选区激光熔化快速成型过程分析

第35卷第3期2007年3月

华南理工大学学报(自然科学版)JournalofSouthChinaUniversityofTechnology

(NaturalScienceEdition)

Vo.l35 No.3March 2007

文章编号:1000-565X(2007)03-0022-06

选区激光熔化快速成型过程分析

吴伟辉 杨永强 来克娴

(华南理工大学机械工程学院,广东广州510640)

*

摘 要:分析了选区激光熔化的成型过程及成型机理,归纳了该工艺的技术特征,推导了温升与加工参数间的解析关系式,并据此优化了选区激光熔化快速成型的工艺.采用Cu-P合金对成型工艺进行了实验验证,分析了扫描速度及激光功率对成型质量的影响,探讨了球化的成因及消除方法.结果表明,通过合理配置扫描速度、扫描间距、激光功率等加工参数,可以直接成型具有高致密性的金属零件.

关键词:选区激光熔化;快速成型;金属零件;成型过程中图分类号:TG665 文献标识码:A

当前,快速成型技术正向直接制造金属零件的方向发展

[1-2]

所设计的三维模型进行切片离散及扫描路径规划,得到可控制激光束扫描的切片轮廓信息.随后,计算机逐层调入切片轮廓信息,通过扫描振镜,控制激光束选择性地熔化金属粉末,逐层堆积成与模型相同的三维实体.由于金属材料在熔化过程中易发生氧化,造成成型失败,因此,选区激光熔化过程在通有保护气体的密封成型室中进行.

.选区激光熔化便是新出现的一种能

直接成型高致密、高精度金属零件的快速成型技术.相对于目前常用来成型金属件的选区激光烧结技术,选区激光熔化技术克服了选区激光烧结技术不能采用纯金属粉末、成型致密性及力学性能差、后处理工艺复杂的缺点,采用的材料能扩展到多种纯金属或合金材料(如不锈钢、工具钢、钛合金等),成型件相对密度接近或达到100%,总体力学性能比采用铸造方法制成的金属件更为优异,尺寸精度及表面粗糙度好,仅需或无需简单后处理(如喷砂、抛光

[3-7]

等)即可直接投入实际使用.

目前,该技术在国外已得到了广泛重视,德国、日本、美国等国在这项技术上已取得了重大突破.但在我国,该技术的研究仍处于起步阶段.有鉴于此,文中分析了选区激光熔化快速成型的机理,归纳了其技术特征,并针对该技术中的难点展开了试验研究.

[2,5,7]

图1 选区激光熔化快速成型系统示意图

Fig.1 Schematicdiagramofrapidprototypingsystemwithse-lectivelasermelting

1 选区激光熔化快速成型的工作原理

选区激光熔化的工作原理

收稿日期:2006-02-20

*基金项目:广东省科技攻关项目(2004A10403004) 作者简介:吴伟辉(1979-),男,博士生,主要从事材料激

.E-mi:lhui_068.[8-10]

如图1所示.将

2 选区激光熔化快速成型过程分析

2.1 成型过程中的温升及影响温升的参数

为得到致密的组织,选区激光熔化快速成型过.

第3期吴伟辉等:选区激光熔化快速成型过程分析23

化与否取决于金属粉末的温升$T.为方便讨论,文中进行了以下假设:(1)聚焦后的光斑形状为圆形,且功率分布均匀;(2)如图2所示,以图中最大的、面积为A的圆表示激光斑点的大小,光斑内平行于x轴的直线上有一与激光光斑圆边相切的面积为dA(dA<<A)的区域,设激光照射到该区域上的能量全部被吸收,并全部用来使垂直于该区域的、深度为E的小圆柱升温

.

选区激光熔化快速成型过程可能发生熔化、汽化和等离子化3个成型阶段,成型中要求必须熔化

扫描经过的金属粉末.

2.2 成型难点分析

选区激光熔化快速成型工艺的实现十分困难,其主要原因在于:

(1)大多数金属的熔点都很高,要在选区内完全熔化金属材料,必须在成型过程中提供足够的能量,这要求激光束必须有足够高的功率密度;(2)金属材料在成型过程中,容易因液态金属表面张力而产生球化现象,导致表面凹凸不平,甚至无法成型;

(3)金属材料的热传导率高,在成型过程中易产生大的温度梯度,使液态金属凝固后产生大的残余应力,导致成型件变形、断裂.

