扫描速度对激光快速成型316L不锈钢组织性能的影响

1、稀有金属第26卷第2期2002年3月Vol.26.2CHINESEJOURNALOFRAREMETALSMarch2002扫描速度对激光快速成型316L不锈钢组织性能的影响席明哲张永忠章萍芝(,)摘要:,、性能的影响。在各扫描速度下,。随扫描速度提高,不锈钢薄壁板的定向生长树枝晶组织细化,方向的机械性能(抗拉强度及硬度)降低。关键词:激光快速成型316L不锈钢激光功率中图分类号:TH16TG14611+1文献标识码:A文章编号:0258-7076(2002)02-0093-05金属零件激光快速成型技术集计算机辅助设计、激光熔覆、快速成型于一体,通过激光熔化同轴输送的金属粉末,在基板上逐层熔化堆

2、积而形成致密的金属零件,沉积基板的运动通过实体模型经切片分层处理后形成的二维平面信息来控制。该技术是在无需任何硬质工模具的情况下,根据计算机CAD实体模型,通过逐点、逐层添加材料获得完全致密金属零件的先进技术1,2。目前,对激光快速成型具有实际使用功能的致密金属零件的研究,已引起更为广泛的关注,许多发达国家正大力开发该技术35,并取得了显著成果。本文着重研究激光扫描速度对所成型的不锈钢薄壁板件组织及性能的影响。散失,采用成型时工艺参数在基板上的成型路径上进行预热。实验采用2kW横流CO2激光器,光斑直径为118mm。激光输出功率分别为900W,扫描速度分别为3,5,7mm/s。送粉速率为5g/

3、min。为研究所成型零件的力学性能,采用相同工艺参数制备不锈钢薄壁板件,在如图1所示的薄壁板上用线切割切取平行于基板X方向的片状拉伸试样,化学成分分析沿金属薄壁的X及Y方向。金相观察面为垂直于基板的Y2Z横断面及平行于基板的X2Z1实验材料及方法实验材料为316L不锈钢粉末,化学成分为12%14%Ni,16%18%Cr,2%3%Mo,余量Fe(质量分数),粉末粒度60m。采用45号钢加工成100mm×50mm×10mm的长方形块作为基板。为提高基板对激光束的吸收率,在基板表面涂覆增强激光吸收率涂层。为使要成型的不锈钢薄壁板件最初几层与基板良好结合,保证成型过程中热量均匀收稿

4、日期:2001208205;修订日期:2001210215图1成型不锈钢薄壁板件金相观察及力学性能、成分取样部位示意图Fig.1Schematicofthinwallof316Lstainlesssteelandloca2tionofsamplecut基金项目:国家“973”计划资助项目(G20006720521)作者简介:席明哲(1969-),男,河南人,博士研究生;研究方向:金属零件激光快速成型、等通道弯曲变形(ECAP);联系地址:新街口外大街2号复合材料工程中心26卷稀有金属94截面。在AG250KNE拉伸试验机上进行拉伸试验,加载速率为5mm/s。度降低更为剧烈。分析认为,薄壁板件的

5、壁厚应与激光熔池直径相等,激光在基板上聚焦形成熔池,由于基板的传热,使得熔池的直径要比光斑直径大,这种趋势随激光功率提高和扫描速度降低更加明显。因此,在保证成型薄壁板件的性能要求下,可通过调。图4(a3mm/s条Y。如图,图4(b)为扫描速度5mm/s,不锈钢薄壁板件Y2Z截面的金相组织,与图4(a)中的组织相似,但枝晶细化,枝晶间距减小。图4(c)为扫描速度7mm/s,不锈钢薄壁板件Y2Z截面的金相组织,组织为相互平行的且与基板垂直的枝晶,与图4(a)、(b)中的组织相比,枝晶间距更小。图4(d)为扫描速度7mm/s,不锈钢薄壁板件X2Z截面的金相组织,组织为Y2Z截面枝晶组织的横断面的形貌

6、。在激光功率为900W条件下,不锈钢薄壁板件Y2Z截面的金相组织均由相互平行且与基板垂直的枝晶组成,原因是激光熔池中的液态金属在冷却凝固过程中,热量主要沿着垂直于基板Y的负方向上散失,凝固具有方向性,所以形成与基板垂直的枝晶组织。但随扫描速度升高,枝晶变细。分析认为,扫描速度高,激光与材料交互作用时间短,所形成的激光熔池的温度梯度在垂直于基板Y方向占绝对优势,而在X方向则温度梯度很小,因此在激光熔池冷却过程中,沿Y方向的一次枝晶臂生长很快,沿X方向的二次枝晶臂生长有限,所以形成沿Y方向定向生长的树枝晶。扫描速度低,激光与材料交互作用时间长,所形成的激光熔池的温度梯度虽然在垂直于基板Y方向占较大

7、优势,但在X方向的温度梯度与高速扫描条件下熔池在X方向的温度梯度相比要大,因此在沿Y方向的一次枝晶壁生长的同时,沿X方向的二次枝晶臂有相对多的生长,所以形成的枝晶沿Y方向较短。图5为不锈钢薄壁板件的抗拉强度、延伸率随扫描速度变化曲线。如图5所示,不锈钢薄壁板件的抗拉强度、延伸率随着激光扫描速度的升高而下降。扫描速度越高,薄壁板件的抗拉强度、延伸率下(b)、(c),由降幅度越大。分析原因,参见图4(a)、图可见,随着激光扫描速度的提高,不锈钢薄壁板件的Y2Z截面的与基板垂直的定向生长树枝晶的定向生长特征更加明显,组织变得越来越细,不锈钢薄2实验结果与分析图2是在激光功率为900W,扫描速度3mm

