鋁合金熔體微噴射沉積工藝研究

摘 要：針對鋁合金熔體沉積增材制造中鋁合金液流斷續隨機性變化、斷續形貌等參數難以控制和預測的現存問題，采用理論分析與試驗研究相結合的方法，對鋁合金液流斷續過程中的斷續形貌及其影響因素脈沖壓力、脈沖頻率等進行了研究，揭示了斷續形貌長度分布規律。結果表明：通過調節脈沖氣壓和脈沖頻率，可以提高鋁合金液流斷裂的形態精度和尺寸精度，可為后續制造過程提供穩定的均勻微滴流。

關鍵詞：鋁合金熔體；斷續沉積；脈沖壓力；脈沖頻率；沉積形貌

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.035

鋁合金熔體沉積3D打印技術是上世紀90年代初興起的一種新型鋁合金零件快速成型技術，該技術基于離散/堆積原理，通過控制鋁合金熔體沉積軌跡，進行逐點、逐層沉積，直至成形出復雜零件[1]。

目前，對該技術的研究主要通過試驗與數值模擬兩種方法對進行。一方面，采用試驗研究的方法探索均勻液滴噴射的機理。國內北京有色鋁合金研究總院為了探索新型無鉛焊料在電子封裝上的應用[2]，采用連續式均勻液滴噴射技術，研究毛細波動對鋁合金射流斷裂的影響[3]，測量了鋁合金錫熔體在不同噴嘴直徑下的壓力-速度曲線，并研究了表面波波長和激振頻率的關系，制備了均勻焊料顆粒（Sn-4.0Ag-0.5Cu）。目前國內外已有研究多注重鋁合金噴射與熔滴形態變化的分析，并未結合鋁合金液流和熔滴速度與脈沖變化進行系統研究。通過研究鋁合金熔體沉積速度和脈沖壓力等物理場的變化，選擇合適的沉積參數，提高熔滴的精度仍然是均勻熔滴沉積技術需要解決的重要問題。

本文采用理論與試驗相結合的研究方法，建立了鋁合金熔體斷續沉積簡化解析模型，分析了在脈沖壓力作用下鋁合金熔體沉積的影響因素和動態變化規律。

1 鋁合金液流斷續特性數值分析

1.1 模型建立及工藝參數分析

假設鋁合金熔體液流為不可壓縮的流體，且液流過程無熱損失。密度為ρ，表面張力為σ，噴嘴內孔為圓形，半徑為D0。以液流軸線為對稱軸建立坐標系，液流方向為z正方向。當對液流施加軸向方波脈沖壓力時，鋁合金液流仍會保持軸對稱狀態，但內部會產生壓力波動。在壓力波動與鋁合金表面張力的作用下，鋁合金液流會產生勁縮、斷續形態，逐漸形成直徑為D的圓球，如圖1所示。

1.2 鋁合金液流熔滴斷續分析

圖2為典型的鋁合金熔體液流沉積形態演變過程。由圖可知，整個過程可分為鋁合金液流擠出、頸部收縮、熔滴成形及沉積鋪展四個階段。在鋁合金液流擠出階段，對熔融鋁合金施加正向壓力，使得坩堝內部壓強迅速上升，熔融鋁合金向下運動，坩堝底部的腔體區域壓強最大，熔融鋁合金通過噴嘴擠出，如圖2（b）所示。在頸部收縮階段，脈沖壓力停止加壓，坩堝內部整體壓力減小，噴嘴處熔體壓力的陡然減小導致鋁合金液流產生局部頸縮。而噴嘴外部的熔體柱則繼續下落，鋁合金熔體形狀初步形成，如圖2（c）所示。第三階段為熔滴成形階段，隨著鋁合金熔體下落及腔體內熔體的回流，噴嘴內鋁合金熔體回流速度逐漸增大。最終，鋁合金熔體脫離空腔內液體，形成獨立鋁合金熔體，斷續過程2（d）所示。鋁合金熔體斷續之后，由于自身表面張力作用，逐漸形成圓球形，如圖2（e-g）。第四階段為鋁合金熔體沉積成形階段，隨著下落進行，在鋁合金粘性的表面張力作用下，鋁合金熔體頭部速度逐漸增大，尾部速度逐漸減小。在整個下落過程中，鋁合金熔體頭部和尾部的速度差逐漸地減小，最終鋁合金熔體達到較為穩定的狀態，成為一個近似圓形的球體，具體如圖2（h）所示。