图2 扫描过程中激光光斑的移动Fig.2 Movementoflaserspotduringthescanning

2.3 成型工艺优化

为在激光扫描过程中完全熔化选区内的金属粉末,要求扫描过程能使扫描所经过的金属粉末迅速升温并达到熔点以上的温度.如上所述,要快速升温,可采取提高激光功率、降低扫描速度和减小激光聚焦光斑直径3种方法.

提高激光功率虽然可以使粉末快速升温,但热影响区也会相应增大,使成型件的变形量增大,不利于提高成型精度,甚至可能使成型件发生断裂,导致成型失败.

降低扫描速度也不可行.这是因为,扫描速度过

(1)

低会导致扫描的热影响区增大,不利于提高成型精度,而且过低的扫描速度(如每秒几十毫米)会使成型效率大大降低,从而失去了该技术的商业价值.

有鉴于此,研究中采用减小激光聚焦光斑的方法来使粉末快速升温.同时,为提高成型精度和成型效率,还采用了功率不大于200W的中低功率激光器,以快速扫描的方式成型.

激光聚焦光斑直径的大小主要取决于激光的光束质量.光束质量越好(即光束质量因子越接近1),光束的聚焦性能就越好.选区激光熔化快速成型中要求选用具有良好光束质量的激光器

[13]

若激光扫描方向平行于x轴,则面积为dA的区域受激光照射的时间为

t=

0[H[180b.v

照射到面积为dA的区域的能量为

@dA@=.Q=vpDvpD

以面积为dA的区域为上表面,则深度为E的小圆柱的平均温升可近似表示为

QQpDv4PcosH

$T====

dmcppppDvQEcp

式中,D为激光聚焦光斑直径,v为激光光斑扫描速度,P为激光功率,cp为材料比定压热容,Q为粉末密度,m为小圆柱的质量.

由于激光光斑以速度v向右扫描,当dA趋近于无穷小时,可认为dA代表了激光扫描经过的粉末区的任何一个点.因此,根据式(1)可以得到激光扫描经过任一点的温升与加工参数的关系.

在成型过程中,激光光斑不断移动,要使粉末层上某一点达到熔点,粉末必须在激光作用时间内快速升温.由式(1)可知,可采取以下途径:(1)提高激光功率P;(2)降低扫描速度v;(3)减小激光聚焦光斑直径D.

在成型过程中,随粉末温升的不同,会相继出现固相烧结、液相烧结、熔化、汽化和等离子化等工作[11-12]

.

3 实验验证

3.1 成型设备与实验条件

采用以华南理工大学为主研制的激光选区熔化快速成型样机DMietal240作为工艺试验平台.该设.

24华南理工大学学报(自然科学版)

表1 快速成型样机的技术指标

第35卷

Table1 Technicalindexesofrapidprototypingmachine

名称

激光器类型

激光器光束质量因子激光器平均输出功率激光器最大输出功率激光波长聚焦透镜焦距最大成型速度激光聚焦光斑直径额定成型尺寸

指标

连续式半导体泵浦Nd:YAG激光器约等于2100W200W1.06Lm500mm3m/s100Lm

80mm@80mm@50mm

的基础,液体上的表面张力试图将金属材料变成球

体而引起的.如图4(a)如示,如果液体材料与固体材料不能完全润湿,则刚开始时,固-液-气三界面处于不平衡状态,液面将会作相应调整,最终与固体表面以一个接触角Hc相交(如图4(b)所示).

实验材料为铜磷合金,颗粒大小为75Lm,呈球形分布.成型过程中采用氩气进行局部保护.在进行扫描速度、扫描功率对比实验时,采用在粉末上直接

成型一层的方法.三维金属实体堆积成型在A3钢基板上进行,成型后的组织采用200倍显微镜观察.

3.2 单层熔化成型实验

3.2.1 扫描速度对成型质量的影响

图3是不同扫描速度下的单层熔化成型试样.由图3可见,在低的扫描速度下,试样表面相当粗糙,熔池沿扫描方向分裂成多个椭圆形长条,扫描速度越低,分裂越严重

.

