成分梯度材料零件的激光選區(qū)熔化成型

劉 鋒，吳偉輝*，楊永強，王 迪，宋長輝

(1.韶關學院 物理與機電工程學院，廣東 韶關 512005；2.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640)

1 引 言

成分梯度材料零件是一種特殊的異質材料零件，即在零件的兩種不同材料之間，通過材料成分呈梯度過渡，實現(xiàn)異種材料之間的連接，能有效克制異種材料之間因性能差異導致材料難以良好結合的情況，同時也能獲得性能上的連續(xù)過渡，因而在航空航天、醫(yī)療器械、仿生器械等領域有著廣闊的應用前景[1]。現(xiàn)有制造成分梯度材料與零件的方法主要包括等離子噴涂法、磁控濺射法、化學氣相沉積法及粉末冶金法等，但對于一些結構復雜的金屬梯度材料零件，仍存在困難[1-3]。由于增材制造技術特別適合復雜結構零件的成型，且成型過程具有自動化程度高及通過逐步添加材料成型的特點，在成分梯度材料零件成型方面具有巨大的應用潛力及良好的發(fā)展前景。

目前，利用增材制造技術成型金屬成分梯度材料零件的研究主要集中在激光凈成型工藝方面[4-7]，但該工藝的成型精度較低、且較難成型高復雜程度的結構。相對多數(shù)金屬增材制造工藝而言，激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting，SLM)技術具有更高的成型精度，更好的復雜結構成型能力，其成型件的力學性能也十分優(yōu)良，僅需拋光等簡單后處理即可投入使用，因而采用該工藝展開梯度材料零件增材制造的應用前景更好[7-11]。國內外對SLM成型梯度材料零件的研究，主要集中在結構梯度零件的設計、成型及組織和機械性能等的分析上[12-15]，僅有少數(shù)學者涉及了多種材料成分逐步梯度過渡的成分梯度材料零件的SLM成型。Demir等[16]針對冶金相容性低的組件焊接困難的問題，利用雙漏斗柔性SLM系統(tǒng)直接成型了Fe/Al-12Si多材料零件，組成成分在垂直方向上實現(xiàn)由Fe向Al-12Si的轉變，并利用55%+45%的混合材料實現(xiàn)了兩者的聯(lián)結，在層與層間僅簡單地通過一種混合成分材料實現(xiàn)了梯度過渡。Wei等[17]采用陣列送粉裝置，結合不同材料逐點沉積方法及真空選擇性清除殘余粉末的方法，實現(xiàn)了成分梯度材料零件的成型。

由于SLM是基于粉末床原理，采用刮板或輥輪以線狀推進方式供給粉末，因此，在成型空間內任意位置按需布置材料是SLM自由成型梯度材料零件的難點之一，已有學者解決了此難題。吳偉輝等[18]提出了柔性清理回收同層內多余的異種材料，再鋪入另一種材料實現(xiàn)異質材料零件成型的方法，并用自主研發(fā)的激光選區(qū)熔化異質材料增材制造系統(tǒng)成型了具有復雜外形及微細材料區(qū)域特征的4340/CuSn10異質材料齒輪零件。Wei等[19]采用特制的SLM系統(tǒng)，利用料缸供應主要粉末316L、粉末分配器用于分配次要粉末In718，通過刮板鋪設主粉末、真空選擇性清除同層內殘余粉末及通過粉末分配器選擇性布入次要粉末的方式，實現(xiàn)了兩種材料在成型空間上的自由布置。

為實現(xiàn)SLM自由制造成分梯度材料零件，還需解決以下兩個難題：(1)需針對梯度材料零件的材料成分特點，研究適合SLM成型的成分梯度材料零件模型數(shù)據(jù)獲取方法；(2)當各層或同層各個區(qū)域內材料成分不同時，需在粉末鋪刮前將粉末按比例均勻混合及供給。目前，這方面僅限于一些裝置及方法的提出[20-21]，尚未涉及具體的實驗研究。本文擬在已有異質材料SLM成型工藝研究基礎上，探討成分梯度材料零件的設計及數(shù)據(jù)處理方法、梯度材料成分的實時混配方法，并采用自主研發(fā)的梯度材料零件SLM成型實驗系統(tǒng)展開實驗驗證，為金屬梯度材料零件的自由增材制造提供一種路徑。

