金属粉末激光烧结成型工艺研究

摘 要：通过对双组份Ni-CuP混合粉末进行激光烧结试验，研究了激光功率、扫描速度和铺粉厚度对烧结效果的影响。通过实验可以得出：在本试验条件下，当激光功率为60W、扫描速度为1 500mm/min、铺粉厚度为0.3mm时可获得较好的烧结效果。

关键词：金属粉末;激光烧结;激光功率;扫描速度

中图分类号：TG665;TF124.5文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）26-0068-02

随着快速成型技术（RP）的发展，出现了成型件只需简单表面处理或不需后续处理就可用于实际生产中的金属零件加工方法[1，2]。选择性激光烧结技术是RP技术中最前沿、最具潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向[3]。直接金属粉末烧结（DMLS）可通过单步工艺直接实现复杂零件的快速成型，具有工艺周期短、省时、经济的特点。随着研究的深入和工艺的发展完善，DMLS在金属选择性激光烧结中所占比重逐渐上升。本文研究激光功率、扫描速度对烧结效果的影响，得出理想的烧结工艺参数。

1 試验材料及方法

试验所用的材料为纯Ni和CuP的混合粉末，配比为62∶38。烧结所用激光器为LCY300数控CO2激光器，其平均输出功率为300W。

2 试验结果和分析

图1为不同工艺下的激光烧结试样。图1（a）、图1（b）、图1（c）和图1（d）为烧结较好的试样，图1（e）、图1（f）、图1（g）和图1（h）为烧结中出现翘曲变形、粉末飞离等现象的试样。

2.1 激光功率的影响

激光功率为120W时，试样翘曲较为严重;激光功率为80W时，烧结试样略微翘曲;激光功率为60W时，烧结结效果较好;激光功率为40W时，烧结效果又变差。

烧结一定厚度的体件需要经过多层铺粉，在扫描速度和粉末配比一定的情况下，若激光功率过小，由于粉末熔融厚度小，会使前后两烧结层之间不能很好地熔合，甚至引起烧结体产生分层;增大激光功率有利于生成足够的液相及液体的流动和铺展，提高固相颗粒间的黏结性，使前后两烧结层之间熔合，但若功率过大，使熔融温度过高，粉层产生的收缩过大，就会影响烧结体的精度，甚至使其出现翘曲变形和开裂现象。适当地选择激光功率，既可以保证层与层之间连接好，又可以使烧结体收缩，且变形小。

2.2 扫描速度的影响

扫描速度为2 500mm/min时，烧结试样未能成形;扫描速度为2 000mm/min时，烧结试样有边缘飞溅现象;扫描速度为1 500mm/min时，烧结效果较好;扫描速度为1 000mm/min时，烧结试样翘曲、表面球化。

在烧结成形过程中，扫描速度过快会使粉末在烧结过程中出现飞溅现象，使粉末飞离烧结区，烧结体层与层之间不能很好地熔合。扫描速度过慢，则可能造成烧结体收缩变形甚至开裂。只有在合理的扫描速度下，才能使烧结体层与层之间熔合好，收缩变形也小[4，5]。

2.3 铺粉厚度的影响

激光烧结过程中，激光光能转化为热能，其中一部分在粉末表面散失，另一部分则进入粉末内部[6]。在内部传热方式上，因为粉层一般是疏松状态，故考虑孔隙中的气相和固相颗粒之间的传热、颗粒间的传热。在烧结的起始阶段，粉末间的空隙率较高，粉末颗粒呈点接触状态。随着液相烧结的进行，颗粒间形成烧结颈，颗粒变成面接触，使粉末导热率显著提高。但是，激光能量在向粉末内部传导的过程中会迅速衰减，若粉层厚度太大，激光能量还未到达底部就损失掉了。

铺粉厚度为0.3mm时，可获得较好的烧结效果;铺粉厚度大于0.5mm时，烧结件易出现开裂和翘曲现象。在进行第一层烧结时，熔融液体凝固后密度增大，体积收缩。由于原来粉末层较厚，在凝固冷却的过程中，同一层上下部会存在一定的温度梯度，使同一烧结层内的收缩不均匀，产生热应力引起变形。进行第二层烧结时，除了产生本层收缩不均匀变形外，同时由于和前一层之间的热应力，使得变形加剧，产生明显的翘曲现象，甚至出现裂纹。

顾冬冬和沈以赴[7]认为，双（多）组分金属粉末激光烧结机制主要是液相生成和固相颗粒重排对烧结致密化起决定作用。试验所用金属粉由高熔点Ni粉和低熔点CuP粉混合构成。在烧结过程中，激光束是持续移动的，因此，激光束辐照在区域粉末上的时间极其短暂，Ni粉由于熔点较高，不易完全熔化而能保留作为其硬质核心;而CuP粉熔点低，易全部成为液相在表面张力作用下填充到Ni金属粉末颗粒间的孔隙中而起黏结作用。同时，由于Ni和Cu之间能形成无限固溶体，被液相Cu包覆并润湿的金属Ni颗粒在液相毛细管力作用下，固相颗粒发生重排，从而使烧结致密度提高。

3 结语

本文研究并讨论了激光功率、扫描速度、铺粉厚度对粉末成型的影响，得出：激光功率过小、扫描速度过快，烧结层之间不能很好地熔合;若功率过大、扫描速度过慢，烧结体会产生翘曲变形甚至开裂。在本试验条件下，当激光功率为60W、扫描速度为1 500mm/min、铺粉厚度为0.3mm时可获得较好的烧结效果。

参考文献：

[1]杨永强，刘洋，宋长辉.金属零件3D打印技术现状及研究发展[J].机电工程技术，2013（4）：1-8.

[2]胡孝昀，沈以赴，李子全，等.金属粉末激光快速成型的工艺及材料成型[J].材料科学与工艺，2008（3）：378-383.

[3]刘艳，李宗义，张晓刚.基于金属粉末激光烧结技术的研究进展[J].工具技术，2017（7）：7-11.

[4]邓琦林，方建成.选择激光烧结粉末的参数分析[J].制造技术与机床，1997（10）：26-29，53.

[5]崔益军，姜世杭，张剑峰.直接金属粉末激光烧结试验研究[J].农业装备技术，2007（6）：21-23.

[6]沈以赴，顾冬冬，王蕾，等.多组分铜基金属粉末选择性激光烧结成形的工艺研究[J].铸造，2005（7）：659-664.

[7]顾冬冬，沈以赴，潘琰峰，等.直接金属粉末激光烧结成形机制的研究[J].材料工程，2004（5）：42-48.

推荐访问： 烧结 成型 激光 工艺 研究

---