选择性激光熔化高温合金粉末成形工艺

张　佳,　刘锦辉,　刘邦涛,　张洪磊

(黑龙江科技大学 现代制造工程中心, 哈尔滨 150022)



选择性激光熔化高温合金粉末成形工艺

张佳,刘锦辉,刘邦涛,张洪磊

(黑龙江科技大学 现代制造工程中心, 哈尔滨 150022)

为研究高温合金在SLM成形过程中熔池的形貌、熔化成形零件的致密度,通过实验分析激光功率、扫描速度和扫描间距等对成形过程的影响。实验结果表明:激光功率的大小是影响熔池好坏和成形试样致密度高低的主要因素。通过正交实验对工艺参数优化,其激光功率为400 W、扫描间距为0.1 mm、扫描速度为700 mm/s时,致密度最大为85.8%。在该组优化参数下成功试制零件。

选择性激光熔化; 熔池; 致密度; 工艺优化

发展迅速的3D打印技术正在改变着传统的加工技术,并且广泛应用于航空、航天、武器装备制造等方面,取得了很好的效果。作为3D打印技术之一的选择性激光熔化(selective laser melting,SLM) 技术也取得了较快的发展。它具有3D打印技术的一切优点,还具备加工金属材料的独特优势,可实现金属零件的快速制造, 能够获得致密度近乎100%、机械性能与锻造工艺相当的零件[1-4]。

高温合金是能够抗机械和化学侵蚀且耐高温达800 ℃以上的材料,已经应用于现代航空发动机和发电的涡轮系统中。高温合金是航空涡轮发动机的涡轮盘、涡轮、叶片、燃烧室等长时高温承力部件的关键材料[5]。其中,镍基高温合金的应用尤为突出。伴随着工业的发展和技术的进步,一些复杂结构的高温合金零部件在传统的加工条件下很难加工出来。因此,结合3D打印技术,研究激光直接熔化高温合金粉末成形零件工艺与优化。

1　实验材料及方法

1.1设备与材料

该研究采用华中科技大学研制的HRPM-ⅡB快速成形系统,激光器是功率500 W的光纤激光器。扫描方式为振镜式激光扫描,成形空间最大为250 mm×250 mm×250 mm。

首先,对实验的工作台进行调平处理。工作台平面与铺粉平面之间的间隔越小越好,但是不能有明显的摩擦。工作台调平后对实验设备腔体抽真空处理,然后通入保护气,达到标准大气压即可。

实验选用的基板材质为45钢, 基板表面用无水乙醇做预处理清洗,保证成形零件的前几层粉末的熔化不受基板加工时的油污影响。

实验材料为长沙骅骝公司生产的镍基高温合金718牌号粉末如图1,粉末粒度为44 μm。

图1　镍基高温合金718SEM形貌

1.2实验方法

对镍基高温合金718粉末进行单线熔池实验,在一定的激光功率下选取不同的扫描速度,激光功率P为200、300、400 W。选择的一组扫描速度v为500、600、700、800、900 mm/s。观测熔池在电镜下的成形形貌,分析其成形的质量。

实验选择铺粉厚度统一为0.03 mm,激光扫描方式为逐行扫描。其具体方式如下:即先完成单一方向按照一定扫描间距的扫描,然后再垂直扫描上一次的线,相当于对每一层粉末扫描2次,避免热应力集中所造成的零件变形。实验的成形环境保持一致,先进行抽真空处理,然后通入保护气,实验在保护气的环境下进行。

使用计算机建立CAD模型,模型尺寸为10 mm×10 mm×15 mm。保存为STL文件,导入SLM系统计算机,测试其致密度。实验选用三组功率参数,分别为200、300和400 W;扫描速度设置为500、700和900 mm/s;激光扫描间距d分别设置为0.08、0.10和0.12 mm,通过正交实验优化其成形致密度的工艺参数。

2　结果与分析

2.1成形熔池

其扫描熔池的形貌图如图2所示。对熔池宽度b进行测量,每个熔池取五组数据,得到平均值bp。熔池宽度数据如表1～3所示。

图2　一定功率下不同扫描速度熔池的形貌

由表1～3可见,在激光功率一定的情况下,随着激光的扫描速度增加,熔池宽度逐渐变小;扫描速度不变时,随着激光功率的不断变大熔池的宽度也逐渐变宽。

表1　激光功率200 W时不同扫描速度熔池的宽度

表2　激光功率300 W时不同扫描速度熔池的宽度

表3　激光功率400 W时不同扫描速度熔池的宽度

由图2可见，随着激光功率的增强熔池宽度呈增加趋势,成形的熔池质量也越来越好,熔池宽度均匀,熔池与基板的结合也越来越密实,成形的熔池球化现象也越来越少。激光功率为400 W时,熔池的表面效果比较好,成形的熔池基本没有球化现象或者球化颗粒特别微小,熔池的成形宽度比较均匀,没有孔洞情况的出现,因此可以看出激光功率对熔池致密度的影响最大。