2 成型原理及方法

2.1 零件梯度設計法

成分梯度材料零件不同區(qū)域材料組成成分按一定規(guī)律發(fā)生變化。兩種材料構成的成分梯度材料零件，若其中某一成分體積百分比的變化情況用成分分布函數(shù)表示為f(x)，則另一成分用成分分布函數(shù)表示為1-f(x)。由泰勒定理可知，指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、三角函數(shù)均可利用泰勒公式展開為多項式函數(shù)，因此可用分段多項式函數(shù)作為分布函數(shù)的基本形式，結合梯度源思想[22-23]，將第i種組分的分布函數(shù)表示如下：

(1)

式中：x為某一成分材料距離梯度源的距離，xmin為距離最小值，xmax為距離最大值。

根據(jù)上述成分分布函數(shù)，可將整個成分梯度材料零件的幾何結構分解為有限個幾何子模型的并集，利用幾何子模型各區(qū)域材料的體分比加權平均值作為其材料信息，將它離散化為n個具有材料屬性的子模型的裝配體，用于控制成型。如圖1所示，在采用三維設計軟件進行零件結構設計時，根據(jù)其組成成分的變化，以軸線為梯度源，將三維結構設計成5個子材料三維模型，通過組裝各子材料三維模型，獲得一個完整的成分梯度材料零件的三維模型。

圖1 成分梯度材料零件三維模型設計示意圖

2.2 增材制造數(shù)據(jù)的獲取方法

對成分梯度材料零件的三維模型進行數(shù)據(jù)處理，將梯度材料零件的幾何結構特征與材料特征組合，建立幾何子模型到材料信息空間的映射關系，獲取其增材制造數(shù)據(jù)，如圖2所示。先記錄梯度材料零件三維模型中各子材料三維模型的中心坐標，在切片軟件中打開各子材料三維模型，通過移位使各子材料三維模型的中心坐標與它在梯度材料零件三維模型中的中心坐標一致，完成模型數(shù)據(jù)的移位處理；然后可對各子材料三維模型進行切片處理，獲得各子材料三維模型的CLI(Common Layer Interface)數(shù)據(jù)文件。對CLI文件進行掃描路徑規(guī)劃，并生成激光掃描路徑，每一CLI文件對應生成一組掃描路徑，一組掃描路徑可由m個HPGL (Hewlett-Packard Graphics Language)文件組成(m為對應CLI切片文件的層數(shù))，每個HPGL文件用于描述對應子材料模型一個層片的掃描路徑。

圖2 成分梯度材料零件增材制造數(shù)據(jù)獲取方法

由于零件為梯度材料零件，不同部位材料的組成成分不同，因此，針對所有子材料三維模型創(chuàng)建一個txt格式的材料文件，在該文件中添加以Mat作為起始字符的材料信息，每組掃描路徑對應一行材料信息。采用兩個定量供粉漏斗供給粉末，通過一根帶槽的輥軸的旋轉實現(xiàn)粉末供給，每旋轉一圈，即泄出定量容積的粉末，該定量容積可稱為基礎容積。例如“Mat02 1∶3”，表示02子模型采用的材料成分是由1倍基礎容積的材料A和3倍基礎容積的材料B混合而成。因此，如圖1 中的成分梯度材料零件的材料文件，可先建立5種材料編號：Mat01為100%A，Mat02為75%A+25%B，Mat03為50%A+50%B，Mat04為25%A+75%B，Mat05為100%B。再建立一個Mat.txt的文件，在文件中寫入如下表達：Mat01 4∶0；Mat02 3∶1；Mat03 2∶2；Mat04 1∶3；Mat05 0∶4。

