實時混粉梯度材料SLM成型系統構建與實驗

吳偉輝，馬耿雄，王 迪,馬旭元，劉林青

(1.韶關學院 智能工程學院， 韶關 512005；2.華南理工大學 機械與汽車工程學院， 廣州 510640)

引 言

梯度材料是一種特殊的異質材料，是由一種成分、組織或相(或組元)逐漸向另一成分、組織或相(或組元)過渡的材料[1-2]。其通過材料成分或結構的梯度變化，獲得更好的結合強度及材料性能的漸變過渡[3-4]，因此，在航天航空、生物醫學、核工業等領域具有良好應用前景[4-5]。

增材制造技術通過逐層添加材料制造零件[6]。激光選區熔化(selective laser melting，SLM)增材制造工藝，具有成型精度高、能成型更復雜結構的優點，特別適合于近終端金屬零件的制造[7]。

但是，由于SLM工藝采用粉末床類增材制造原理[8-9]，即成型過程中，每打印一層，總是先供應一個層厚的粉末，再通過選擇性熔化粉層實現成型,如此逐層堆積成型，最終獲得增材制造零件。因此，受制于其鋪粉原理，難以在成型過程中按需自由布置所需的不同種類材料，獲得異質材料零件[10]。為在SLM成型過程中獲得梯度材料，需解決兩個問題，即如何根據3維模型材料的空間位置按需自由布置異質材料，以及如何提供不同配比的梯度材料成分粉末。

在SLM成型過程鋪入異質材料的方法研究方面，當前已發展的主要工藝方法包括：(1)在鋪粉裝置上沿鋪粉刮板平行方向布置多個供粉漏斗，并排供粉，獲得水平異質材料零件；或在不同層間采用不同漏斗供粉，獲得垂直異質材料零件，這兩種異質材料供給方式，不涉及移除每層成型后多余的異質粉末材料，僅能制作材料界面為簡單直線形的梯度材料零件，或層與層間具有梯度成分的零件，還不能實現在零件任意部位自由按需布置梯度材料[11-13];(2)每成型完一個材料區域，都采用真空吸除成型缸內所有粉末，然后鋪入另一種粉末，例如MA等人[14]提出了成型一個材料區域后采用真空吸附回收成型缸內粉末，再送入另一種粉末，接著成型同層內另一材料區域的方法。理論上可在 SLM成型過程中，在同層內實現異質粉末材料按需預置，但當前的研究僅涉及數值仿真及系統構建，尚未展開具體的工藝實驗研究[15];(3)通過真空吸管吸除上一成型層內多余粉末，再通過超聲波送粉噴嘴送入另一種粉末。這是曼徹斯特大學的學者[16-17]研制出的一種結合粉床鋪設、真空吸管選區除粉和超聲波噴嘴按點送粉的 SLM 系統，可實現異質材料在不同層間或同層內不同區域的自由布置，但是，按點粉末輸送是通過超聲波噴嘴實現的，因此，按點粉末輸送出的粉末因未經刮板或輥軸擠壓布置得較為松散，在激光熔凝過程中易出現裂紋和孔隙，且超聲波噴嘴送粉技術難度大、鋪粉效率亦不高;(4)利用多漏斗供粉+柔性清掃回收粉末原理實現SLM成型過程的異質材料粉末鋪設，該方法在切換不同材料前，先采用柔性刮板，將一層左右厚度的粉末掃除，再鋪入另一種粉末；這種方案具有簡單易實現的優點，作者的團隊[18]據此方案研制了異質材料零件SLM增材制造系統，并成功實現了異質材料零件SLM增材制造。

不同配比的梯度材料成分粉末可預先混合好，再在成型前裝入SLM載粉裝置(梯度材料SLM成型工藝一般采用漏斗)備用，這也是目前多數梯度材料SLM成型工藝采用的梯度材料成分粉末供給方案[11-13,19]，具有混合均勻性好、節省制造時間的特點。但因為梯度材料零件模型設計好后，在成型前，需要耗費較長時間準備好多種相應配比的預混合粉末，所以想要隨意更變零件梯度材料成分設計十分困難；同時，為獲得材料成分漸變過渡效果，通常需要4個漏斗以上，并且梯度材料成分漸變過渡越緩慢，需要按比例預混合好的粉末種類數及相應漏斗的數量就會越多，導致設備結構復雜及建設成本增加；此外，如果加上粉末預混合所需的時間，整個零件的成型效率亦不高。

