1、中国机械工程第14卷第15期2003年8月上半月 文章编号：1004132 X(2003)15132204 直接金属激光烧结成形的机理及实验研究 蒋 玮 徐志祥赵福令 摘要：探讨了直接金属激光烧结成形机理，分析了烧结参数与激光输入 能量之间关系。在室温惰性气体环境下，进行了不同匹配参数下314不锈钢 金属粉末的直接激光烧结成形实验，测试了成形件的微观组织结构和机械 性能，研究了工艺参数与直接金属激光烧结成形件的微观组织结构及宏观 机械性能的关系。为制定合理的激光烧结工艺参数提供了依据。 关键词：直接金属激光烧结；金属粉末；工艺参数；选择性激光烧结 中图分类号：TH16 文献标识码：A 快速成形
2、制造(RPM)技术的最终目标是快 速制备三维致密金属制件，而高熔点、高硬度金属 材料的直接快速成形则是这一最终目标的制高 点。选择性激光烧结(SLS)以其选材广泛、无需支 撑、能量密度高等优点受到广泛重视，是实现金属 材料快速成形的重要途径L1j。 SLS烧结金属粉末有两种工艺方法1 ，一种 是间接烧结法(indirect metal laser sintering， IMLS)。另一种方法是直接烧结法(direct metal laser sintering，DMLS)。目前，直接金属激光烧结 成形存在的最大问题是因组织结构多孔导致制件 密度低、机械性能差。为提高成形件的质量，有必 要从DM
3、LS成形机理人手，深入研究工艺参数、 材料参数与制件微观组织结构和宏观机械性能之 间的关系。 l 直接金属激光烧结 11直接金属激光烧结机理 在直接金属激光烧结过程中，激光束停留在 每个颗粒上的时间十分短暂，一般仅有05 收稿日期：2002一O515 修回日期：2OO3一O4一O8 基金项目：国家自然科学基金资助重点项目(59935110)；国家留 学基金资助项目(9982l129) 蒋玮讲师 25ms ，粉末颗粒在极短的时间内被加热、熔化、 凝固、冷却。在这瞬时烧结过程中，熔化的液态金 属在孔隙中流动，减小了颗粒间的摩擦力，并促使 固体颗粒发生滑移、旋转。同时，润湿的毛细管力 作为驱动力，保
4、证固体颗粒间有较强的相互吸引 力达到重新密排。此外，大颗粒的棱角、微凸及微 细的颗粒溶解于液相，当固相在液相中的浓度超 饱和之后，在大颗粒表面重新析出，颗粒形状发生 变化，而且颗粒间的合并也导致颗粒大小的变化。 这种微观组织的演化在很大程度上决定了制件的 宏观力学性能。 激光热源输入到粉床内的能量，决定了金属 粉末的加热、熔化、凝固、冷却状况，从而决定了其 微观组织结构及宏观机械性能。而激光热源输入 到粉床内的能量是由激光烧结加工参数和粉末材 料参数决定的，因此通过选择合理的材料及加工 参数，可以控制金属粉末吸收的能量，从而达到在 微观上控制烧结件的组织结构，在宏观上控制烧 结件的机械性能的目
5、的。 12直接金属激光烧结参数 从上述激光烧结机理可知，影响激光烧结质 量的参数分为两大类，一是SLS 3-艺参数，二是 粉末材料参数，见图1。 】2】 SI S工艺参数 3Hunt K HKinematic Geometry of Mechanisms Oxford University Press，1 978 4 3 Merlet J PSingular Configm：ations of Parallel Ma nipulators and Grassmann GeometryIntJof Robotics Research，1989，8(5)：4556 (编辑晓舟) 1322 作者简介
