金屬零部件加工中融合3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究

雷 佩，王靜靜

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002）

3D打印技術(shù)基于快速噴涂成型生產(chǎn)的基本原理。它是通過添加金屬粉末，結(jié)合高密度和高能量的激光束作為加熱源，使用3D數(shù)字CAD模型作為3D而形成的。尺寸成型框架，并根據(jù)程序預(yù)先形成運(yùn)動(dòng)軌跡。具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和優(yōu)良特性的金屬零件。

在對(duì)多層打印金屬零部件微觀表征的過程中發(fā)現(xiàn)，縱向梯度隨著層數(shù)逐漸增加，柱狀晶粗化明顯，組織沿縱向梯度方向嚴(yán)重不均勻，氣孔、孔洞、夾雜等缺陷的數(shù)量也大幅增加的問題。對(duì)下部、中部、上部不同空間位置進(jìn)行多數(shù)量等比例拉伸試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)縱向梯度強(qiáng)度和塑性嚴(yán)重不均勻的問題，為了解決這些問題，獲得整體組織和性能均勻的激光3D打印金屬零部件，本文提出了金屬零部件加工中的融合3D打印技術(shù)應(yīng)用研究[1]。根據(jù)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)功率降低的加工方案，減少3D打印過程中的熱積聚效應(yīng)，使打印的金屬零件更加均勻，進(jìn)一步提高金屬零件的性能。并建立動(dòng)態(tài)三維瞬態(tài)溫度場仿真模型，對(duì)其進(jìn)行了仿真模擬，加以驗(yàn)證。

1 金屬零部件加工中的融合3D打印設(shè)備及操作流程

試驗(yàn)采用3D打印設(shè)備系統(tǒng)，其發(fā)出的激光波長為1060nm，外部光路的激光傳導(dǎo)為1000nm光纖，它隨后連接到激光3D打印頭上，金屬粉末通過粉末進(jìn)料器進(jìn)料。采用西門子數(shù)控系統(tǒng)控制的三軸數(shù)控機(jī)床作為工作平臺(tái)。配備了惰性氣體保護(hù)手套箱，恒溫循環(huán)水冷卻，銅基板和Ar氣流系統(tǒng)。具體參數(shù)如表1所示。

表1 光纖激光儀器主要參數(shù)

其中3D打印設(shè)備的操作步驟如下。

（1）在此之前在粉末進(jìn)料器中進(jìn)行測試時(shí)，地方Incone1625金屬粉末，粉末進(jìn)料器來調(diào)節(jié)速度，以使粉末進(jìn)料速率為18克/分鐘。最終目標(biāo)-以提供均勻的發(fā)送合金粉末，不會(huì)與激光束的光輸出以及確保電流粉末和激光束的會(huì)聚效果干擾。

（2）將干燥后的20G基板通過轉(zhuǎn)移室，放在帶有恒溫銅基板的工作臺(tái)上，置于惰性氣體保護(hù)的手套箱中，然后將導(dǎo)熱膠均勻涂抹在20G基板與水的接觸面上——冷卻銅板，最終目標(biāo)是保持3D激光打印過程具有良好的成型效果。

（3）將激光頭與20G基板的距離調(diào)整15mm，使激光束和來自同軸四路氫粉供應(yīng)線的粉末流有良好的會(huì)聚效果。

（4）最后，將預(yù)先設(shè)計(jì)好的CNCNumericG代碼加載到CNC系統(tǒng)中，打印路徑將平行并在同一方向。然后可以在控制面板上調(diào)整需要更改的測試參數(shù)，包括激光輸出功率、掃描速度等，檢查各項(xiàng)指標(biāo)是否工作，符合標(biāo)準(zhǔn)后運(yùn)行測試。

（5）完成測試后，讓樣品冷卻，按數(shù)字順序取出打印的樣品，然后進(jìn)行系統(tǒng)的檢查和分析。

2 金屬零部件加工中的融合3D打印瞬態(tài)溫度場建模

加工金屬零件時(shí)的Fusion3D打印過程是一個(gè)復(fù)雜的過程。這些微觀機(jī)制相互影響，在技術(shù)設(shè)備中無法用肉眼準(zhǔn)確檢測和分析。在加工金屬零件時(shí)，僅僅依靠測試方法來分析不同因素之間的相互作用，需要進(jìn)行大量的測試才能得到薄壁加工的最佳工藝和參數(shù)，這不可避免地人力物力受到損失，一個(gè)簡單的測試過程無法定量揭示演化規(guī)律和微觀結(jié)構(gòu)變化的機(jī)制。建模方法允許對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行可視化、三維和動(dòng)態(tài)顯示，例如顯示非定常溫度場的演變等。