另一種供給梯度材料成分粉末的方式是在SLM成型過程中實時混合粉末，僅需兩個裝載原始粉末材料的漏斗，通過實時混粉裝置，即可按需混合任意比例梯度成分粉末，大大降低了設備結構復雜性及建設成本。已有少數學者對此展開了研究：DEMIR等人[20]在SLM成型過程中，用兩個漏斗，結合雙漏斗同步送粉碰撞混合的方式，實現了梯度材料實時混合，成型了Fe/Al-12Si梯度材料零件，證明SLM技術增材制造梯度材料零件是可行的，但僅能制作層與層間具有梯度成分的零件，還不能實現層內按需布置異質材料，同時，其研究也沒對混合的效果展開分析；LIU等人[21]給出了一種成分梯度材料零件激光選區熔化成型過程的粉末材料供給方法，可以實時混合粉末，理論上可獲得任意配比的梯度材料成分，但是，由于該方法采用兩個擺動電機依次擺動實現實時混合粉末，存在混合時間長、難得到均勻混合效果的缺點。

綜上所述，本文中擬在已有異質材料零件激光選區熔化增材制造系統[18]基礎上，通過增加多重實時混粉裝置，包括同步送粉碰撞混合、錐形聚集混合、氣流混合等多重混合方式，以實現SLM成型過程中，快速實時混合獲得梯度材料成分粉末及成型出梯度材料零件。通過實驗驗證所研發的系統，并對實驗樣品各區域的材料混合效果進行分析。

1 成型系統的構建

多重實時混粉裝置及在SLM成型室上的集成原理如圖1a所示，其實時混粉工作原理可描述如下。

(1)設置A、B兩個供粉漏斗， 漏斗供粉采用帶單槽的轉軸回轉拾取粉末，每回轉一次，拾取一槽的粉末。在粉末自兩漏斗流入鋪粉盒過程中，可執行同步送粉碰撞混合、錐形聚集混合、氣流混合等幾個混合步驟。

(2)同步送粉碰撞混合：兩條送粉管在垂直方向排成V字型，在兩管相交處有一個V形的缺口，即V形碰撞混粉口。在兩漏斗內粉末同步向V形碰撞混粉口送出粉末時，兩束粉末流相互碰撞混合。

(3)錐形聚集混合：同步送粉碰撞混合后的粉末自流到下部的錐形混粉斗中，依靠圓錐外形，實現粉末的錐形聚集混合。

Fig.1 System structure and workflow

(4)氣流-錐形聚集循環混合：錐形混粉斗的兩根軸安裝在外混粉腔內，一根軸內部空心，設置有氣流通道，軸末端與氣泵出氣口相連通。當粉末落入到錐形混粉斗底部后，氣泵啟動，氣流從錐形混粉斗底部向上甩起斗底部的粉末，斗底部粉末顆粒向上運動，在空中相互碰撞實現混合。被拋起的粉末到達一定高度后在重力作用下沿氣流沖擊力較弱的斗內壁面等處下行，補充剛才粉末沖走形成的空隙，接著再進一步被拋射到斗上方，如此循環持續一小段時間，充分將粉末混合。在被拋起的粉末下落過程中，同樣亦受錐形混粉斗橫截面積逐步縮小的影響，下落過程逐步聚集在一起，因而粉末顆粒又進行聚集混合，如此反復，實現氣流-錐形聚集循環混合。

(5)上述V形碰撞混粉口所在的兩根管下端插入到一個外混粉腔內，外混粉腔用于保證粉末碰撞混合、錐形聚集混合、氣流混合3個粉末混合過程中的氣密性，防止成型室內的保護氣體外溢。

(6)錐形混粉斗的另一根軸通過聯軸器與外混粉腔外的混粉電機相連，通過混粉電機實現錐形混粉斗的翻轉及復位。

(7)外混粉腔下部是一個大集粉斗，用于收集錐形混粉斗翻轉后下落的粉末，大集粉斗下部與粉末均布器相連通，進行粉末均布處理。粉末均布由粉末均布器[13]實現，可將粉末束整理成與鋪粉刮板相同的寬度，以便鋪粉刮板能將粉末在成型平臺上鋪滿一層。

