激光選區熔化成形金剛石復合材料特征幾何結構的工藝約束研究

摘要" 多孔金剛石磨具是一種能在磨削加工過程中提供容屑和冷卻液流通空間的新型工具，激光選區熔化（selective laser melting，SLM）成形技術是制造多孔金剛石磨具的有效手段。受激光增材制造的光斑尺寸約束、逐層成形等技術特征的影響，所設計的多孔金剛石磨具難以精準成形，因此有必要對金剛石復合材料特征幾何結構的可成形性進行研究。基于SLM125HL設備，以CuSn20/金剛石復合材料為研究對象，采用SLM成形技術成形了不同成形方向、不同尺寸的懸垂結構、薄壁、圓孔和尖角等特征幾何結構，并對其可成形性、成形誤差及產生原因進行分析。結果表明：金剛石復合材料懸垂結構的最佳可成形尺寸為1.00～2.00 mm，薄壁結構的最小可成形尺寸為0.70 mm；垂直于成形方向的圓孔結構的最小可成形直徑尺寸為0.50 mm，平行于成形方向的圓孔結構的最佳成形直徑尺寸為1.00～4.00 mm；尖角結構的可成形角度需gt;10°。這些特征幾何結構的成形誤差主要受激光對復合粉末的熱吸附、激光光斑熱影響區擴散以及復合粉末的弱支撐等作用影響。

關鍵詞" 激光選區熔化；CuSn20/金剛石復合材料；特征幾何結構；工藝約束

金剛石磨具是實現半導體晶圓、航空發動機渦輪葉片、光學鏡片等高端零部件精密加工的重要工具，在新能源、集成電路、國防工業等領域具有廣泛應用[1-2]。目前，金剛石磨具的制備方法主要有熱壓燒結、釬焊、電鍍等[3-5]。隨著精密零部件的應用場景逐漸廣泛，對工具的形狀和性能要求也越來越高，主要體現在仿形/異形工具和功能結構化工具的制備。傳統工藝難以制備出此類工具，因此探索新型的工具制備方法具有重要意義。

以激光選區熔化（selective laser melting，SLM）成形為代表的激光增材制造技術，可通過逐層熔化粉床實現三維模型的構建[6-7]，制備出復雜的多孔結構零件，已應用于高性能金屬結合劑金剛石多孔砂輪的制備，采用的材料為金剛石與金屬結合劑機械混合的復合材料[8-10]。LI等[11-13]利用SLM成形技術制造了一系列孔隙率可控的多孔砂輪，與電鍍砂輪相比，其具有更小的磨削力和比磨削能。GAN等[14]研究了不同SLM制造參數對Cu-Sn-Ti / 金剛石復合材料成形質量的影響，同時發現SLM磨塊的耐磨性比熱壓燒結磨塊的更高。

由于激光光斑熱影響區作用和逐層堆積成形的技術特點，采用SLM成形技術制造復雜結構零件，往往受到薄壁、圓孔、懸垂等特征幾何結構的工藝約束影響[15-16]，難以做到設計即成形的無縫銜接。針對金屬特征幾何結構的工藝約束，已有專家學者進行了大量探索。GU等[17]研究了激光能量密度及成形角度對SLM成形鋁合金懸垂結構表面質量的影響；CHEN等[18]研究了SLM成形技術制造Ti6Al4V薄壁結構的工藝約束，僅當薄壁厚度gt;0.4 mm時才能成形。金剛石復合材料的SLM成形過程主要是通過金屬結合劑熔化凝固包裹金剛石，其與金屬的SLM成形有較大區別，因此難以參考現有金屬材料的工藝約束來設計多孔金剛石磨具。

從多孔金剛石磨具的設計到SLM成形的實現，需要特征幾何結構工藝約束研究的支撐。本文提取了現有多孔金剛石磨具的特征幾何結構，重點分析了不同SLM成形方向、不同尺寸的薄壁、尖角、圓孔和懸垂結構等特征幾何結構的可成形極限尺寸，并給出相對應的尺寸誤差，最后分析了影響不同特征幾何結構工藝約束的成因。