根據(jù)這一需求設(shè)計(jì)了逐層數(shù)功率遞減的實(shí)驗(yàn)方案，這一方案是一個(gè)自適應(yīng)靈活的分析方法，逐層數(shù)遞減是指施加功率值可以從剛開始2200 W，逐單層0 W~30 W遞減，或者逐層甚至三層OW~30W遞減一直到所需的層數(shù)，使得梯度方向最大程度獲得低的熱輸入量而獲得更優(yōu)異的性能和組織大尺寸30層金屬零部件。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)可變的過程，成形件的組織均勻性和性能均勻性得到提升。

建立模型，進(jìn)行打印，得到的成形件，可以發(fā)現(xiàn)30層20W逐層遞減的試樣打印同向，長度80mm，高度17mm，寬度3mm，表面成形連續(xù)且平整、有明顯的金屬光澤、垂直度良好、無宏觀氣孔和夾雜、無裂紋缺陷，可以發(fā)現(xiàn)每一層之間以及打印層和基體界面處熔合良好，而30層30W逐層遞減的試樣打印同向，長度80mm，高度17mm，寬度3mm~1.5mm漸變，會(huì)發(fā)現(xiàn)有明顯的上薄下粗的現(xiàn)象，主要是由于熱輸入明顯降低的緣故且試樣的表面粗糙度比前者要低。

2.1 工藝優(yōu)化后的金屬零部件組織結(jié)構(gòu)

激光3D打印金屬零部件過程中，隨著打印層數(shù)的增加，激光束熱源對(duì)打印層和基體層持續(xù)熱輸入，此時(shí)散熱條件也會(huì)降低，導(dǎo)致打印件整體的溫度急劇上升，同時(shí)每打印一層的成形過程會(huì)對(duì)該層的前幾層產(chǎn)生加熱效應(yīng)造成熱影響，導(dǎo)致晶粒尺寸沿縱向梯度的不均勻。逐層20W熱輸入遞減的試樣要比逐層30W遞減的試樣組織更加均勻，晶粒分布更加彌散，尺寸相對(duì)大小差別更小，這有效說明新加工方案的思路有助于金屬零部件均勻組織的形成。

圖1 為激光3D打印工藝優(yōu)化后金屬零部件不同梯度位置組織的三維形貌。從圖中可以發(fā)現(xiàn)2套加工方案的壁件顯微組織是均勻的、致密的。但液相的高度可能會(huì)超過一個(gè)打印層的厚度，當(dāng)激光束光源掃描到合金粉末上時(shí)，激光功率合適且夠大和掃描速度是在進(jìn)行統(tǒng)一量綱后優(yōu)化過的。

圖1 工藝優(yōu)化INCONEL62s金屬零部件不同梯度位置的三維組織形貌

從圖中不難看出，橫截面上生長大多為細(xì)而長的柱狀晶，之后在逐層打印，過程中激光掃描組織中的枝晶晶粒生長方向，也可得知激光3D打印金屬零部件的過程，其中重要的溫度梯度是垂直向下的，是因?yàn)榧す馐鏌嵩丛谥鸩綊呙瑁瑹嵩辞安康臏囟忍荻戎荡笥跓嵩春蟛康臏囟忍荻戎担蓤D可以直觀看出金屬零部件不同區(qū)域的組織區(qū)別明顯減小，20W逐層遞減的下部組織與上部的柱狀晶組織尺寸基本相當(dāng)有嚴(yán)格的外延生長特點(diǎn)，相比30W逐層遞減的下部和上部值要更為粗大一些，同時(shí)30W逐層遞試樣的下部和上部柱狀晶也表現(xiàn)出更加均勻的特性。