(8)混粉裝置多處裝有微型振動電機，在混粉斗翻轉朝下時，微型振動電機啟動，將混粉裝置內殘余粉末清除干凈。

激光選區熔化增材制造多材料零件的難點在于，在同一層內，如何自由地布置異質粉末材料，其核心問題是：如何在鋪設一層粉末，選擇性熔化粉末成型后，將同層內多余的粉末清除掉，再鋪入另一種粉末。本系統采用柔性清掃回收余粉原理解決此問題，如圖1a所示，其中柔性清掃回收余粉裝置主要包括鋪粉盒、高位柔性刮板、低位柔性刮板、鋪粉平臺、2個安裝在成型室內壁上的柔性刮板清潔刷。 兩柔性刮板采用彈性絲材制作。柔性清掃回收余粉原理可描述為：激光選區熔化金屬粉末成型后，再如同采用毛刷將粉塵越過平面上凸起的小階梯清掃走一樣，低位柔性刮板將同一層內多余的粉末繞過已成型的實體清掃回收[22]。

梯度材料零件模型可由各分材料模型裝配而成，其增材制造數據，在本系統中由形狀數據及材料數據組成，分別通過惠普公司圖形語言 (Hewlett-Packard graphics language,HPGL)文件組成的掃描路徑文件、文本格式(text,TXT)的材料文件表達，數據處理過程如下[21]：(1)使各分材料模型的位置與其在梯度材料零件模型中的位置相同；(2)每個分材料模型生成一組掃描路徑，一組掃描路徑可由k個HPGL文件組成(k為梯度材料零件層數)，每個HPGL文件存放一個分材料模型的一個層掃描路徑(如是空層，HPGL文件的數據亦為空)；(3)建立一個文本格式文件，文件中存放著多行材料數據，一組掃描路徑對應一行材料數據，例如第2行文字為“Mat02 1∶3”，表示02分材料模型的材料成分由1槽容積的材料A和3槽容積的材料B混合所得；(4)在成型某一層時，SLM增材制造控制系統將逐個搜索該層的新材料區域掃描路徑，即判斷新的分材料模型在該層的HPGL文件的數據是否非空；如果非空，則根據TXT文件相應行的材料數據，開始供給、混合及鋪設粉末；接著調用該HPGL文件數據，控制激光選擇性熔化材料成型。

整個梯度材料零件的增材制造過程如圖1b所示。特別地，在采用單一材料成型時(即A和B的材料比中有一項數值為0)，混粉時間為0s(即不需混粉)，只執行供粉動作。

按上述原理研發的實時混粉梯度材料激光選區熔化成型系統如圖2所示。該系統集成了500W連續光纖激光器、多重實時混粉裝置、柔性清掃回收裝置、雙供粉漏斗等。系統最大成型尺寸為80mm×80mm× 80mm，鋪粉厚度可設為10μm～100μm。

Fig.2 Photo of the gradient material SLM molding system with a device of real-time mixing powders in various ways

2 實驗及結果分析

2.1 實驗方法

采用自主研發的梯度材料零件SLM成型系統(見圖2)為成型設備，展開梯度材料成型實驗，驗證系統的性能。實驗中采用尺寸為50mm×50mm×5mm的304不銹鋼板作為基板。采用經磁選法反復分離提純的4340鋼粉末以及CuSn10青銅粉末作為原始材料，其中4340鋼粉末中Fe，Cu，Sn，Ni，Si 4種元素含量(質量分數w)占比分別為0.9490，0.0008，0.0001，0.0171，0.0025，CuSn10青銅粉末中Fe，Cu，Sn，Ni，Si 4種元素含量(質量分數w)占比分別為0.0005，0.8650，0.1240，0.0006，0.0003[18]。兩種原始材料分別裝入兩個漏斗中，粉末粒徑均為15μm～53μm，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為0.9998的氬氣。

實驗后，對照零件照片、并結合顯微圖像及 X射線能譜成分分析(設備型號：蔡司EVO18，牛津OXFORD Inca250X-Max20mm2電制冷能譜儀)，獲得梯度材料零件成型的形貌及成分信息。

2.2 宏觀形貌分析

先成型了兩個具有復雜外形結構的梯度材料零件，如圖3所示。可見具有復雜外形結構的梯度材料零件也可以打印出來。由圖3a可知，所成型的零件，在水平方向、垂直方向的材料顏色都可呈梯度變化，顯示系統可按比例供給及混合兩種原始粉末，并按零件模型各部分材料信息布置材料及成型，最終獲得梯度材料零件。在圖3b中，是一個在垂直方向具有4個1.5mm厚的梯度材料區域的法蘭零件，自下而上，各梯度材料區域內的4340鋼/CuSn10青銅材料的預設體積比分別為4∶1，3∶2，2∶3和1∶4，由圖3b可知，其4個梯度區域內的顏色變化呈較好的緩慢漸變效果。

Fig.3 Two verification parts of gradient material (main molding parameters:laser power of 170W; powder cleaning times of 5 times; scanning distance of 0.08mm; layer thickness of 30μm;scanning speed of 250mm/s ～450mm/s)

