关于提高激光烧结零件性能的研究(图文)

1、关于提高激光烧结零件性能的研究(图文)论文导读：选择性激光烧结SLS是快速成型技术的一个重要分支，它以可加工材料的广泛、无需支撑等优点在原型制造、模具制造等方面得到了广泛的应用。本文采用选择性激光烧结工艺，烧结金属与粘结剂的混合物制作的绿件;，经过两次烧结熔渗的后序处理，使原型件的强度、密度、外表精度得到了极大的改善，可直接用于模具和电加工的电极。用金相显微镜观察试样熔渗前后的组织，并测其孔隙度。关键词：快速成型,激光烧结,熔渗选择性激光烧结SLS是快速成型技术的一个重要分支，它以可加工材料的广泛、无需支撑等优点在原型制造、模具制造等方面得到了广泛的应用。但是由于受到设备激光功率的限制，烧结材

2、料多采用低熔点的石蜡、环氧聚脂等，直接烧结高熔点的金属材料很难实现。目前国内对烧结金属材料的尝试是以低熔点的材料作为粘结剂，将金属颗粒嵌接到一起，金属颗粒未有真正意义上的烧结。这种烧结件强度低、精度一般，外表相当粗糙，只能作为外观评估的模型。本文采用选择性激光烧结工艺，烧结金属与粘结剂的混合物制作的绿件;，经过两次烧结熔渗的后序处理，使原型件的强度、密度、外表精度得到了极大的改善，可直接用于模具和电加工的电极。1 实验方法1.1 原料试验采用200目的复原铁粉，用环氧聚酯和少量的固化剂对其进行包衣处理，以不同的体积比混合，配比方表1。熔渗材料为300目的铜粉，在100吨压机上压制成与试样同直径

3、的压坯，压坯重量由试样所需的最终密度决定本试验最终理论密度为8.7g/cm 3 。表1试样组分比 组分 试样 复原铁粉 环氧聚酯 固化剂 V/V 1# 45% 45% 10% 2# 56% 33% 11% 3# 59% 35% 6% 4# 67% 16% 17% 5# 80% 14% 6% 1.2 设备用RAP-1型SLS快速激光烧结机床烧结绿件;。金属熔渗采用两种装置，一是真空熔渗装置，如图1示，铜粉压坯与绿件;叠放在一起，放置于不锈钢容器内，密封后抽真空，真空度为10 -2 毫米汞柱。从室温开始升温，至300保温2 h，将粘结剂烧尽。然后继续升温到930，保温2 h，最后随炉冷却到室温。二

4、是粉末冶金生产常用的推进式烧结炉，保护气氛分解氨。1.3 物理性能测试和金相分析试样尺寸20mmx10mm，测量烧结后的密度和尺寸收缩率。用金相显微镜观察试样熔渗前后的组织，并测其孔隙度。2 实验结果与分析2.1 真空熔渗装置的试验结果与分析绿件;在真空熔渗装置中处理的试验结果说明，该方法熔渗效果很不理想。因为在真空熔渗过程中有相当一局部金属挥发掉了，致使烧结件的密度达不到要求。尽管真空烧结有着种种优点，如降低烧结温度，改善液相烧结的浸润性等，但真空下的液相烧结，粘接金属的挥发损失是一个重要的问题，不仅改变和影响合金的最终成分和组织，而且对烧结过程本身也起阻碍作用。粘结金属在液态时的挥发速度不

5、仅与蒸汽压和真空度有关，而且还与保温时间有关，是一个相当复杂的工艺问题，有待于今后作进一步的试验研究。2.2激光烧结件后处理结果与分析激光烧结所得到 绿件;的第一次烧结在常用的温控炉中进行，于800下保温1 h，使原型件中的环氧聚酯完全挥发。这一过程中金属颗粒未有真正意义上的烧结。且由于无气氛保护，金属颗粒全部氧化，试样呈褐色，称为褐件;。褐件;中存在的氧化物对后续的金属熔渗工艺会有较大的影响。因为这种氧化物与烧结气氛中的其它成分相互反响生成的气体会向孔隙外扩散，从而影响熔渗剂的渗入，使熔渗进行得不彻底。为保证后续金属熔渗工艺的顺利进行，必需经过第二次烧结去除褐件;中的氧化杂质。第二次烧结在粉

6、末冶金常用的推进式烧结炉中进行，烧结温度1080，保护气氛分解氨，保温时间2 h。图2为4#试样三次烧结后的金相组织(未浸蚀)，孔隙呈连通网状;，该结构有利于熔渗过程的进行。熔渗剂压坯与试样叠放在一起，送入推进式烧结炉，烧结温度1100，保护气氛分解氨，保温时间2 h。图3为试样熔渗后的金相组织(未浸蚀)。从图中可以看出，试样经熔渗处理，孔隙数量大大减少，仅存的孔隙为封闭孔，孔隙度5.2%。图24#试样三次烧结后的金相组织(未浸蚀) 75x 图34#试样熔渗后的金相组织(未浸蚀) 75x1.3 粘结剂含量对试样收缩率的影响表2为四种成分的试样经过后序两次烧结、熔渗的尺寸变化以及熔渗后的密度。从