2 不同工藝參數對熔滴成形實驗驗證

2.1 脈沖壓力P對熔滴成形的影響

鋁合金液流斷續沉積過程中脈沖壓力的選擇與噴嘴直徑、鋁合金熔體與噴嘴材料的潤濕性及熔體加熱溫度等因素有關。當脈沖壓力小時，鋁合金熔體不會從噴嘴擠出，此時必須加大脈沖壓力從而使坩堝內壓力增大，能夠使鋁合金熔體克服表面張力從噴嘴擠出形成熔滴；當脈沖壓力過大時，鋁合金熔體的表面張力不足以克服重力，熔體會直接從噴嘴流出，此時需要施加負壓，即：坩堝中的壓力要小于外界（手套箱）的壓力，才能夠保證鋁合金液流能夠穩定的流出并斷續形成熔滴；熔體溫度對其粘度有較大的影響，如果鋁合金熔體過熱，其粘度就會降低，在較小的脈沖壓力下，鋁合金熔體就會從噴嘴處流出；坩堝、噴嘴材料與鋁合金的潤濕性也是決定熔滴能發成形的關鍵因素之一。實驗條件：脈沖頻率30Hz，噴嘴直徑0.4mm，熔體溫度550K，脈沖壓力對熔滴成形的影響如圖3所示。

從圖3可以看出，脈沖壓力對鋁合金熔體成形有較大的影響。隨著脈沖壓力增大，熔滴直徑顯著增加。這主要是由于隨著脈沖壓力的增加，坩堝內壓力也在增大，從噴嘴處流出的熔體體積增大，熔體的流速增加。

2.2 脈沖頻率f 對熔滴成形的影響

脈沖頻率對制件的成形效率有一定的影響，保持其他實驗條件不變：脈沖壓力0.4MPa，噴嘴直徑0.6mm，熔體溫度550K，不同脈沖頻率對熔滴成形的影響如圖4所示。從圖中可以看出，脈沖頻率對熔滴成形的尺寸沒有明顯的影響。但是過高的脈沖頻率不容易控制，給成形過程提出更高的要求。

3 結論

（1）分析了鋁合金液流受脈沖氣壓斷續為均勻熔滴的行為機理，建立了鋁合金液流控制方程，研究了在微小雜質的干擾下，鋁合金液流易產生偏斜，增大脈沖氣壓減小了鋁合金液流的偏斜角，但僅依靠增大氣壓無法完全消除局部雜質的干擾。通過凈化裝置，原材料去雜，有效防止了雜質對液流偏斜的影響。

（2）鋁合金熔體成形過程主要受噴嘴直徑、脈沖壓力和脈沖頻率的影響，通過改變以上實驗參數可以獲得不同尺寸熔滴，得出：熔滴直徑是噴嘴直徑的1-2倍，增大脈沖氣壓，鋁合金熔體尺寸明顯增大，而脈沖頻率對熔滴成形的尺寸沒有明顯的影響。

參考文獻：

[1]左寒松，李賀軍，齊樂華等.Sn63-Pb37合金微熔滴沉積成形過程中缺陷形成機理研究.稀有鋁合金材料與工程，2013（42）：1596-1600.

[2]徐林峰.均勻液滴液流微制造技術基礎研究[D].西北工業大學， 碩士學位論文，2005：13-16.

[3]楊觀，齊樂華，羅俊，曾祥輝，楊方.均勻液滴液流成形中微熔滴關鍵參數在線檢測系統[J].儀器儀表學報，2009，30（03）：590-595.

項目來源：陜西國防工業職業技術學院院級課題（編號：Gfy17-02）

作者簡介：劉偉（1982-），男，湖北麻城人，碩士，副教授，陜西國防工業職業技術學院機械研究所所長，主要從事機械專業相關領域的教學和科研工作。endprint