1" 實驗材料與方法

1.1" 實驗材料

實驗材料采用金剛石與CuSn20合金（質量比為59∶1 000）通過機械混合制備而成的復合材料。其中，金剛石的規格為325 / 400（40～50 μm），CuSn20合金采用氣霧法制備而成。詳細的材料屬性如表1所示。

1.2" 成形方法

金剛石復合材料特征幾何結構的成形采用德國Solution公司的SLM成形設備，型號為SLM125HL，成形艙尺寸為125 mm × 125 mm × 500 mm。特征幾何結構的成形工藝參數如表2所示。

1.3" 模型構建方法

根據現有多孔磨具填充單元結構[12，19]，從中提取出影響SLM成形的4種特征幾何結構模型，即懸垂、薄壁、圓孔和尖角結構（如圖1所示），并建立不同尺寸的計算機輔助設計（computer aided design，CAD）模型，導入SLM成形設備進行制造。通過光學顯微鏡、游標卡尺和電子量角器測量成形尺寸和角度3次，取其平均值進行記錄。成形誤差采用相對誤差進行標注。

2" 實驗結果與討論

2.1" 懸垂結構

通過SLM成形技術分別成形邊長為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 、8.0 mm的懸垂方孔，成形方向為Z軸方向，沿Y軸方向為水平邊長，沿Z軸方向為豎直邊長。如圖2和表3所示，邊長為0.5 mm的方孔被粉末堵塞，造成孔封閉，無法成形。邊長為1.0 、2.0 mm的方孔形狀保持性較好，其水平邊長相對誤差均為1.00%，豎直邊長相對誤差分別為?11.00%和?14.50%。邊長gt;2.0 mm的方孔能夠成形，水平方向的邊長相對誤差為?0.67%～3.75%，垂直方向的邊長相對誤差為?9.20%～5.67%，但存在明顯的弧形坍塌。因此，設計懸垂結構時，要求邊長尺寸為1.0～2.0 mm。

當邊長gt;2.0 mm時，懸垂方孔開始出現弧形坍塌現象，且隨著邊長的增加，該現象越發明顯，其成因是在SLM成形過程中，熔池受到表面張力、重力以及支持力的作用，如圖3所示。對于非懸垂結構，熔池的支持力來自凝固的熔道，熔池形狀保持完整；對于懸垂結構，熔池的支持力來自金剛石復合粉末，其難以支撐熔池，同時受到熔池熱影響作用，形成坍塌的掛渣。因此越遠離熔道，掛渣現象越明顯。懸垂結構成形后，經過噴砂，形成了弧形的坍塌。

2.2" 薄壁結構

通過SLM成形技術成形了壁厚為0.50～1.40 mm的薄壁結構，壁厚間隔設置為0.10 mm，成形結果如圖4所示。由圖4可知，設計厚度為0.50 mm和0.60 mm的薄壁結構無法成形，主要原因是該結構強度較低，在制造過程中被刮刀刮壞；設計厚度gt;0.60 mm的薄壁結構可以成形。從表4可以得出，實際成形的薄壁結構厚度比設計厚度略有增加，同時隨著壁厚的增大，相對誤差呈下降趨勢。這是因為激光成形過程中，激光光斑熔化金屬粉末，同時黏結金剛石顆粒成形，如圖5所示。激光的熱作用不只集中于光源照射區域，在光斑的外部也有熱影響區，雖然外部熱影響區比光源中心區域的溫度低，但足以熔化部分粉末，形成吸附在薄壁表面的半熔融粉末，因此增加了壁厚。同時，不同壁厚的結構尺寸增大的程度差異不大，所以相對誤差隨著壁厚的增加而減少。

2.3" 圓孔結構

2.3.1" 垂直于成形方向的圓孔

如圖6所示，在垂直于成形方向（孔的直徑方向與成形方向垂直），進行了直徑為0.50～1.50 mm的圓孔成形實驗。由圖6和表5可知，直徑為0.50 mm的圓孔可以成形，但相對誤差為?8.00%，與設計尺寸偏離較大，并有少量粉末堵塞，對成形精度有較大影響。若再降低直徑，則可能導致無法成形。當孔的直徑gt;0.50 mm時，均能成形。同時，隨著孔直徑的增加，相對誤差值呈下降趨勢。因此可認為，沿著垂直于成形方向的圓孔直徑設計需gt;0.50 mm。