綜上述3D打印制造金屬零部件的結(jié)構(gòu)組織更加均勻的20W金屬零部件進(jìn)行eDS面掃后發(fā)現(xiàn)，其主要以固溶體為主，在柱狀晶與樹枝晶間存在一定數(shù)量且不規(guī)則分布的Laves相。利用能譜對(duì)20W逐層遞減試樣的微觀組織進(jìn)一步分析。從eDS形貌分布中發(fā)現(xiàn)，試件主要有兩種不同的析出相，一種是基體固溶體，另一種是不規(guī)則形狀以及不規(guī)則分布的析出相數(shù)量較多，在壁件整體中呈現(xiàn)彌散分布。

可以得出看出隨著試樣高度的不斷增加，熱量的不斷積累，冷卻速度不斷降低，柱狀晶的枝晶之間的距離在逐漸地?cái)U(kuò)大。在試樣的中上部，相鄰枝晶間的二次枝晶發(fā)生相互交錯(cuò)使得析出相的縮小。

2.2 工藝優(yōu)化后金屬零部件性能

本文研究了3D打印金屬零部件從單道到薄壁成形過程，分析了單道打印的最佳工藝參數(shù)，利用該最佳工藝參數(shù)進(jìn)行大尺寸成形件打印，針對(duì)不同高度位置枝晶的形貌和性能表現(xiàn)出的不均勻性和不一致性，針對(duì)該問題并提出了調(diào)控?zé)彷斎氲姆桨浮?/p>

金屬零部件3D打印的加工技術(shù)，進(jìn)行了10層、20層、30層的打印。其微觀組織主要以柱狀樹枝晶為主，且枝晶晶粒生長方向與激光束掃描方向近似垂直定向外延生長。

建立了3D打印金屬零部件的溫度場模型，模擬了其形成過程中三維瞬態(tài)溫度場的變化過程，并對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)從第五打印層之后各分析步的中心點(diǎn)峰值溫度基本上相等隨后開始下降，同時(shí)溫度熱循環(huán)輪廓相似，從各打印層的各個(gè)分析步特征點(diǎn)計(jì)算所輸出的熱循環(huán)曲線大體可以看出，3D打印過程是一個(gè)快速加熱冷卻的過程，后打印層各分析步中心點(diǎn)的峰值均比前一打印層各分析步要高，但是這種增幅度會(huì)越來越小。

隨著打印過程的進(jìn)行，打印樣件會(huì)產(chǎn)生熱積累。為此設(shè)計(jì)了逐層降低熱輸入30 W和20 W方案。逐層20 W熱輸入遞減的試樣要比逐層30W遞減的試樣組織更加均勻。對(duì)20 W遞減的金屬零部件進(jìn)行eDS面掃描后發(fā)現(xiàn)，其主要以固溶體為主，在柱狀晶與樹枝晶間存在一定數(shù)量且不規(guī)則分布的Laves相，數(shù)量較多，在金屬零部件整體中呈現(xiàn)彌散分布。30 W逐層遞減的30層金屬零部件相比20 W逐層遞減30層試樣和同功率打印的30層試樣在高度方向表現(xiàn)出更加均勻的拉伸強(qiáng)度和塑性，強(qiáng)度在700 MPa左右，塑性延伸率60%左右。

綜上所述，金屬零部件加工中的融合3D打印技術(shù)制造出來的金屬零部件相比較于傳統(tǒng)方法，金屬零部件更加均勻，金屬零部件性能也得到了進(jìn)一步提升。

3 結(jié)語

本文主要針對(duì)金屬零部件加工中的融合3D打印技術(shù)研究，仿真模擬分析探討了不同工藝參數(shù)對(duì)3D成形金屬零部件組織和性能均勻性獲得的影響規(guī)律。利用逐層降低熱輸入的方法雖然在一定程度上可以提升一個(gè)參數(shù)打到底的大尺寸金屬零件的組織均勻性和性能均勻性，但是在成形過程中各個(gè)工藝參數(shù)如保護(hù)氣流速，粉末顆粒匯聚程度等定量準(zhǔn)確地合理匹配過程需要進(jìn)一步分析研究，使得方案更加精細(xì)化。雖然取得了一定的進(jìn)展，但還有很多更詳細(xì)的問題需要進(jìn)一步系統(tǒng)研究和解決。