8、/s条件下的不锈钢薄壁板件,薄壁板件的尺寸为高80mm,长80mm,壁厚311mm。从图中可以看出,所成型不锈钢薄壁板件为层层堆砌而成,且形状正确、规整,壁厚均匀,成型零件尺寸与设计尺寸完全相符同时表面光洁,为成型后的原始状态3,。实验发现,350W条件下,所成型不锈钢薄壁板件的壁厚要比激光光斑直径(118mm)大,这种现象随激光功率提高和扫描速图2激光快速成型的薄壁板件Fig.2Photoofthinwallof316Lstainlesssteelfabricatedbylaserdirectforming图3不锈钢薄壁板壁厚随扫描速度变化曲线Fig.3Thicknessofthinwall

9、of316Lstainlesssteelvsscan2ningvelocity2期席明哲等扫描速度对激光快速成型316L不锈钢组织性能的影响95图4不锈钢薄壁板件的金相组织(d)7mm/s扫描速度:(a)3mm/s;(b)5mm/s;(c)、Fig.4Microstructuresofthinwallof316Lstainlesssteel壁板件的这种组织特点,可能使得薄壁板件的机械性能沿垂直于基板的Y方向具有方向性。而拉伸试样的拉伸方向为与基板平行的X方向。图6为不锈钢薄壁板件的维氏硬度随扫描速度变化曲线。如图6所示,不锈钢薄壁板件的维氏硬度随扫描速度升高而降低。分析认为,由于激光快速成型是

10、一个连续的热过程,在成型过程中,激光扫描速度提高,则每一沉积层的厚度降低。据实验记录,在扫描速度7mm/s时,每一沉积层的平均厚度为01279mm,扫描速度3mm/s,每一沉积层的平均厚度为01458mm。因此,成型同样高度的不锈钢薄壁板件,在扫描速度高的条件下,则需要更多的扫描层数,所以不锈钢薄壁板件将受到更多次的反复加热。薄壁板件的硬度随扫描速度提高而降低可能与此有关。图7是激光功率900W,扫描速度7mm/s条件下,所成型的不锈钢薄壁板件X2Y面的化学成分沿X、Y方向的分布,从图中可以看出,所成型的不锈钢薄壁板件的化学成分分布均匀,没有出现成分偏析,同时不锈钢薄壁板件的化学成分与金属粉末

11、的成分一致。26卷稀有金属96图5曲线Fig.5Tensileratevsscanningveloci2tyofthinwallofsteel图6不锈钢薄壁板件的维氏硬度随扫描速度的变化曲线Fig.6Hardnessvsscanningvelocityofthinwallofstainlesssteel图7不锈钢薄壁板件X2Y面的化学成分沿X(a)、Y(b)方向的分布Fig.7CompositiondistributionofthinwallofstainlesssteelalongX,Ydirection3结论11在激光功率900W,扫描速度3,5,7mm/s条参考文献1高瑞平,吴厚政1材料

12、导报,1998,12(4):132LewisGK,MilewskiJO,NemecRB1ProcessProceedingofthe15thInternationalThermalSprayConference,25229May1998,Nice,France,13513KeicherDM,SmugereskyJE.JOM,1997,49(5):514KeicherDM,SmugereskyJE,RomeroJAetal.SPIE,1997,2993:915IrvingR.TheInternationalJournalofPowderMetallurgy,2000,36(4):69件下,不锈钢

13、薄壁板件Y2Z截面的金相组织均为定向生长树枝晶组织,随扫描速度的提高,枝晶组织细化,枝晶间距减小。21不锈钢薄壁板件的沿X方向的抗拉强度、延伸率随扫描速度的提高而降低。31所成型的不锈钢薄壁板件的化学成分分布均匀。2期席明哲等扫描速度对激光快速成型316L不锈钢组织性能的影响97InfluenceofScanningVelocityonMicrostructureandMechanicalProp2ertiesof316LStainlessSteelFabricatedbyLaserRapidPrototypingXiMingzhe,ZhangYongzhong,ZhangPingzhi,Sh

14、iLikaiandChengJing(GeneralResearchInstituteforNonferrousMetals,Beijing100088,China)Abstract:Theinfluenceofthelaserscanningvelocityonpropertiesofthe316Lstainlesssteelthinwallplatebylaserdirectformingwasthattheobtainedmi2crostructureofthethinwallofstainlesssteeliscomdendritesundervariedscanningvelocit

15、y,whenlaserpoweris900W.thetransversemechanicalproperties(thetensilestrengthandhardness)ofdecreasewiththeincreasingbeamscanningrate.,316Lstainlessstell,LaserpowerKeyWords:铌电容器进入批量生产阶段目前全世界有接近10家电容器制造商将从2002年开始批量生产铌(Nb,Niobium)电容器。铌电容器具有与钽(Ta,Tantalum)电容器大体相同的特性,但是价格却可以更低廉并且能够缩小产品体积和减轻质量。还可以实现在钽电容器中未能产品化的680F数千F等大容量产品。近20年来,该产品一直被认为难以实现产品化,直到最近才看到了批量生产的曙光。除了此前已经宣布批量生产的NEC和日立AIC以外,还有多家国内外电容器制造商相继决定批量生产。美国以及欧洲的大型电子零件制造商也将上市此类产品。在从2001年10月6日开始举行的CEATEC上,制造商相继展开了铌电容器。可以预言,由于铌电容器的问世,将使选择电容器标准与过去相比发生很大变化。西部建成软磁生产片式电容出口基地成都恒力磁性材料有限公司“双高一