2.3 成型系統(tǒng)結構組成及工作原理

梯度材料零件SLM成型系統(tǒng)是基于粉末實時混配+柔性清掃回收余粉原理，在原有異質材料零件SLM成型系統(tǒng)的基礎上[18，20-21]，增加梯度材料粉末實時混合均布裝置構建而成的，結構原理如圖3所示。混合均布裝置在成型過程中將兩泄粉管下泄的粉末完全混合，并將混合后的粉末均勻分布開來，整理成與鋪粉盒長度一致的粉末束流。

圖3 梯度材料零件SLM成型系統(tǒng)結構原理Fig.3 Schematic diagram of selective laser melting manufacturing system for gradient material parts

粉末實時混合均布裝置主要由混均粉斗、兩個擺動電機和兩個微型振動電機組成，如圖4所示。擺動電機1和擺動電機2可分別驅動混均粉斗繞兩電機輸出軸的中心線擺動以實現(xiàn)粉末混合，擺動角度在相對水平面為±5°～±60°內選取，擺動時間根據(jù)需要在程序中設定；在混均粉斗分別繞兩電機輸出軸中心線擺動的同時，微型振動電機對斗中的粉末進行振動，減少粉末在斗內器壁上的黏附；實現(xiàn)粉末充分混合后，還需要將混均粉斗內的粉末整理成與鋪粉刮板長度相匹配的流束：可使斗的位置在沿擺動電機2的軸向方向上保持水平，然后通過擺動電機2繞該電機軸中心線反復擺動，并同時開動微型振動電機。混合粉末在重力、往復擺動沖擊力及微型振動電機的微細振動力的聯(lián)合作用下，上層球形粉末顆粒插入到下層球形顆粒的間隙中，下層球形粉末顆粒在相互擠壓中逐步向粉斗兩側流淌，實現(xiàn)粉末在混均粉斗中按長度均布，當混均粉斗的長度不小于鋪粉刮板的長度時，則可使粉末流束的長度不小于鋪粉刮板的長度。均粉后，擺動電機2驅動混均粉斗先向下翻轉180°，使粉末落入正下方的鋪粉盒中，然后向上翻轉180°回到初始位置，為下一個粉末實時混配循環(huán)做準備。

圖4 粉末實時混合均布裝置(拆去氣密外罩)Fig.4 Real time powder mixing and distributing device (Removing the airtight cover)

如圖3所示，鋪粉盒及其兩側的柔性刮板組成柔性清掃回收裝置，圖中鋪粉盒左側的高位柔性刮板用于粉末的鋪設，右側的低位柔性刮板用于粉末的清掃回收。柔性刮板由多根具有彈性的絲材夾持制成，如圖5所示，如同掃帚可將地面上的粉塵清掃干凈而不會帶走固定在地面上凸起的石頭一樣，低位柔性刮板可將某層內多余的粉末清掃并回收而不會影響已成型的實體[18]。

圖5 柔性刮板清除回收粉末原理Fig.5 Schematic diagram of powder recovering by flexible scraper

成型梯度材料零件時，首先根據(jù)成分梯度材料零件增材制造數(shù)據(jù)的獲取方法設計三維模型、處理數(shù)據(jù)，獲得增材制造數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)導入成型系統(tǒng)，用于控制成型缸下降、清粉、供粉、激光束掃描等操作。成型過程如下：

(1)設置相關成型參數(shù)，準備成型。

(2)成型平臺下降一個層厚，準備鋪粉。

(3)讀取某組路徑數(shù)據(jù)在當前層的掃描路徑信息。

(4)打開Mat.txt，查找該組路徑數(shù)據(jù)對應的Mat編號，并讀取對應的材料配比信息。

(5)兩個定量漏斗按配比下泄定量粉末材料至粉末實時混合均布裝置的混均粉斗中，若為單材料，則擺動電機2翻轉將粉末倒至鋪粉盒中；若為混合成分材料，則充分完成粉末混合均布操作后將粉末倒至鋪粉盒中。

