基于激光快速成型技术的金属粉末烧结工艺

基于激光快速成型技术的金属粉末烧结工艺罗新华,花国然(南通工学院机械工程系,江苏南通226007)

摘要:文章详细介绍了金属粉末快速成型的研究现状,分析了金属粉末选择性激光烧结的工艺特点,对这些工艺的影响因素进行了讨论。在实验基础上,得到了合理的铁基、镍基F105合金粉末的激光烧结工艺。关键词:选区激光烧结;金属零件;影响因素中图分类号:TH16;TG665文献标识码:A

文章编号:1671-5314(2004)03-0029-04

MetalPowderofLaserRapidPrototypingandManufacturingBasedonSinteringTechnology

LUOXin-hua,HUAGuo-ran(NantongInstituteofTechnology,Nantong226007,China)

Abstracts:Asakeytechnologyofrapidprototypingandmanufacturing(RP&M),rapidmanufacturingofmetalpartsisatargetofRP&M.Basedontheintroductionofresearchstatusandtechniquecharacteristicofselectivelasersinteringofmetalpowderwhichisoneofthemostimportantcontentsofrapidprototypingtechnology,experimentsonselectivelasersinteringofironandnickelbasedonalloypowderaredoneandeffectsoftechniqueparametersarestudiedsystematically.Intheend,adequatesinter2ingparametersofpowderarederivedandverifiedwithsinteringexperiments.Keywords:selectivelasersinteringprocess;metalParts;factor

基金项目:江苏省教育厅基金项目(03KJD460165),南通市科技局基金项目(Z2003)作者简介:罗新华(1947-),男,江苏南通人,南通工学院机械工程系副教授,主要研究方向为激光快速成型技术、纳米技术。

快速制造(RapidManufacturing

)金属零件一直受

到国内外的广泛重视,是当今快速成型领域的一个重要研究方向[1-2]。到目前为止,用于直接成型金属材料、制备三维金属零件的技术主要有激光近形制造与金属粉末的选择性激光烧结技术。激光近形制造(LENS),又称激光熔覆制造或熔滴制造,它将激光熔覆工艺与激光快速成型技术相结合,利用激光熔覆工艺逐层堆积累加材料,形成具有三维形状的三维结构。在该方面,美国的Aeromet、德国的汉诺威激光中心以及清华大学激光加工研究中心等均进行了大量的研究,并得到了具有一定形状的三维实体零件。有异于激光近形制造,选择性激光烧结则有选择地逐层烧结固化粉末金属得到三维零件。在这一领域,美国的DTM、德国的汉诺威激光中心等进行了多元金属的烧结研究[3-5]。就选区激光烧结(SelectiveLaserSintering,SLS)而言,根据成型用金属粉末的不同,人们又开发出多种工艺途径来实现金属零件的烧结成型,主要有三种途径:一是利用金属粉末与有机粘结剂粉末共混粉体的间接烧结,金属粉末与有机粘结剂粉末均匀共混,烧结中,低熔点的粘结剂粉末熔化并将高熔点的金属粉末粘结,形成原型(“绿件”),经后处理,烧失粘结剂,形成“褐件”,最后通过金属熔渗工艺得到致密的金属件;二是利用金属混合粉末的直接烧结,其中一种粉末具有较低的熔点(如铜粉),另一种粉末熔点较高(如铁粉),烧结中低熔点的金属粉末铜熔化并将难熔的铁粉粘结在一起,这种方法同样需要较大功率激光器;三是利用单一成分金属粉末的直接烧结,这种方法目前主要用于低熔点金属粉末的烧结,对熔点高的金属粉末,需采用大功率激光器。本文在实验的基础上,分别对上述的

第3卷第3期2004年9月南通工学院学报(自然科学版)JournalofNantongInstituteofTechnology(NaturalScience)Vol.3No.3

Sep.2004

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间接和直接烧结成型工艺进行了初步的研究[6]。1SLS的烧结原理激光选择性烧结快速成型技术是使用激光束熔化或烧结粉末材料,利用分层的思想,把计算机中的CAD模型直接成型为三维实体零件。它的创新之处在于将激光、光学、温度控制和材料相联系。SLS烧结原理如图1所示,烧结过程可分为三部分:(1)首先在粉体床上铺一薄层粉体,并压实,可以根据需要,在激光烧结前进行预热;(2)激光照射粉体层,烧结粉体,形成所设计零件一层的形状;(3)粉体床下降一个薄层厚度的距离;重复上面的过程,直到原型零件完成。SLS对粉末烧结的明显优势在于:(1)和其它的加工方法比较,能获得优良的材料性能,同时,它的加工材料范围比较宽(聚合物、金属、陶瓷、铸造砂等);(2)易于实现液相烧结,烧结周期比较短;(3)比传统的烧结方法更易得到密实的以粉末金属为原料的产品;(4)工艺比较简单,烧结路线、烧结温度便于控制。2金属零件间接烧结的工艺过程图2为基于小功率激光烧结快速成型设备RAP-II的金属零件快速制造的工艺过程简图。由图可知,主要分三个阶段:一是利用快速成型技术的RP原型件(“绿件”)的制作,该部分的关键在于如何选用合理的粉末配比和加工工艺参数实现原型件的制作。试验表明,对RP原型件成型来说,混合粉体中环氧树脂粉末比例高,有利于其准确致密成型,成型质量高。但环氧树脂粘结剂含量过高,金属粉末含量过低,则会出现褐件制作时的烧失“塌陷”现象和金属熔渗时出现局部渗不足现象。可见,粉末材料配比将严重影响原型件及褐件的制作质量,而且两阶段对配比的要求相互矛盾。原则上必须兼顾绿件成型所需的最少粘结剂成分,同时又不致因过高而导致褐件难以成型。实际加工中,环氧树脂与金属粉末的比例一般控制在1:5与1:3之间。同时,影响激光烧结快速成型原型件质量的烧结参数很多,如粉末材料的物性、扫描间隔、扫描层厚、激光功率以及扫描速度等。实验表明,对于小功率激光器的激光烧结快速成型系统RAP-II,激光功率可调范围很小,激光功率对烧结性能的影响可以归结到扫描速度上,而扫描速度的选择必须兼顾加工效率、烧结过程与烧结质量的要求。较低的扫描速度,可以保证粉末材料的充分熔化,获得理想的烧结致密度;但是,扫描速度过低,材料熔化区获得的激光能量过多,容易引起“爆破飞溅”现象,出现烧结表面“疤痕”,且熔化区内易出现材料“炭化”,从而降低烧结表面质量。为保证加工层面之间与扫描线之间的牢固粘结,采用的扫描间隔不宜过大。实际加工中,烧结线间、层面间应有少许重叠,方可获得较好的烧结质量。扫描层厚也是激光烧结成型的一个重要参数,它的选择,也与激光烧结成型的烧结质量密切相关。扫描层厚度必须小于激光束的烧结深度,使正烧结的新层与已烧结层能牢固地粘连在一起,形成致密的烧结体,但过小的扫描层厚度,会增加烧结应力,损坏已烧结层面,

