金属粉末激光选区烧结过程的特征探讨 - 文章

金属粉末激光选区烧结过程的特征探讨

作者：张剑峰沈以赴赵剑峰黄因慧余承业

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摘要：本文在分析和实验的基础上，系统地阐述了大功率激光直接烧结金属粉末成形金属件的一些基本特征。这主要包括在激光烧结成形过程中的熔池球化特征、熔体流动特征，动态凝固组织特征，进一步探讨烧结过程的基本规律，为金属粉末的直接激光烧结成形提供了依据。
关键词：激光选区烧结，金属粉末，过程，特征

自从快速成形技术诞生以来，金属零件的快速制造就成为一个令人瞩目的研究方向[1~3]。其中选区激光烧结（Selective Laser Sintering，简称SLS）技术因可进行金属零件的快速制造而倍受关注。到目前为止，人们的研究主要集中在高低熔点二种金属粉末混合或在金属粉末中混合某种粘结剂，用较小的激光功率烧结成形金属零件[4~5]，而对用大功率激光直接烧结金属粉末成形金属件研究较少。本文是在以前研究工作的基础上[6~7 ]，从分析烧结现象入手，弄清金属粉末激光直接烧结过程的基本特征，进一步探讨烧结过程的基本规律，使人们对采用大功率激光直接烧结金属粉末成形金属件有一个比较完整而清晰的认识。

1 SLS的基本原理

SLS的基本原理如图1所示，其工艺过程是通过分层切片软件将CAD模型进行分割，形成若干个簿层平面。烧结成形时，首先用铺粉装置进行铺粉，然后激光根据层面的几何形状有选择地对材料进行扫描，使粉末熔化，并粘结在下层材料上，而未被激光扫描烧结的粉末则作为零件的支撑体。在完成一层烧结后，工作台下降一个切片厚度，重新铺粉、烧结，重复这样的过程，直到烧结出整个零件。

2 成形过程特征探讨

2.1熔池球化特征

金属粉末熔化后形成的熔池形状取决于三种不同物质的气、液、固三相接触的情况，也可以说取决于接触物质之间的界面张力。在三相交点上的液体质点，设其受气体质点的作用力为f1；受液体质点的作用力为f2；受固体质点的作用力为f3。f1、f2、f3分别指向气、液、固三相的内部，如图2所示。f1、f2、f3合力的大小、方向取决于熔池所处的位置。在粉末上的熔池，由于粉末是松散的，颗粒之间存在间隙，它们的结合力较小，使得f1、f2、f3总的合力F指向液体内部，如图2(a) 所示，液面与固－液体界面的夹角为钝角，此时，界面张力将使液面缩为球状，熔池形状是球形。在这种条件下进行烧结成形，由于熔池在多个方向流动力偶的作用下，粘接周围的粉末,并形成一个球形熔池。随着激光移向下一个熔区，使得已粘接周围粉末的熔池冷却和凝固加快。如果激光作用下的下一熔区没有足够的粉末材料（因这里的粉末已被前一熔区粘接走），则不能形成新的熔池。只有移动到一定距离以后，才有足够的粉末材料被熔化，形成一个新的熔池，这样重复形成一个个新的球体。因此烧结线是由一串圆球组成。在基体部分的熔池，由于固体质点的作用力f3较大，使得f1、f2、f3总的合力Fϖ指向固体，如图2(b) 所示，液面与固－液体界面的夹角为锐角，界面张力将使液面沿着固体表面张开，熔池的形状在垂直扫描方向上是以扇形形状出现，而在沿着扫描方向上熔池是连续的，难以形成单个球体。整个熔池形状是由基体熔化深度所决定的，基体熔化深度越大，熔池的椭圆度越大，越有利于烧结成形。

2.2 熔体流动特征

在激光烧结成形过程中，作用在金属熔池内的流体单元上的力主要是体积力和表面力。其体积力主要是熔池内的温度差(∆Τ)和浓度差(∆C)所引起的浮力，而表面力主要是熔池表面的温度差(∆Τ)和浓度差(∆C )所引起的表面张力差，由于烧结成形采用的小光斑（d=1mm），熔池中的表面张力占主要作用，在这种情况下，可忽略体积力的作用。

表面张力受熔池表面的温度变化及溶质浓度变化的影响[8]。

式中：σ0是一个与温度和浓度无关的常数，它是纯金属在熔点时的表面张力值。显然，当激光作用下的熔池表面存在温度梯度或溶质浓度时，势必产生一个表面张力梯度∂σ/∆r，由此引起熔体的对流驱动力Fσ。表面张力驱动力为：

式中：(∂σ/∂T)*∆T为温度梯度引起表面张力差；(∂σ/∂c)*∆T为浓度梯度引起表面张力差；δ(z)为δ-函数；H(d−r)为Heaviside函数。δ-函数和Heaviside函数表明熔体对流驱动力仅存在于熔池表面，它是一个表面力。