(6)鋪粉盒載著按需配置好的粉末材料向右移動，高位柔性刮板將粉末平鋪到成型平臺上。

(7)激光束根據(jù)該組路徑數(shù)據(jù)在當前層的掃描路徑選擇性地熔化金屬粉末，執(zhí)行SLM成型。

(8)若同層內存在梯度材料區(qū)域，鋪粉盒返回，低位柔性刮板將當前層內多余粉末清除干凈。每次鋪粉前，低位柔性刮板對成型平臺完成指定次數(shù)的清掃動作，以達到完全清除剩余粉末、防止粉末污染的目的。

(9)重復步驟(3)～(8)，直至完成梯度材料零件當前層的成型。

(10)轉至步驟(2)，循環(huán)執(zhí)行步驟(2)～(9)，直至完成整個梯度材料零件的SLM成型。

3 實驗及結果分析

3.1 實驗設備與材料

實驗設備為自主研發(fā)的梯度材料零件SLM成型系統(tǒng)。該系統(tǒng)配置了200 W連續(xù)式光纖激光器、粉末實時混合均布裝置、柔性清掃回收裝置、成型缸及2個定量供粉漏斗。激光器的光束質量因子M2≤1.3、波長為1 075 nm，最大成型尺寸為80 mm×80 mm× 80 mm，鋪粉厚度可設置范圍是10～100 μm。

實驗采用尺寸為50 mm×50 mm、厚度為5 mm的304不銹鋼板作為基板。實驗粉末材料為經(jīng)磁選法反復分離提純的4340鋼粉末(國產牌號40CrNi2 Mo)和CuSn10銅合金粉末，分別置于兩個定量漏斗中，粉末粒徑均為15～53 μm，球形，4340粉末呈銀灰色，CuSn10粉末呈金黃色。實驗成型過程中，保護氣體采用體積分數(shù)為99.98%的氬氣。實驗后，對照零件照片并結合體視顯微分析及能譜儀成分分析(EDS，設備型號：蔡司EVO18，布魯克Xflash 6130)，獲得梯度材料零件成型的形貌及成分信息。

3.2 實驗數(shù)據(jù)

為方便觀察本方法對不同層之間、同層中不同區(qū)域間材料同時呈梯度變化的復雜梯度材料零件的成型能力，采用零件梯度設計法，設計了如圖6所示的梯度材料零件的三維模型。零件最內部是尺寸為3 mm×1.5 mm×1.5 mm的長方體基體，材料為100%的4340，零件整體尺寸為8 mm×4 mm×4 mm的長方體，最外層半殼體區(qū)域材料為100%的CuSn10，中間利用3個厚度為0.5 mm的梯度區(qū)域實現(xiàn)兩種材料之間的過渡。零件自內向外，4340合金鋼的含量呈梯度減少，CuSn10的含量呈梯度增加。

圖6 梯度材料零件的結構組成Fig.6 Structure and composition of gradient material part

按上述方法，根據(jù)零件在三維模型中的位置對各子材料三維模型進行移位、分層切片，并進行掃描路徑規(guī)劃后，獲得5組子材料模型路徑數(shù)據(jù)，由內至外分別為01組路徑、02組路徑、03組路徑、04組路徑、05組路徑，設置切片數(shù)據(jù)層厚30 μm，總層數(shù)為133層。

建立Mat.txt文件存儲材料信息，如上所述，可在文件中通過五行信息建立5種材料：Mat01 4∶0；Mat02 3∶1；Mat03 2∶2；Mat04 1∶3；Mat05 0∶4。將5組路徑數(shù)據(jù)及Mat.txt材料文件導入梯度材料零件SLM成型機指定的文件夾中，獲得完整的增材制造數(shù)據(jù)，用于控制成型操作。