6、：黄 真，男，1936年生。燕山大学(河北省秦皇岛市 066004)机器人研究中心教授、博士研究生导师。研究方向为并联 机器人基金理论 获省部极科技进步一等奖2项。出版专著6部， 发表论文200余篇 李艳文，女，1966年生。燕山大学机器人研究 中心讲师。郭希娟，女，1959年生。燕山大学信息工程学院教授。 高 峰，男，1956年生。河北工业大学(天津市 300130)机器人 研究中心教授、博士研究生导师。 维普资讯 http:/ 直接金属激光烧结成形的机理及实验研究蒋 玮 徐志祥 赵福令 激光选 择烧结 工艺 参数 激 描系统 激光光斑直径d 激光功率P 光强分布，(r) 。 。 _。- _
7、 _ _一 扫描速度t，l 扫描间距s I 扫描长度L 1 扫描方向 l 1颗粒大小及分布 粉末材I l粉末几何特性 料参数广l粉末光学特性 一 l粉末热物性及流变特性 图1激光选择烧结参数 SLS工艺参数包括激光系统、扫描系统和环 境参数三部分。SLS加工示意图见图2，对于给定 材料，当激光扫描到材料表面任一点时激光束传 到粉末表面的能量大小由激光功率、扫描一次所 需的时间、扫描该点的总次数及两次扫描时间间 隔决定。 图2 SLS加工示意图 激光作为可控性极强的高能密度热源，其功 率与光强分布有关，即 P r)2 rdr (1) 式中，(r)为光强分布函数；r、d分别为激光束的半径和 直径。
8、 扫描一次所需时间为 r t， (2) 式中，t，为扫描速度。 扫描时，必须使扫描间距5小于激光束半径 以使相邻激光束重叠，总能量分布基本均匀，从而 保证烧结厚度均匀，因此激光扫描任一点的总次 数为 一 一1 (3) 式中，s为扫描间距。 此外存储于粉末表面的能量还取决于二次扫 描的时间间隔，在SLS加工中间的停顿时间里， 热能将由于热传导、辐射、对流而散失，这段时间 为 td 一L (4) 式中，L为扫描长度。 为得到较大的加工能量，应使激光功率P、扫 描一次时间r、扫描总次数N尽可能大，两次扫描 时间间隔f u尽可能小。因此在加工参数选择上， 应选择较大的P、d，较小的 、5、L。在 L时
9、， 应选择沿短方向扫描。 此外从激光烧结制件的精度和表面质量角度 来看，应在加工前对粉末进行预热以减小因温度 梯度而产生的热应力和变形；同时应在惰性气体 中烧结，以避免制件表面氧化。 122粉末材料参数 在SLS加工过程中，材料和激光束之间存在 着耦合和吸收的特性，粉末材料的几何、光学特性 影响了材料对激光束能量的反射和吸收；粉末材 料的热物理特性，决定了材料的热传导特点；粉末 颗粒的形状、大小和分布也决定了烧结后颗粒重 排的密度和孔隙的形状和大小。为此，本研究在进 行314奥氏体不锈钢粉末直接烧结时，采用大小 两种球形颗粒按一定比例混合，以期在烧结重排 过程中，小颗粒能重新排列到大颗粒之间的
10、间隙 中，从而降低孔隙率，提高制件密度。 2 实验设备、材料及方法 21实验设备 实验设备见图3，由计算机控制系统、激光器 和激光电源、光学扫描系统和数控工作台等部分 组成。其中激光器是最大功率为250W C0 连续 可调激光器，光斑直径在102Omm范围内可 调，光强按高斯分布。在460 mm260 mm250 mm的密封腔内铺粉加工。 图3实验设备示意图 22实验材料 实验采用314奥氏体不锈钢粉末，其化学成 分见表1。金属粉末由直径大小为150300m及 38m的两种球形粉末按照3：1的比例混合而 成。 表1 314奥氏体不锈钢粉末的化学成分 元素 Cr Ni C Mn Si S P 质