图4 选区激光熔化过程中发生球化的示意图Fig.4 Sketchofballinginselectivelasermeltingprocess

角Hc的大小符合杨氏方程,但是杨氏方程所表述的是平衡状态下的熔池状态,实际熔池从初态到终态的变化由界面间所做的粘附功决定

[14]

.以C、sl

C固-气和液-气界面的表sv和Clv分别表示固-液、,则液体不能润sl-Csv>0面张力,若粘附功$G=C湿固体,液态金属出现向球形收缩、使表面积达到最小的趋势,这时就发生了球化现象.粘附功越大,发生球化的趋势越明显,当$G=Csl+Clv-Csv>0时,液态金属就会完全收缩成一个球.

球化过程需要一定的时间,如果金属的冷却速度大于球化速度,则会大大消除球化现象.基于这一

图3 扫描速度对球化的影响Fig.3

Influenceofscanningspeedonballing

激光功率:100W;材料:Cu-P合金

思路,文中考察了不同扫描速度下的球化情况.

由图3(b)、3(c)和3(d)可以看出,随着扫描速度的提高,球化现象大大减少.分析认为:当扫描速度增幅不大时,球化程度的降低主要是由熔化量的减;, 分析认为,金属在从熔化到凝固的过程中发生

.

第3期吴伟辉等:选区激光熔化快速成型过程分析25

渐赶上球化速度,熔池来不及完成球化过程就凝固了下来,使球化现象进一步减少.当扫描速度达到1m/s时,球化对成型表面质量的影响就变得很微弱了.

图3(a)表明,沿激光扫描方向发生的球化最为明显,试样表面形成了很多凹坑,而在水平方向几乎看不出球化.这是由于激光扫过粉末时,铺粉厚度相当于无穷大,扫描速度又低,使激光束在某点粉末上停留的时间过久,金属粉末吸收的能量过大,将该点周边的粉末相继吸进熔池,熔液受表面张力作用收缩成椭圆状.当激光束移动到下一个位置时,该处粉末量不足,就形成凹坑

[15]

如果进行多层成型,由于粉末会铺在已成型好的实体上,而熔化固体比熔化粉末要消耗更多的能量,因此熔化深度会比直接在粉末上成型时小.3.2.2 激光功率对成型质量的影响

图6所示为激光功率对成型质量的影响.由图6可知,当激光功率较低时,试样表面平滑,球化痕迹不明显.随着激光功率的增加,各道扫描熔化线凝固后渐渐收缩成一串串的球化珠,且功率越大球化珠直径越大,扫描熔化线断裂数越多.分析认为:激光功率增加会增大熔化的金属量,使得熔池表面积增大,这一方面使冷却凝固时间更长,有更充足的时间形成球化珠,另一方面,大的熔池固-液界面的表面张力Csl(见图4)也相对较大,使得熔液球化的趋势更明显.因此,出现了球化现象随激光功率增大而加剧的情况.

.在水平方向,由于相邻两

扫描线间会发生部分重熔,因此在该方向几乎看不

到球化现象(如图4(d)所示).但如果重熔量过多,会有部分熔液填补到凹坑中,形成网状凝固区域(见图3(a)中间部分).

在相同激光功率下,采用很高的扫描速度,由于激光聚焦光斑直径很小,若扫描间距太大,会使相邻扫描线间无法连接.因此,成型过程中扫描速度与扫描间距要合理搭配.在分析扫描速度对成型的影响时,分别采用了011和0105mm的扫描间距.

图5所示为扫描速度对熔化深度的影响.由图5可知,随着扫描速度的增大,熔化深度以近似二次曲线的方式减小.在扫描速度相同的情况下,扫描间距小时熔化深度反而大.这是因为,在小的扫描间距下,相同面积区域激光经过的次数更多,使得热影响区更大,因此熔化深度也更大

.

图6 激光功率对成型质量的影响Fig.6

Influenceoflaserpoweronmoldingquality

扫描速度:015m/s;扫描间距:0104mm;材料:Cu-P合金

图5 扫描速度与熔化深度的关系

Fig.5 Relationshipbetweenscanningspeedandmeltingdepth

激光功率:100W;材料:Cu-P合金

由图6(c)和6(d)也可知,若激光功率太大,熔池表面积增大且冷却时间减慢,使球化更为严重,球化形成的不平坦表面也使熔液在未冷却前四处流淌,凝固后形成了很不规则的粗糙表面.