3.3 成型參數(shù)

實驗開始前，在梯度材料零件SLM成型系統(tǒng)中設置實驗相關參數(shù)如表1所示。

表1 梯度材料零件SLM實驗成型參數(shù)Tab.1 Experimental process parameters of gradient material part fabricated by SLM

3.4 實驗結果分析

對成型的梯度材料零件進行拍照，獲得的成型件照片如圖7所示(彩圖見期刊電子版)，發(fā)現(xiàn)其材料分布基本與圖6的模型圖相一致：其左、右側面均為CuSn10外殼層，呈金黃色；上表面最內部為4340基體區(qū)域，因表面略微氧化呈明顯的深灰色，由第3梯度到第1梯度，隨著4340成分逐漸減少、CuSn10成分逐漸增加，暗灰色逐漸變淡，直至最外層純CuSn10區(qū)域可見明顯的金黃色；前側面也表現(xiàn)了類似的顏色梯度變化。

從圖7中所標記的前側面進行磨制拋光，腐蝕后用體視電子顯微鏡對零件進行拍照后得到圖8。由圖8可知，所成型的零件前側面明顯呈現(xiàn)出A，B，C，D，E共5個不同的材料區(qū)域，各材料區(qū)域都具有完全冶金組織，基本沒有明顯的孔洞，成型質量較好。E區(qū)域長為3 mm，高為1.5 mm；在豎直方向和水平方向，A區(qū)域寬度為1 mm，B，C，D區(qū)域寬度均為0.5 mm，梯度區(qū)域尺寸與原始設計模型的尺寸基本一致。

圖7 梯度材料零件Fig.7 Gradient material part

圖8 梯度材料零件剖面顯微照片(腐蝕后)Fig.8 Profile micrograph of gradient material part(after corrosion)

由于4340粉末對激光的吸收率高于CuSn10粉末，在成型過程中4340粉末吸收更大的激光能量而產生飛濺，繼而引發(fā)材料損失，導致上表面4340基體區(qū)域發(fā)生較明顯的凹陷。由于清粉用的低位柔性刮板底平面與鋪粉用的高位柔性刮板底平面距離設置為1 mm，盡管存在中間的4340基體區(qū)域凹陷，但如圖8所示，凹陷深度不超過0.18 mm，通過柔性刮板多次往復清除粉末，基本可以清除干凈粉末。早前的研究也表明[18]，4340基體區(qū)域的凹陷對兩個材料區(qū)域內的材料純度影響甚微。為分析梯度過渡區(qū)域的材料成分情況，對B，C，D 3個成分梯度區(qū)域進行成分檢測。在每個區(qū)域內3個不同位置拾取0.05 mm×0.05 mm的微區(qū)域進行EDS分析，將同一區(qū)域的3個微區(qū)數(shù)據(jù)元素成分取平均值，并與所用的CuSn10粉末及4340粉末成分(通過XRF分析得到，設備型號：日本理學PrimusⅡ)進行對比，可得各成分梯度區(qū)域元素含量的變化柱狀圖，如圖9所示。

Range BRange CRange DCuSn104340Cu77.5548.6827.9986.500.08Sn8.755.573.1912.400.01Fe4.9436.4959.160.0594.90C5.935.064.850.580.61Al0.730.600.100.010.01Mo1.081.011.150.000.34P0.500.410.430.100.00Ni0.310.721.030.061.71O0.080.230.000.240.31Cr0.050.190.300.030.90Si0.040.090.220.030.25Mn0.040.941.580.010.85