在激光束的作用下，靠近能束光斑中心附近，其熔体的表面温度最高，而偏离中心区域越远，其表面温度越低。相应地，对于金属熔体，其表面张力场的分布规律为熔池中心表面附近的表面张力值最低，而熔池边缘附近的表面张力值最高。这样在熔池中就产生了强制对流的机制。在垂直扫描方向的平面内，会产生一定方向流动的多个力偶，如图4所示。根据已有研究成果[8]，表面熔体流速可达8.2m/s。高速流动的熔体不仅加快了金属的传热和传质，而且能将周围的粉末粘接进来。新的粉末进入熔池，使得熔池的不同部分温差加大，熔体流动加快。粉层越厚，粘接粉末越多，成形尺寸不易控制。在沿着扫描方向上，随着激光向前运动，熔池后沿的凝固区有一部分金属来自前方熔化区的回流，回流量的多少主要取决于熔池光斑中心表面的最高加热温度，熔池光斑中心表面温度越高，熔池表面张力梯度越大，熔体的回流量越多。回流量的多少决定了烧结成形结果，其典型的成形结果可能成为：①一串圆球；②粗细不一的烧结线；③光滑的烧结线。作者经过大量的实验表面，只有在适当的工艺条件下，如采用较小的粉层厚度和较大的激光功率，加大光斑中心和熔池后沿的凝固区的温度差，增加了熔池前方熔体的回流量，可以烧结成形光滑的直线。

2.3 凝固组织的形貌特征

凝固组织的形貌既和整个熔池所在的位置有关，又和熔池内部的位置有关。当熔池有一定的深度在基体上时，整个基体可以作为它的传热体，这样对烧结体的组织形貌是会产生较大的影响。对于每道烧结线而言，熔化区可分为熔化过渡区和熔化区。熔化过渡区是指熔池和基体的交界处，在这区域内晶粒处于部分熔化状态，存在大量的晶粒残骸和微熔晶粒，它并不是一条线构成，而是一个区域，即半熔化区。半熔化区的晶粒残骸和微熔晶粒都有可能作为在凝固开始时的新晶粒形核核心[9]，其形核主要机制为微熔晶核作为异质外延。这个区域由于熔体对流对该区域的作用极弱，晶体的生长取向受熔体对流的干扰作用较弱，形成的枝晶取向沿着固—液界面的法向方向，如图5所示。

图5 熔化过渡区的结晶特征图6熔化区的结晶特征

由于使用的激光功率较高，能够完全熔化熔池中的粉末，熔化区主要为均质形核，形成等轴晶，受到熔体对流的作用较强，枝晶的取向受熔体流动影响较大，其晶体的取向比较紊乱，如图6所示。因此，整个烧结体的显微结构存在组织不均匀性，主要表现在层与层之间的成形界面上方（即沿堆积面的法向）其显微组织主要是枝晶形状，且枝晶方向沿着层面的法向方向，这也表明基体的联生生长；而在其它地方其组织形态主要是等轴晶，这样每层均有枝晶和等轴晶二种组织形态组成，其中等轴晶所占的体积分数远大于枝晶部分。整个烧结体是这样的一层一层叠加而成的，且在沿着堆积方向上二种组织结构交替重复出现。当熔池在粉末上，由于粉末颗粒之间存在着孔隙，金属层粉末的导热系数受气孔率的影响，其表达式为：

式中：λt—金属粉末的导热系数；φA=1-φ；φ—金属粉末的体积百分比；φA为空气的体积百分比；λA—空气导热系数。

从式（4）可知，金属粉末的导热系数仅与周围空气的导热系数成正比，而没有金属粉末的导热系数项。这说明金属粉末的导热系数是相当低的。在这种情况下基体不能作为传热体，熔池传热条件的变化影响着凝固组织的形貌，烧结线不存在与基体联生生长的枝晶；组织形态主要是等轴晶。

由于快速制造的零件是依靠一层一层叠加而成的，上下层之间必须牢固粘结，因此二种组织结构交替重复所占的体积是主要的，只有在零件的凸台等起始部分才会出现单个组织形态。

3 结论

（1）熔池球化和熔体流动对烧结成形都会产生影响。只要适当加大激光功率，基体熔化达到一定深度，就可以避免球化作用力对烧结成形不利的影响，同时也增加了熔池中熔体的回流量，有利于烧结成形光滑直线；

（2）烧结体的组织主要是以以枝晶和等轴晶二种组织形态交替叠加而成，形成整个制件的组织周期性重复出现。

参考文献
[1] Abdolreza Simchi, Frank Petzoldt and Haiko Pohl. Direct metal laser sintering: Material considerations and mechanisms of particle bonding[J]. The International Journal of Powder Metallurgy. 2001,37(2): 49~61
[2] Mukesh Agarwala, David Bourell, Joseph Beaman, Harris Marcus and Joel Barlow. Direct selective laser sintering of metals[J], Rapid Prototyping Journal. 1995,1(1): 26~36。
[3] Ping Shen, Jiandong Hu, Zuoxing Guo and Qingfeng Guan. A Study on Laser Sintering of Fe-Cu Powder Compacts[J]. Metallurgical and Materials Transactions A. 1999, 30(8): 2229~2235.
[4] Kamatchi Subramanian, Neal Vail, Joel Barlow and Harris Marcus. Selective laser sintering of alumina with polymer binders[J]. Rapid Prototyping Journal. 1995,1(2):24~35.
[5] 张建华, 赵剑峰, 余承业。模具模腔的一种快速制造方法 [J]。机械科学与技术,2001,3:419~420.
[6] 张剑峰, 沈以赴, 赵剑峰, 黄因慧，余承业。Ni基金属粉末激光快速制造的研究[J],航空学报,2002,23(3):221~226 .
[7] Zhang Jianfeng, Huang Yinhui，Shen Yifu, Zhao Jianfeng, Yu Chengye。Study on Selective Laser Sintering of Metallic Powders[J], Transaction of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2002,19(1):77~83
[8] 刘江龙，激光作用下合金熔池内的熔体流动[J].重庆大学学报. 1993,16(5):109~114.
[9] 刘江龙，激光动态凝固组织的凝固特征几其形核机理[J].金属热处理学报. 1990,11(3):13~23.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/21/2005)


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