因此,在不改变扫描速度的情况下,表面球化现象随激光功率的增加而更趋严重,表面质量更差.这不但会降低成型的精度,而且成型表面的凹凸不平在成型件中造成了大量的孔洞,使得成型件的致密 在确定的激光功率与扫描间距下,一定的扫描速度对应着一定的熔化深度.因此,在成型过程中,设置铺粉厚度时要考虑扫描速度与扫描间距的配合,这样才能保证扫描过程不会出现因熔化深度不够而导致的断层现象.

.

26华南理工大学学报(自然科学版)第35卷

的办法是不能得到良好的成型质量的.

对比图3和图6还可发现,改变激光功率所引起的球化现象不如改变扫描速度的显著.因此,消除球化现象主要靠在成型过程中调整扫描速度来实现.

3.3 三维致密金属零件堆积实验

根据上述分析结果,对加工参数进行合理调配,按表2所列基本参数成型了一个三维金属零件.

表2 加工参数表Table2 Processingparameters

参数名称首层扫描速度首层激光功率第2~25层扫描速度第2~25层激光功率扫描间距铺粉厚度聚焦光斑直径

参数值0.2m/s120W0.7m/s75W0.05mm0.25mm约100Lm

由于基板为A3钢,与成型材料不是同种材料,且成型过程没有预热,因此,在成型首层时,采用了120W的激光功率,以012m/s的扫描速度成型,以保证首层与基板牢固结合,为后续各层的成型打下稳固的基础.为减小热影响区,后续各层采用的激光功率减小到75W.

图7(a)为所成型零件的外观图.对比零件尺寸与模型尺寸发现,尺寸精度控制在?015mm范围内,且零件形状完好,没有发生变形、断裂等现象.但由于铺粉厚度较大,为保证熔化深度,扫描速度未能达到上述分析的理想值,零件表面仍有少许球化现象.

图7(b)为所成型零件的多层断面显微照片.该照片显示了多个图层,相邻两层间完全冶金结合,除有少许气孔和因夹渣而形成的孔隙外,绝大部分区域组织致密.通过估算孔洞面积占整体面积的比例,确定零件的相对密度为95%.

图7 所成型的致密金属零件

Fig.7 High-densitymetalpartfabricatedbySLM

材料:Cu-P合金

(3)在单层熔化成型过程中,增加激光功率会使球化现象加剧,降低成型的致密性,但改变激光功率不如改变扫描速度引起的球化现象显著.(4)采用75W(首层为120W)的激光功率、以

017m/s(首层为012m/s)的扫描速度成型了一个三维金属实体.分析发现,该实体相对密度达95%,相邻两层完全冶金结合,尺寸精度控制在?015mm范围内.表明选区激光熔化工艺可直接成型出具有高致密性的金属零件.参考文献:

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4 结论

(1)选区激光熔化快速成型过程中,应采用具

有良好光束质量的中低功率激光器,以减小激光光斑的直径,实现快速升温.

(2)单层熔化成型实验表明,提高扫描速度可以有效克服球化现象,但扫描速度太快会降低熔化深度.此外,小的扫描间距也有利于提高熔化深度.因此,在选区激光熔化过程中应当合理配置扫描速

第3期吴伟辉等:选区激光熔化快速成型过程分析27

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ProcessAnalysisofRapidPrototypingwithSelectiveLaserMelting

WuWei-hui YangYong-qiang LaiKe-xian

(SchoolofMechanicalEngineering,SouthChinaUniv.ofTech.,Guangzhou510640,Guangdong,China)

Abstract:Theprocessandmechanismofarapidprototypingmethod,namely,selectivelasermelting,wereana-lyzed.Thecharacteristicsofthismethodwerethensummedupandamathematicalexpressionwasdeducedtodescribetherelationshipbetweenthetemperatureriseandtheprocessingparameters.Moreover,theproposedex-pressionwasusedtooptimizetherapidprototypingprocess.Experimentswerefinallyconductedtoverifytheproto-typingprocesswithCu-Palloyasthemateria,lbywhichtheinfluencesofthescanningspeedandthelaserpoweronthemoldingquality,thereasonsformetalballingandthemethodstoavoidballingwerediscussed.Theresultsindicatetha,tbyreasonablyadjustingtheprocessingparameters,suchasthescanningspeed,thescanningspaceandthelaserpower,metalpartswithhighdensitycanbedirectlyfabricated.

Keywords:selectivelasermelting;rapidprototyping;metalpar;tprototypingprocess

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6viq.html