烧结效果反而降低,因此,扫描层厚选择必须适当,

才能保证获得较好的烧结质量。总的来说,工艺参数的选取不仅要保证层面之间、烧结线之间的牢固粘结,还应该保证粉末材料的充分熔化,即烧结实体中不应存在“夹生”现象,应保证烧结成型各工艺参数的互相匹配。同时,尽量做到粉末材料不炭化,烧结过程平稳。在此基础上尽可能采用较大的工艺参数,

提高加工效率。二是“褐件”的制作,关键在于探索如何烧失原型件中的有机杂质,获得具有相对准确形状和强度的金属结构体。褐件制作时需经过两次烧结过程,烧结温度和时间是主要的影响因素。应控制合适的烧结温度和时间,随着粘结剂烧失的同时,使金属粉末颗粒间发生微熔粘结,从而保证原型件不致塌陷。三是金属熔渗阶段,关键在于选用合适的熔渗材料及工艺,以获得较致密的最终金属零件。原型件烧结完成后,经过二次烧结与三次烧结,得到一个具有一定强度与硬度、内部具有疏松性“网状连通”结构的“褐件”。这些都是金属熔渗工艺的有利条件。试验表明,合适的熔渗材料对形成金属件的致密

© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.・31・罗新华,等:基于激光快速成型技术的金属粉末烧结工艺性有较大影响。所选渗入金属必须比“褐件”中金属的熔点低,以保证在较低温度下渗入。采用上述工艺过程进行了金属零件的快速制造试验。试验中采用金属铁粉末、环氧树脂粉末、固化剂粉末混合,其体积比为67%、16%、17%;在激光功率40W下,取扫描速度170mm/s,扫描间隔在0.2mm左右,扫描层厚为0.25mm时烧结。后处理二次烧结时,控制温度在800℃,保温1h;三次烧结时温度1080℃,保温40min;熔渗铜时温度1120℃,熔渗时间40min。所成型的金属齿轮零件如图3所示。3直接烧结成型工艺图4为基于较大功率的激光烧结金属零件快速制造的工艺过程简图。由图可知,成型过程明显缩短,无需间接烧结时复杂的后处理阶段。但必须有较大功率的激光器,以保证直接烧结过程中金属粉末的直接熔化。因而,直接烧结中激光参数的选择,被烧结金属粉末材料的熔凝过程及控制是烧结成型中的关键。

激光功率是激光直接烧结工艺中的一个重要影响因素。功率越高,激光作用范围内能量密度越高,

材料熔化越充分,同时烧结过程中参与熔化的材料就越多,形成的熔池尺寸也就越大,粉末烧结固化后易生成凸凹不平的烧结层面,激光功率高到一定程度,激光作用区内粉末材料急剧升温,能量来不及扩散,易造成部分材料甚至不经过熔化阶段直接汽化,

产生金属蒸汽。在激光作用下该部分金属蒸汽与粉末材料中的空气一道在激光作用区内汇聚、膨胀、爆破,形成剧烈的烧结飞溅现象,带走熔池内及周边大量金属,形成不连续表面,严重影响烧结工艺的进行,甚至导致烧结无法继续进行。同时这种状况下的飞溅产物也容易造成烧结过程的“夹杂”。光斑直径是激光烧结工艺的另外一个重要影响因素。总的来说,在满足烧结基本条件的前提下,光斑直径越小,

熔池的尺寸也就可以控制得越小,越易在烧结过程中形成致密、精细、均匀一致的微观组织。同时,光斑越细,越容易得到精度较好的三维空间结构,但是光斑直径的减小,预示着激光作用区内能量密度的提高,光斑直径过小,易引起上述烧结飞溅现象。扫描间隔是选择性激光烧结工艺的又一个重要影响因素,它的合理选择对形成较好的层面质量与层间结合,提高烧结效率均有直接影响。同间接工艺一样,