2.3.2" 平行于成形方向的圓孔

如圖7所示，在平行于成形方向（孔的直徑方向與成形方向平行），進行了直徑為0.50～8.00 mm的圓孔成形實驗。由圖7可知，直徑為0.50 mm的圓孔被完全堵塞。隨著圓孔直徑的增加，相對誤差逐漸降低，說明圓孔的成形精度越來越高，如表6所示。由于圓孔頂部為懸垂結構，在重力的作用下，圓孔頂部存在少量掛渣。其中，直徑為1.00～4.00 mm的圓孔形狀保持性較為完整。因此，對于平行于成形方向的圓孔，最佳成形尺寸為1.00～4.00 mm。

無論是垂直于還是平行于成形方向的圓孔，其成形尺寸都小于設計尺寸，最主要的原因是SLM成形過程中激光掃描軌跡的原理誤差。如圖8所示，虛線框為圓孔的設計輪廓尺寸，而激光是一種類圓形的高斯光斑，以光斑中心為掃描終點，光斑的外輪廓為實際圓孔的成形輪廓。因此無論是平行于還是垂直于成形方向，都無法避免這種原理誤差。

2.4" 尖角結構

如圖9所示，分別成形了角度為2.0°、5.0°、10.0°、15.0°、20.0°、30.0°，高度為20 mm的尖角結構模型，尖角的方向平行于成形方向。由圖9可以得出，角度為2°和5°的尖角結構在成形過程中發生損壞。角度為2°的尖角結構，在距離成形高度為5.45 mm處發生損壞，而角度為5°的尖角結構在距離成形高度2.10 mm處發生損壞。因此，尖角角度越小，越早發生損壞。設計角度為10°的尖角結構雖然基本成形，但在頂部發生了鋸齒狀損傷，因此可視為成形失敗。當角度gt;10°時，所有尖角結構都能完整成形，如表7所示，尖角的相對誤差在0.3%～3.3%波動。

尖角結構能否成形主要與角度大小有關，其損傷產生原理和薄壁結構類似，主要受成形過程中刮刀與結構的相互作用影響。如圖10所示，對于角度較大的尖角結構，整體從下到上的壁厚較大，當刮刀移動到大尖角結構上時，整體結構的強度較大，在與刮刀碰撞中，不易被刮壞；對于角度較小的尖角結構，由于整體結構較薄，結構的強度較低，當刮刀與之碰撞時，刮刀會損傷結構，形成結構碎片。因此，尖角結構的成形工藝約束為角度gt;10°才能成形。

3" 結論

對多孔金剛石磨具進行特征幾何結構提取建模，采用SLM成形技術制備了不同尺寸、不同成形方向的特征幾何結構，通過SLM125HL設備進行實驗，得到如下結論：

（1）對于懸垂結構，激光熔化復合材料時，熔池底部的復合粉末難以支撐熔池，因此易造成掛渣，后期噴砂處理使懸垂結構產生弧形坍塌。因此，設計懸垂結構時，需保證懸垂長度為1.00～2.00 mm。

（2）對于薄壁結構，壁厚較小的結構易在成形過程中被刮刀撞壞，無法成形；壁厚較大的結構，由于激光熱影響區的存在，尺寸略有增大。綜合考慮，薄壁結構的設計需保證厚度gt;0.60 mm。

（3）由于存在激光光斑的掃描路徑與模型的輪廓軌跡不重合的原理誤差，因此圓孔的成形直徑尺寸偏小。對于垂直成形方向的圓孔結構，最小可成形直徑尺寸為0.50 mm；對于平行于成形方向的圓孔結構，最佳成形直徑尺寸為1.00～4.00 mm。

（4）對于尖角結構，小角度結構易在成形過程中損壞。其中，角度為2°和5°的結構易損壞，當尖角結構的角度gt;10°時方可成形。

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