金屬粉末激光燒結成型工藝研究

尤磊　王思豪　李道益　范浩浩　姜世杭

摘 要：通過對雙組份Ni-CuP混合粉末進行激光燒結試驗，研究了激光功率、掃描速度和鋪粉厚度對燒結效果的影響。通過實驗可以得出：在本試驗條件下，當激光功率為60W、掃描速度為1 500mm/min、鋪粉厚度為0.3mm時可獲得較好的燒結效果。

關鍵詞：金屬粉末;激光燒結;激光功率;掃描速度

中圖分類號：TG665;TF124.5文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）26-0068-02

隨著快速成型技術（RP）的發展，出現了成型件只需簡單表面處理或不需后續處理就可用于實際生產中的金屬零件加工方法[1，2]。選擇性激光燒結技術是RP技術中最前沿、最具潛力的技術，是先進制造技術的重要發展方向[3]。直接金屬粉末燒結（DMLS）可通過單步工藝直接實現復雜零件的快速成型，具有工藝周期短、省時、經濟的特點。隨著研究的深入和工藝的發展完善，DMLS在金屬選擇性激光燒結中所占比重逐漸上升。本文研究激光功率、掃描速度對燒結效果的影響，得出理想的燒結工藝參數。

1 試驗材料及方法

試驗所用的材料為純Ni和CuP的混合粉末，配比為62∶38。燒結所用激光器為LCY300數控CO2激光器，其平均輸出功率為300W。

2 試驗結果和分析

圖1為不同工藝下的激光燒結試樣。圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）和圖1（d）為燒結較好的試樣，圖1（e）、圖1（f）、圖1（g）和圖1（h）為燒結中出現翹曲變形、粉末飛離等現象的試樣。

2.1 激光功率的影響

激光功率為120W時，試樣翹曲較為嚴重;激光功率為80W時，燒結試樣略微翹曲;激光功率為60W時，燒結結效果較好;激光功率為40W時，燒結效果又變差。

燒結一定厚度的體件需要經過多層鋪粉，在掃描速度和粉末配比一定的情況下，若激光功率過小，由于粉末熔融厚度小，會使前后兩燒結層之間不能很好地熔合，甚至引起燒結體產生分層;增大激光功率有利于生成足夠的液相及液體的流動和鋪展，提高固相顆粒間的黏結性，使前后兩燒結層之間熔合，但若功率過大，使熔融溫度過高，粉層產生的收縮過大，就會影響燒結體的精度，甚至使其出現翹曲變形和開裂現象。適當地選擇激光功率，既可以保證層與層之間連接好，又可以使燒結體收縮，且變形小。

2.2 掃描速度的影響

掃描速度為2 500mm/min時，燒結試樣未能成形;掃描速度為2 000mm/min時，燒結試樣有邊緣飛濺現象;掃描速度為1 500mm/min時，燒結效果較好;掃描速度為1 000mm/min時，燒結試樣翹曲、表面球化。

在燒結成形過程中，掃描速度過快會使粉末在燒結過程中出現飛濺現象，使粉末飛離燒結區，燒結體層與層之間不能很好地熔合。掃描速度過慢，則可能造成燒結體收縮變形甚至開裂。只有在合理的掃描速度下，才能使燒結體層與層之間熔合好，收縮變形也小[4，5]。

2.3 鋪粉厚度的影響

激光燒結過程中，激光光能轉化為熱能，其中一部分在粉末表面散失，另一部分則進入粉末內部[6]。在內部傳熱方式上，因為粉層一般是疏松狀態，故考慮孔隙中的氣相和固相顆粒之間的傳熱、顆粒間的傳熱。在燒結的起始階段，粉末間的空隙率較高，粉末顆粒呈點接觸狀態。隨著液相燒結的進行，顆粒間形成燒結頸，顆粒變成面接觸，使粉末導熱率顯著提高。但是，激光能量在向粉末內部傳導的過程中會迅速衰減，若粉層厚度太大，激光能量還未到達底部就損失掉了。

鋪粉厚度為0.3mm時，可獲得較好的燒結效果;鋪粉厚度大于0.5mm時，燒結件易出現開裂和翹曲現象。在進行第一層燒結時，熔融液體凝固后密度增大，體積收縮。由于原來粉末層較厚，在凝固冷卻的過程中，同一層上下部會存在一定的溫度梯度，使同一燒結層內的收縮不均勻，產生熱應力引起變形。進行第二層燒結時，除了產生本層收縮不均勻變形外，同時由于和前一層之間的熱應力，使得變形加劇，產生明顯的翹曲現象，甚至出現裂紋。

顧冬冬和沈以赴[7]認為，雙（多）組分金屬粉末激光燒結機制主要是液相生成和固相顆粒重排對燒結致密化起決定作用。試驗所用金屬粉由高熔點Ni粉和低熔點CuP粉混合構成。在燒結過程中，激光束是持續移動的，因此，激光束輻照在區域粉末上的時間極其短暫，Ni粉由于熔點較高，不易完全熔化而能保留作為其硬質核心;而CuP粉熔點低，易全部成為液相在表面張力作用下填充到Ni金屬粉末顆粒間的孔隙中而起黏結作用。同時，由于Ni和Cu之間能形成無限固溶體，被液相Cu包覆并潤濕的金屬Ni顆粒在液相毛細管力作用下，固相顆粒發生重排，從而使燒結致密度提高。

3 結語

本文研究并討論了激光功率、掃描速度、鋪粉厚度對粉末成型的影響，得出：激光功率過小、掃描速度過快，燒結層之間不能很好地熔合;若功率過大、掃描速度過慢，燒結體會產生翹曲變形甚至開裂。在本試驗條件下，當激光功率為60W、掃描速度為1 500mm/min、鋪粉厚度為0.3mm時可獲得較好的燒結效果。

參考文獻：

[1]楊永強，劉洋，宋長輝.金屬零件3D打印技術現狀及研究發展[J].機電工程技術，2013（4）：1-8.

[2]胡孝昀，沈以赴，李子全，等.金屬粉末激光快速成型的工藝及材料成型[J].材料科學與工藝，2008（3）：378-383.

[3]劉艷，李宗義，張曉剛.基于金屬粉末激光燒結技術的研究進展[J].工具技術，2017（7）：7-11.

[4]鄧琦林，方建成.選擇激光燒結粉末的參數分析[J].制造技術與機床，1997（10）：26-29，53.

[5]崔益軍，姜世杭，張劍峰.直接金屬粉末激光燒結試驗研究[J].農業裝備技術，2007（6）：21-23.

[6]沈以赴，顧冬冬，王蕾，等.多組分銅基金屬粉末選擇性激光燒結成形的工藝研究[J].鑄造，2005（7）：659-664.

[7]顧冬冬，沈以赴，潘琰峰，等.直接金屬粉末激光燒結成形機制的研究[J].材料工程，2004（5）：42-48.