2.3 微觀成型效果分析

為進一步考察本梯度材料零件SLM成型系統的成型效果，設計了如圖4a所示的梯度材料零件3維模型。零件為10mm×10mm×4mm的方塊，在垂直方向，依次設置有4340鋼(厚1mm)、垂直梯度1(厚1mm)、垂直梯度2(厚1mm)、頂部材料塊(厚1mm)等4個層次的材料過渡；自零件頂面向下1mm范圍的厚度內，是頂部材料塊，頂部材料塊在水平方向上，設置有4340鋼(長4mm×寬4mm)、水平梯度1(長4mm×寬1mm)、水平梯度2(長4mm×寬1mm)、CuSn10青銅(長4mm×寬4mm)4個層次的材料過渡。對水平梯度1的成型材料，采用4340鋼粉與CuSn10青銅粉按體積比為1∶1混合而成；對垂直梯度1的成型材料，采用4340鋼粉與CuSn10青銅粉按體積比為3∶2混合而成；對垂直梯度2或水平梯度2的材料，采用4340鋼粉與CuSn10青銅粉按體積比為1∶3混合而成。因此，該模型可考察成型系統在水平方向以及垂直方向的成型效果。

Fig.4 3-D model and sample photo of a gradient material part

圖4a所示模型每種顏色的塊體都代表一種材料成分，可設計為一個單獨的零件模型，總的梯度材料零件3維模型通過幾種顏色的塊體零件模型裝配而成。按前面所述，由各個顏色塊體零件模型生成掃描路徑數據HPGL格式文件，并創建材料信息TXT格式文件后，即可獲得整個梯度材料零件的增材數據[18]。

實驗開始前，在梯度材料零件SLM成型系統中設置的相關實驗參數如表1所示。

Table 1 SLM experimental process parameters for producing the gradient material part

成型件照片如圖4b所示，其材料分布基本與圖4a的模型圖相一致：底部為深色的4340鋼，然后過渡到垂直梯度1、垂直梯度2(顏色逐漸變淡)；在頂部，分布著處于同一水平面的4340鋼、水平梯度1、水平梯度2和CuSn10青銅幾種材料區域，顏色同樣逐漸變淡。

按圖4b所示的剖切位置示意點劃線，對成型零件進行了剖切，制成金相試樣并通過掃描電鏡獲得了圖5所示的一個帶清晰水平梯度及垂直梯度形貌的掃描電鏡照片。由該照片的顏色不同可知，在水平方向及垂直方向，材料的成分的確依次按梯度分布。

為考察粉末混合的均勻性，在圖5剖面的水平梯度1區域內部(不靠近兩種材料區域邊界)、垂直梯度1區域內部(不靠近兩種材料區域邊界)，各隨機選取4個不重疊的160μm×160μm的微細區域，對每個區域內的主要元素平均質量分數作能譜儀(energy dispersive spectrometer,EDS)分析，以考察粉末混合效果，所得的數據如表2及表3所示。元素分布的離散程度可用變異系數體現[23-24]，由表2、表3可知，采用10s～15s的單層平均混合時間混合后，8個微區內的主要元素變異系數最大不超過0.59，因此，各微區內的粉末元素平均質量分數離散程度小，達到較好的混合均勻性。

Table 2 Average mass fraction of main elements in selected micro zones in horizontal gradient region 1 of the Fig.5

Table 3 Average massfraction of main elements in selected micro zones in vertical gradient region 1 of the Fig.5

Fig.5 Asection micrograph of the part and position and direction of EDS line scanning (horizontal dotted line: horizontal line scanning; vertical dotted line: vertical line scanning; dotted line: color boundary)

3 結 論

本文中研發了實時混粉梯度材料SLM成型系統，并采用該系統展開了梯度材料成型實驗驗證，對實驗結果進行了詳細分析。

(1)系統可方便自由地按需在水平及垂直方向添加成分漸變材料，獲得具有復雜外形結構的梯度材料零件。

(2)在SLM成型過程中，實時混粉裝置成功執行了同步送粉碰撞混合、錐形聚集混合、氣流混合等多重混粉動作，可方便獲得成分漸變過渡緩慢的梯度材料。

(3)對成型零件不同方向的兩個梯度材料區域的微區EDS成分分析表明：采用10s～15s的單層平均混合時間混合后，各微區內的主要元素變異系數最大不超過0.59。因此，各微區內的粉末元素平均質量分數離散程度小，達到較好的混合均勻性，基本實現快速實時混粉效果。