鎳基合金激光選區(qū)熔化成形的缺陷形成及其控制綜述

李忠利，杜東方，雷 盛

（1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川省沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，四川 德陽(yáng) 618000；2.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044）

1 引言

激光選區(qū)熔化成形技術(shù)(Selective Laser Melting,SLM）是增材制造技術(shù)的一種。該技術(shù)相對(duì)成熟，是金屬零件制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。圖1 展示了激光選區(qū)融化技術(shù)示意圖。在成形過(guò)程中，將三維集合空間數(shù)據(jù)離散成二維輪廓幾何信息，即分層切片處理，激光熱源再按照適當(dāng)?shù)膾呙杷俣群蛼呙杪窂揭苿?dòng)從而實(shí)現(xiàn)金屬粉末的選擇性融化。一層結(jié)束后，將成形缸平臺(tái)降低與該層厚度相等的量，并鋪設(shè)一層新的粉末。這個(gè)過(guò)程重復(fù)，直到完成整個(gè)部分。

圖1 SLM設(shè)備原理圖

作為航天航空、船舶及核電等工業(yè)領(lǐng)域最重要的金屬材料之一，鎳基高溫合金件的發(fā)展對(duì)我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域有著重要意義。但鎳基高溫合金零件的傳統(tǒng)成形技術(shù)多以鍛造、鑄造和粉末冶金等方式為主，存在著周期長(zhǎng)、工序繁瑣、制造成本高和難成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件等問(wèn)題。而激光選區(qū)熔化技術(shù)具有高材料利用率、成型周期短、成形精度高等優(yōu)勢(shì)[2～4]，很大程度上解決了傳統(tǒng)工藝中成形鎳基高溫合金效率過(guò)低的問(wèn)題，在成形鎳基高溫合金方面有巨大潛力。

本文對(duì)SLM成形鎳基高溫合金過(guò)程中缺陷的形成做了簡(jiǎn)要分析，總結(jié)了成形過(guò)程的缺陷類型和控制方法。對(duì)優(yōu)化工藝參數(shù)提供了一些指導(dǎo)。

2 SLM 成形鎳基高溫合金的主要缺陷類型及控制方法

SLM成形過(guò)程中熔池動(dòng)態(tài)熱行為復(fù)雜且極不穩(wěn)定，一個(gè)不適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)常常伴隨著許多缺陷。常見缺陷分四種類型：球化、孔隙、裂紋和飛濺。

2.1 球化缺陷

在激光選區(qū)熔化成形鎳基合金粉末的過(guò)程中，隨著激光熱源的移動(dòng)，在激光熱源移動(dòng)方向上會(huì)形成一條激光選區(qū)熔化的痕跡，在熔池內(nèi)溫度梯度、壓力梯度、濃度梯度等多重驅(qū)動(dòng)力的作用下，熔融金屬發(fā)生流動(dòng)，在宏觀上分裂成一排球，稱之為“球化效應(yīng)”[5]，如圖2 所示。

圖2 典型球化缺陷宏觀圖[8]

根據(jù)球化現(xiàn)象形成機(jī)理，結(jié)合鎳基高溫合金SLM實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)一些工藝措施來(lái)弱化球化現(xiàn)象帶來(lái)的影響[6～7]。在進(jìn)行試驗(yàn)前，可以通過(guò)數(shù)值模型得出各工藝參數(shù)對(duì)球化缺陷的影響規(guī)律，進(jìn)而在保證成形質(zhì)量的同時(shí)，得出最優(yōu)的工藝參數(shù)。杜膠義[8]研究了在適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)范圍內(nèi)，減小激光功率、增大掃描速度能有效弱化球化現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不同的掃描策略對(duì)球化的影響也不同，有研究表明，“S”掃描方式比單向掃描方式更能有效抑制球化缺陷[9]。

2.2 孔隙缺陷

在激光選區(qū)熔化技術(shù)中，孔隙對(duì)相對(duì)致密度、綜合力學(xué)性能將產(chǎn)生很大影響。在鎳基合金粉末的快速凝固過(guò)程中，由于粉末顆粒間存在氣體且不能及時(shí)排除，部分溶解在金屬構(gòu)件中并在凝固時(shí)析出，最后形成孔隙，如圖3 所示。孔隙缺陷不同于氣孔缺陷，主要是因工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)或試驗(yàn)過(guò)程不規(guī)范造成，包括孔缺陷和未熔合缺陷等[10]。

圖3 典型孔隙缺陷掃描電鏡圖[18]

孔隙的產(chǎn)生主要有三方面原因：①在激光選區(qū)熔化過(guò)程中，伴隨著球化、飛濺等缺陷的產(chǎn)生，金屬粉末會(huì)脫離基體導(dǎo)致粉末量不足，冷卻凝固后在構(gòu)件內(nèi)部形成孔隙；②試驗(yàn)前沒(méi)有將粉末烘干，粉末之間的粘度過(guò)大，在鋪粉時(shí)粉體粘連運(yùn)動(dòng)輥，導(dǎo)致成形粉末量不足造成孔隙；③保護(hù)氣進(jìn)入高溫熔池內(nèi)部得不到及時(shí)的排擠導(dǎo)致氣孔缺陷發(fā)生。