同时，在较低的扫描速度下成形的熔池比扫描速度高时好,随着扫描速度的增加熔池两侧的球化现象也随之增加,其熔池宽度也越来越小,熔池的情况也越来越不稳定。在900 mm/s的扫描速度下,熔池的宽度较小,部分区域熔池不均匀,而且有不少球化现象的出现。但是在一定功率下,扫描速度在实验范围内基本上变化不是很大,基本上出现的情况很相似。

2.2成形致密度

采用正交实验的方法分析成形零件的致密度。成形零件工艺参数正交实验设计与结果见表4。

表4SLM工艺参数正交实验设计与结果

Table 4Process parameters of SLM orthogonal experimental design and results

由图3所示可知,在实验所选参数范围内,随着激光功率的增强,成形零件的致密度也得到相应的提升,在高激光功率下的零件致密度整体明显较高,可以看出零件的致密度提升较快,与扫描间距和扫描速度相比,激光功率对致密度的影响最大。这是因为激光对金属粉末的熔化比较完全。熔化下的金属液内部的气体在高热状态下容易离开金属液,进而提高金属零件的致密度。

图3　激光功率对致密度影响趋势

由图4可知,在该实验参数下,可以看出随着激光的扫描间距加大,零件的致密度有下降的趋势,下降幅度不大,变化的幅度仅0.05%。可见,在一定范围内激光的扫描间距是影响致密度的因素,但不是其主要因素。这主要是由于金属粉末熔化为金属液后金属液凝结较为密实,没有出现孔洞或者球化的现象,所以对零件致密度影响不大。

图4　扫描间距对致密度影响趋势

由图5可知,激光的扫描速度在选定实验参数范围内对致密度的影响不是很大。扫描速度在500和700 mm/s时,成形零件致密度没有发生变化;在900 mm/s的扫描速度下零件致密度略有下降,下降的幅度不大。这主要是由于在900 mm/s下熔池的宽度有所降低,熔池搭接率降低,最终对成形零件的致密度有所影响。

图5　扫描速度对致密度影响趋势

3　成形零件的制造

由正交实验结果可知当激光功率为400 W、 扫描间距为0.1 mm、扫描速度为700 mm/s时,其致密度最大达到85.8%。因此这组实验参数是正交实验的优化参数。依照这组正交实验优化参数进行薄壁件(图6a)和小叶轮图(图6b)。

图6　优化工艺后制造出的零件

4　结　论

实验表明,镍基高温合金718在激光功率较低时,大幅度的改变激光的扫描速度对熔池的形成、零件致密度的影响都不是很明显。在选择的激光范围内,激光功率增加,成形熔池的形貌整体效果都有很大提升。激光功率对单道熔池成形的好坏和成形试样致密度高低有重要影响。正交实验的优化显示，在激光功率为400 W、扫描间距为0.1 mm、扫描速度为700 mm/s时,其试样致密度最大为85.8%。

[1]付立定, 史玉升, 章文献, 等. 316 L不锈钢粉末选择性激光熔化快速成形的工艺研究[J]. 应用激光, 2008, 28(2): 108-111.[2]LU L, FU H, J Y H, et al. In situ formation of TiC composite using selective laser melting [J]. Materials Research Bulletin, 2000, 35(9): 1555-1561.

[3]ABE F, SANTORS E, KITAMURA Y. Influence of forming conditions on the titanium model in rapid protot yping with the selective laser melting process[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Eng ineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2004, 218(7): 711-719.

[4]KRUTH J P, FROYEN L, VAN VAERENBERGH J, et al. Selective laser melting of iron based powder [J]. Journal of Materials processing Technology, 2004, 149(3): 616-622.

[5]王晔. 航空用高温合金标准的发展[J]. 航空标准化与质量, 2007, 34 (3): 28-34.

(编辑晁晓筠)

Selective laser melting temperature alloy powder forming processes

ZHANGJia,LIUJinhui,LIUBangtao,ZHANGHonglei

(Modern Manufacture Engineering Center, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is driven by the study on the morphology of super alloy pool-forming process in the SLM formation and melting density of molded parts and presents an experimental analysis of influence of laser power, scanning speed and scan spacing on the forming process. The experimental results show that the size of the laser power is the main factor influencing bath quality and density of forming the specimen. The orthogonal experiment gives the set of optimized process parameters, such as the laser power of 400 W, scanning pitch of 0.1 mm, scanning speed of 700 mm/s, and the maximum density of 85.8%, thus making possible the successful trial production of parts.

selective laser melting; bath; density; process optimization

2013-05-27

黑龙江省自然科学基金项目(ZD201104)

张佳(1985-),男,河南省驻马店人,助理研究员,硕士,研究方向:激光快速成形技术,E-mail:565284634@qq.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.05.007

TN249

1671-0118(2013)05-0432-04

A