11、量分 2326 1922 o25 2o 153O bO3 o045 数() 1323 维普资讯 http:/ 维普资讯 http:/ 直接金属激光烧结成形的机理及实验研究蒋玮 徐志样 赵福令 度增大。 33烧结件的机械性能 不同参数下不锈钢金属粉末烧结件抗拉强度 和延伸率与激光功率和扫描速度的关系见图6。 随着扫描速度的加大，抗拉强度和延伸率迅速下 降；在相同扫描速度下，随着激光功率的增大，抗 拉强度和延伸率也相应增加。通过选择合理工艺 参数，成形零件机械性能可达到或接近铸造及锻 造退火态水平(退火态314不锈钢的抗拉强度为 586MPa，延伸率为5O )。 a一 b 醚 髓 扫描速度vmms
12、 扫描速度vmms一 1P一130W 2P一75W 3P=45W 图6抗拉强度和延伸率与激光功率和扫描速度的关系 34烧结件的显微硬度 使用显微硬度计，对不同参数下烧结件截面 表面维氏显微硬度(HV)进行测试，测试结果见 图7。 扫描速度vmms 1P一13OW 2P一75W 3P=45W 图7显微硬度与激光功率和扫描速度的关系 从测试结果来看，随着激光功率的增大，烧结 件的显微硬度也随着增大；同时随着扫描速度的 增大，烧结件的显微硬度也略有增加。在实验参数 范围内。烧结件的硬度在277345HV之间，与采 用传统工艺加工的奥氏体硬度34O450 HV比 较接近。只是略微偏低。 35实际烧结厚
13、度 不同参数下单层不锈钢金属粉末的实际烧结 厚度测试值见图8。实际烧结厚度随激光功率的 增大而增大；随激光扫描速度的增大而减小，并且 在速度达到一定值后，烧结厚度基本上保持不变， 因此可以保证在多层烧结时烧结厚度保持均匀。 但在实验中还观察到，扫描速度也不能过快，否则 不能保证有足够的熔化金属而使粉末颗粒相互粘 接。 巨1 逞 螽 瞪 o 监 激光功率PW 激光功率Pw 1t，一lmms 2t，一 1P一13OW 2P一 3mms 3t，一5mms 75W 3P一45W 图8实际烧结厚度与激光功率和扫描速度的关系 4 结论 (1)直接金属激光烧结成形工艺参数与制件 微观组织结构和宏观机械性能有
14、密切关系。随着 激光功率的增加和扫描速度的减小，烧结温度增 加，烧结时间延长，金属熔化量增多，颗粒重新密 排运动明显，在微观组织图上表现为金属颗粒尺 寸增大，孔隙大小及数量减少，在宏观机械性能上 表现为烧结件密度增大，抗拉强度和延伸率增大。 (2)激光扫描速度较激光功率对烧结件的微 观组织结构和机械性能影响更大。通过控制工艺 参数，可以控制烧结过程以及烧结件的微观结构， 从而控制金属零件的宏观机械性能。 (3)在常温惰性气体保护下，使用大小颗粒混 合的314奥氏体不锈钢粉末，选用匹配合理的加 工参数，可以得到与常规加工方法相似微观组织 结构和相近机械性能的金属零件，这意味着直接 金属激光烧结在
15、直接快速生产金属零件及金属模 具方面具有很大的应用潜力。 参考文献： Eli Beaman J JSolid Freeform Fabrication：a New Di rection in Manufacturing with Research and Appli cations in Thermal Laser ProcessingDordrecht London：Kluwer Academic Publishers，1997 2李宝明，邱复生，李涤尘，等激光烧结金属粉末制 造微型机械的研究中国机械工程，200011(12)： 13911393 (编辑晓舟) 作者简介：蒋 玮，女，1966年生。大连理工大学(辽宁省大连市 116024)机械工程学院讲师、硕士。主要研究方向为CAD CAM、激光烧结快速成形技术、机械设计等。发表论文1O余篇。 徐志祥，男，1 965年生。大连理工大学机械工程学院副教授。赵福 令，男，1 945年生。大连理工大学机械工程学院教授、博士研究生 导师。 1325 维普资讯 http:/