7、表中可以看出，当混合粉末中环氧聚酯与复原铁粉的体积比高于1：5时，能够得到较好的烧结效果。5#试样中环氧聚酯含量过低，铁颗粒之间缺乏粘结剂，试样烧结强度低，在运输过程中容易碎裂。相反，1#试样中环氧聚酯含量过高，原型件中的铁粉颗粒完全被环氧聚酯包围，铁粉颗粒在粉末材料中形成孤岛，相互之间不发生接触。经过第一次烧结，原型件中的环氧聚酯挥发殆尽，铁粉颗粒相互之间由于不发生接触，很难发生晶体结合，致使原型件坍塌，无法形成褐件;。所以，实际加工中，环氧聚酯与复原铁粉的体积比应在1：5到1：1之间。表2 各组分试样经后后序两次烧结、熔渗的尺寸变化及最终密度 工艺 试样 第一次烧结 第二次烧结 熔渗铜 收

8、缩率% 密度g/cm3 1# 2# 2.7 8.5 -1.4 8.10 3# 2.1 7.6 -1.2 8.26 4# 1.8 5.7 -1.0 8.38 5# 从表中可以看出，当混合粉末中环氧聚酯与复原铁粉的体积比高于1：5时，能够得到较好的烧结效果。5#试样中环氧聚酯含量过低，铁颗粒之间缺乏粘结剂，试样烧结强度低，在运输过程中容易碎裂。相反，1#试样中环氧聚酯含量过高，原型件中的铁粉颗粒完全被环氧聚酯包围，铁粉颗粒在粉末材料中形成孤岛，相互之间不发生接触。经过第一次烧结，原型件中的环氧聚酯挥发殆尽，铁粉颗粒相互之间由于不发生接触，很难发生晶体结合，致使原型件坍塌，无法形成褐件;。所以，实际

9、加工中，环氧聚酯与复原铁粉的体积比应在1：5到1：1之间。从表中还可以看出，当环氧聚酯与复原铁粉的体积较高时，原型件经过第一次、二次烧结，收缩率大，如果混粉不均匀的话，各个方向上的收缩率不同，易造成试样变形；同时，这种原型件经过第一次、二次烧结，内部易形成大而不均匀的孔洞，难以在熔渗后得到致密的零件。本试验的铁粉颗粒经过了包衣处理，烧结过程中收缩均匀，混粉比例与烧结收缩率之间存在一定的规律。所以，实际加工中为确保零件的尺寸精度，可以通过计算机处理模型时对其进行缩放来补偿。3 应用通过SLS得到的绿件;内部含有大量的环氧聚酯，导电性能，强度、硬度均较差，无法作为EDM ElectroDischa

10、rge Machining电极使用。但经过后序的两次烧结熔渗处理后得到较为致密的铁铜二元金属零件，这种成分中铜占很大的比例达65%。而铜正是放电加工的主要材料，因此这种零件可作为EDM电极的主体，再附上必需的夹持机构后，可进行放电加工。图4 不同组分的电极损耗图4显示了不同组分的2#、3#、4#电极原型对电极损耗的影响。试验的放电加工参数：峰值电流密度为10A/cm 2 ；脉冲宽度为250s。从图4可以看出，4#电极的损耗要明显小于2#和3#电极。随着脉冲间隔的增大，2#电极损耗先减后增，3#电极的损耗先呈增大的趋势，200s后根本保持不变，而4#电极那么一直根本保持不变。这是因为2#和3#电

11、极的密度大于4#电极的缘故。电极中不规那么孔洞的存在，使得在放电过程中不能均匀放电，在孔洞局部，由于暴露出铁基材料，使此处的放电实质上是钢打钢;，蚀除速度与其它局部不一致，造成电极外表破损，从而使得电极损耗增大。试验结果说明，如果放电加工工艺参数选择适当的话，电极的体积损耗可达4%，接近纯铜电极的2%。4 结论1 真空熔渗时，粘接金属的挥发损失使得熔渗效果很不理想。2 在普通烧结炉中通过两次烧结熔渗后处理，即获得了高强度、致密的零件。3 金属粉末与环氧聚脂粘结剂应采用适当的比例混合，并且须经过包衣处理。实际加工中，环氧聚酯与复原铁粉的体积比应在1：5到1：1之间。4 经过两次烧结熔渗处理后得到较为致密的铁铜二元金属零件，其中铜占很大的比例达65%，可直接作为EDM电极的主体