在以往的數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，激光功率、鋪粉層厚、掃描速度及掃描間距等工藝參數(shù)對(duì)薄壁件孔隙率會(huì)產(chǎn)生影響，其中掃描速度和掃描間距對(duì)氣孔的影響較大[15]。孔隙的形成與體能量密度高度相關(guān)，體能量密度越高，成形構(gòu)件的孔隙率越少，即致密度隨之增加。通過(guò)對(duì)基板預(yù)熱能夠提高體能量，從而在成形過(guò)程中減少孔隙的產(chǎn)生。在進(jìn)行激光熔化前，可以對(duì)鎳基合金粉末進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的干燥并限制氣體來(lái)源，從而形成保護(hù)氣體氛圍，能夠大幅度降低粉末之間的氣體含量，有利于抑制孔隙缺陷。

2.3 裂紋缺陷

裂紋的產(chǎn)生是激光選區(qū)熔化技術(shù)的一個(gè)重要缺陷，直接影響著成形構(gòu)件的綜合性能，是成形過(guò)程中構(gòu)件報(bào)廢的主要因素。控制裂紋的產(chǎn)生對(duì)激光選區(qū)熔化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用具有重大意義。

在SLM過(guò)程中，粉末在高密度激光能量輸入下快速熔化和凝固。這就產(chǎn)生了一個(gè)巨大的溫度梯度，并相應(yīng)地在被制造的零件中產(chǎn)生了一個(gè)較大的殘余熱應(yīng)力。高溫梯度與較大的殘余應(yīng)力相結(jié)合，往往會(huì)導(dǎo)致零件裂紋的萌生和擴(kuò)展，如圖4 所示。尤其是對(duì)于不銹鋼和鎳基高溫合金，由于其導(dǎo)熱系數(shù)低，線膨脹系數(shù)高，在SLM過(guò)程中更容易產(chǎn)生裂紋，且裂紋敏感性高[11～13]。

圖4 典型裂紋缺陷掃描電鏡圖[17]

根據(jù)裂紋產(chǎn)生機(jī)理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，殘余應(yīng)力是裂紋產(chǎn)生的根本原因。不合適的工藝參數(shù)是內(nèi)部殘余應(yīng)力的主要來(lái)源，優(yōu)化工藝參數(shù)，調(diào)整激光功率、掃描速度、鋪粉厚度、掃描間距等工藝參數(shù)的數(shù)值能有效降低殘余應(yīng)力[14]。同時(shí)，對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱、提高環(huán)境溫度和選擇選擇線膨脹系數(shù)大于或者等于鎳基合金的基板材料都能夠降低基體與構(gòu)件之間的溫度梯度，在熔化成形過(guò)程中能夠有效降低殘余應(yīng)力[15]，進(jìn)而抑制宏觀裂紋的產(chǎn)生。

2.4 飛濺缺陷

在激光選區(qū)熔化成形過(guò)程中，隨著光斑作用在鎳基合金粉末上的能量增加，粉末材料快速熔化溫度驟增至材料沸點(diǎn)以上，粉層內(nèi)部受熱膨脹導(dǎo)致粉末飛離燒結(jié)區(qū)的現(xiàn)象，稱為“飛濺”[16]，如圖5 所示。

圖5 典型飛濺缺陷宏觀圖[14]

根據(jù)裂紋產(chǎn)生機(jī)理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，“飛濺”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是粉末間隙之間的氣體和作用區(qū)域的能量密度。一方面，在SLM成形前，使鎳基合金粉末顆粒均勻化并通入高純Ar 氣體，顆粒均勻可以減少粉末與空氣接觸的機(jī)會(huì)，延長(zhǎng)通入保護(hù)氣體的時(shí)間，減少空氣含量，使空氣得到充分排除[17]；另一方面，可以通過(guò)調(diào)節(jié)激光相關(guān)參數(shù)來(lái)減小作用區(qū)域能量密度，進(jìn)而減少“飛濺”現(xiàn)象[18]。

3 總結(jié)與展望

為縮短零件制造周期，提高材料利用率，激光選區(qū)熔化成形技術(shù)日漸成為重要的現(xiàn)代加工制造技術(shù)。選區(qū)激光熔化成形鎳基合金有著巨大潛力，但在成形過(guò)程中也伴隨著缺陷的產(chǎn)生。本文通過(guò)對(duì)激光選區(qū)熔化成形鎳基合金缺陷的產(chǎn)生及其控制進(jìn)行了概述，后續(xù)研究中可以通過(guò)缺陷檢測(cè)和數(shù)值模擬的方法試錯(cuò)，減少材料損失，提高生產(chǎn)效率。