由于CuSn10材料的主要成分為Cu元素及Sn元素，4340材料中的主要成分為Fe元素，根據(jù)圖9對3個成分梯度區(qū)域的主要元素進行分析統(tǒng)計，B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)Cu元素和Sn元素的平均質量百分含量之和分別為86.3%，54.25%，31.18%，F(xiàn)e的平均質量百分含量分別為4.94%，36.49%，59.16%。由此可見，3個區(qū)域的CuSn10成分的含量逐漸減少，4340成分的含量逐漸增加，實現(xiàn)了材料組成成分的梯度變化。原始設計模型中B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)CuSn10的體積百分比分別為75%，50%，25%，由于CuSn10的密度略大于4340的密度，實驗數(shù)據(jù)中CuSn10的質量百分含量會比體積百分含量偏高，但仍然存在微小誤差。這主要是因為4340粉末的流動性低于CuSn10粉末的流動性，當兩個漏斗泄粉時，供應CuSn10粉末的漏斗供粉輥軸上的拾粉槽拾得的粉末量往往比供應4340粉末的漏斗供粉輥軸上的拾粉槽拾得的粉末量更為密實；另外，當供應4340粉末拾粉槽的粉末下落時，拾粉槽內也容易發(fā)生粉末黏附，導致在拾粉槽的邊角處有部分粉末殘留，無法下泄至鋪粉盒內。下一步可對實驗設備進行優(yōu)化設計，減小誤差。

Gradient 1Gradient 2Gradient 3CuSn104340Cu70.4546.0634.7586.500.08Sn8.055.453.9512.400.01Fe12.8841.0053.590.0594.90C4.563.763.620.580.61Al1.540.440.270.010.01Mo0.580.550.550.000.34P0.280.220.190.100.00Ni0.480.861.010.061.71O0.810.460.410.240.31Cr0.090.200.300.030.90Si0.050.080.130.030.25Mn0.230.931.230.010.85

為進一步驗證同一層不同區(qū)域的材料成分變化情況，同樣對如圖7所示的上表面進行磨制拋光，結合設計模型中梯度區(qū)域的尺寸數(shù)據(jù)，同理在3個梯度區(qū)域分別隨機取3個0.05 mm×0.05 mm的微區(qū)進行EDS分析，分析結果如圖10所示。同理，根據(jù)圖10對3個成分梯度區(qū)域的主要元素進行分析統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)其Cu元素和Sn元素的平均質量百分含量之和分別為78.5%，51.51%，38.7%，F(xiàn)e的平均質量百分含量分別為12.88%，41%，53.59%。實驗結果表明，由第1梯度到第3梯度，4340合金鋼的主要元素Fe的百分含量呈梯度增加，CuSn10的主要元素Cu和Sn呈梯度減少。

綜上可知，本實驗成型的梯度材料零件與設計的三維模型相符，在零件的不同層之間、同一層不同區(qū)域均實現(xiàn)了成分梯度過渡。

4 結 論

本文針對成分梯度材料零件的特點，探討成分梯度材料零件的三維模型設計及數(shù)據(jù)處理方法、不同成分梯度材料的實時混配方法，并采用4340+ CuSn10粉末展開梯度材料零件的成型實驗驗證。實驗設計的4340+CuSn10梯度材料零件，由內向外經(jīng)過4340+CuSn10(體積比為3∶1)、4340+CuSn10(體積比為1∶1)、4340+CuSn10(體積比為1∶3) 3個梯度變化，材料由4340轉變成CuSn10。實驗獲得的梯度材料零件顏色上顯示明顯的梯度過渡，對其前側面及上表面進行EDS分析，發(fā)現(xiàn)中間三個梯度區(qū)域Fe的平均質量百分比在垂直方向分別為4.94%，36.49%，59.16%，在水平方向分別為12.88%，41%，53.59%。結果表明：采用零件梯度設計法，結合多組路徑數(shù)據(jù)及一個txt材料文件，實現(xiàn)了成分梯度材料零件增材制造數(shù)據(jù)的獲取；通過基于雙軸擺動的粉末實時混合均布裝置實現(xiàn)了梯度成分粉末的實時混配；按該方法成型的梯度材料零件能在不同層之間、同一層不同區(qū)域間同時實現(xiàn)材料組成成分的梯度過渡。