金也不充分。通过单缝扫描实验得到操作窗口，并在图10中划分开来。图10中表明低的脉冲宽度下，相比较高的脉冲宽度，由于较低的能量，使材料更容易受蒸发的影响。这是因为在低的脉冲宽度下，其能量密度更高。在较低的脉冲宽度下，材料的蒸发似乎更加容易发生，一次需要较少的能量集中到合金粉末上。随着脉冲宽度的增加，完全合成沃斯帕罗伊合金所需要的能量也增加。当能量密度低于5J/mm，由于能量输出不足，将会合成不合格的试样。结果表明，产生的热量和热量密度都对沃斯帕罗伊合金粉末的合成物有很大的影响。通过对单缝扫描的研究，我们确定了最佳的工艺参数。实验结果表明产生最高的接触角和致密度较高的试样的最佳工艺参数是脉冲宽度是5ms，频率是10Hz，扫描速度是168mm/min。在随后是实验中，用先前的最佳工艺参数合成多层的沃斯帕罗伊合金试样。然而，变化的脉冲能量的影响将会在3.1.2部分进行进一步的研究。 3.1.2. 对多层沃斯帕罗伊合金的研究图11中展示了在脉冲宽度为5ms，频率为10Hz，扫描速度为168mm/min的条件下，脉冲能量在6J9J之间变化时，试样的多孔性特征。由于低的脉冲能量不能产生足够的热能熔化粉末，增加脉冲能量可以降低材料的孔率。增加脉冲能量可以获得一个很高的温度，所以这样可以改善层层之间的连接。脉冲能量为9J时，试样的平均孔径率只有0.7%。为了熔化上一层，而不熔化当前层，扫描激光需要产生足够的能量。脉冲能量为10J时，最高功率是2kW,从蒸发的材料中产生了等离子体羽用来保护Nd:YAG激光器的玻璃透镜。在不同的脉冲能量下产生的试样横截面见图12。黑色部分或黑点就是试样结构的孔洞，气孔分布没有规律，主要分布在熔缝之间连接的地方。实验结果可以看出，当脉冲能量增加到9J，由于试样每层曾加了熔化，而使试样的孔径率降低。按照单层的最优化参数，沃斯帕罗伊合金层研究的工艺参数如表格3。3.2. 高致密度沃斯帕罗伊合金试样的研究图13a中显示的是用表格3中的最优化工艺参数合成的高致密度沃斯帕罗伊合金试样，这个10mm*10mm的试样是高度接近2.5mm，有8层0.4mm厚的单层组成，从样品的几何精度和适当的收缩因素可知，所产生的零件，XY轴的精度为0.2mm，Z轴的精度是0.3mm。3.2.1. 合金致密度的研究图13b是在扫描电镜下放大的试样的横截面图片，通过图像工具分析仪的观察结果可知试样有一个很低的孔径率，只有0.3%（也就是说试样的致密度达到了99.7%）。这是个很小的孔径率，可能是由于球化现象和空气留在了熔滴内造成的。由于材料熔池熔化的速度，使试样外边的表面并不完全是平的，而是中间低，两边高。材料能否达到一个很高的温度取决于扫描宽度和重叠率。初始扫描的粉末层与随后的粉末层融合下一起，提高温度可以保持较长的熔缝。不连续的材料将在随后的扫描中产生不均匀的表面，用重新扫描和垂直交叉扫描的方式可以解决这个问题。而然这种合成工艺要联合再次扫描和进一步优化的工艺参数才可以解决几何形状的不均匀性。实验中，最优的工艺参数和低脉冲能量的合成试样进行对比。脉冲能量、重复频率、和扫描速度分别被保持在5ms、10Hz和168ms/min，脉冲能量工艺参数在9J和8J之间变化。图14a中展示的是在9J的脉冲能量的条件下，得到了孔径率为0.3%的试样。图14b展示的是在8J的脉冲能量的条件下，得到了孔径率为3.4%的试样，大概是9J脉冲能量条件下的10倍。图15说明在低的脉冲能量的工艺参数下，得到了较大误差的尺寸、孔径率和裂纹，这由于能量不够熔化层没有充分链接的结果。3.2.2. 微观结构的研究用最优化的工艺参数合成试样，并检测其微观结构的特点，结果在图16a中展示出来。微观结构的主要缺陷（孔径、裂纹等）将被忽略，如果SLM技术过程中污染物很少，这些缺陷是很少的。图16b展示了试样表面的突起包含的小的粗糙的各项等大的突起作为主要的突起。初始的突起的从成型颗粒的核心产生了一系列的分支二产生的，这些突起的分支的尺寸和材料晶粒尺寸是等大的。这些突起的小尺寸表明激光工艺之后材料冷却的非常快，这种材料顶部结构的快速冷却现象是由于没有额外的激光能量而缺少随后的再热造成的。在图16b中的晶枝作为清除缺陷和遗留的无应变晶粒的reaction fronts，在一区域的晶枝与其他晶粒有非常高的角度。高角度晶枝和许多自由体积有一个开放的结构，这可能在晶界和晶枝之间产生缺陷和很大的应变。立方的突起是超级镍基合金的特点，就像立方的沉淀物，超级镍基合金是面心立方结构的基质。这些基质增加了强度，促进了镍与钛和铝的反应。合适的情况下，这些相也能出现像碳一样的形态，