摘要： 本文在分析和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地闡述了大功率激光直接燒結(jié)金屬粉末成形金屬件的一些基本特征。這主要包括在激光燒結(jié)成形過程中的熔池球化特征、熔體流動特征，動態(tài)凝固組織特征，進(jìn)一步探討燒結(jié)過程的基本規(guī)律，為金屬粉末的直接激光燒結(jié)成形提供了依據(jù)。 關(guān)鍵詞： 激光選區(qū)燒結(jié)，金屬粉末，過程，特征 自從快速成形技術(shù)誕生以來，金屬零件的快速制造就成為一個(gè)令人矚目的研究方向[1~3]。其中選區(qū)激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，簡稱SLS）技術(shù)因可進(jìn)行金屬零件的快速制造而倍受關(guān)注。到目前為止，人們的研究主要集中在高低熔點(diǎn)二種金屬粉末混合或在金屬粉末中混合某種粘結(jié)劑，用較小的激光功率燒結(jié)成形金屬零件[4~5]，而對用大功率激光直接燒結(jié)金屬粉末成形金屬件研究較少。本文是在以前研究工作的基礎(chǔ)上[6~7 ]，從分析燒結(jié)現(xiàn)象入手，弄清金屬粉末激光直接燒結(jié)過程的基本特征，進(jìn)一步探討燒結(jié)過程的基本規(guī)律，使人們對采用大功率激光直接燒結(jié)金屬粉末成形金屬件有一個(gè)比較完整而清晰的認(rèn)識。 1 SLS的基本原理 SLS的基本原理如圖1所示，其工藝過程是通過分層切片軟件將CAD模型進(jìn)行分割，形成若干個(gè)簿層平面。燒結(jié)成形時(shí)，首先用鋪粉裝置進(jìn)行鋪粉，然后激光根據(jù)層面的幾何形狀有選擇地對材料進(jìn)行掃描，使粉末熔化，并粘結(jié)在下層材料上，而未被激光掃描燒結(jié)的粉末則作為零件的支撐體。在完成一層燒結(jié)后，工作臺下降一個(gè)切片厚度，重新鋪粉、燒結(jié)，重復(fù)這樣的過程，直到燒結(jié)出整個(gè)零件。2 成形過程特征探討 2.1熔池球化特征 金屬粉末熔化后形成的熔池形狀取決于三種不同物質(zhì)的氣、液、固三相接觸的情況，也可以說取決于接觸物質(zhì)之間的界面張力。在三相交點(diǎn)上的液體質(zhì)點(diǎn)，設(shè)其受氣體質(zhì)點(diǎn)的作用力為f1；受液體質(zhì)點(diǎn)的作用力為f2；受固體質(zhì)點(diǎn)的作用力為f3。f1、f2、f3分別指向氣、液、固三相的內(nèi)部，如圖2所示。f1、f2、f3合力的大? ⒎較蛉【鲇諶鄢廝Φ奈恢謾Ｔ詵勰?上的熔池，由于粉末是松散的，顆粒之間存在間隙，它們的結(jié)合力較小，使得f1、f2、f3總的合力F指向液體內(nèi)部，如圖2(a) 所示，液面與固－液體界面的夾角為鈍角，此時(shí)，界面張力將使液面縮為球狀，熔池形狀是球形。在這種條件下進(jìn)行燒結(jié)成形，由于熔池在多個(gè)方向流動力偶的作用下，粘接周圍的粉末,并形成一個(gè)球形熔池。隨著激光移向下一個(gè)熔區(qū)，使得已粘接周圍粉末的熔池冷卻和凝固加快。如果激光作用下的下一熔區(qū)沒有足夠的粉末材料（因這里的粉末已被前一熔區(qū)粘接走），則不能形成新的熔池。只有移動到一定距離以后，才有足夠的粉末材料被熔化，形成一個(gè)新的熔池，這樣重復(fù)形成一個(gè)個(gè)新的球體。因此燒結(jié)線是由一串圓球組成。在基體部分的熔池，由于固體質(zhì)點(diǎn)的作用力f3較大，使得f1、f2、f3總的合力Fϖ指向固體，如圖2(b) 所示，液面與固－液體界面的夾角為銳角，界面張力將使液面沿著固體表面張開，熔池的形狀在垂直掃描方向上是以扇形形狀出現(xiàn)，而在沿著掃描方向上熔池是連續(xù)的，難以形成單個(gè)球體。整個(gè)熔池形狀是由基體熔化深度所決定的，基體熔化深度越大，熔池的橢圓度越大，越有利于燒結(jié)成形。2.2 熔體流動特征 在激光燒結(jié)成形過程中，作用在金屬熔池內(nèi)的流體單元上的力主要是體積力和表面力。其體積力主要是熔池內(nèi)的溫度差(∆Τ)和濃度差(∆C)所引起的浮力，而表面力主要是熔池表面的溫度差(∆Τ)和濃度差(∆C )所引起的表面張力差，由于燒結(jié)成形采用的小光斑（d=1mm），熔池中的表面張力占主要作用，在這種情況下，可忽略體積力的作用。 表面張力受熔池表面的溫度變化及溶質(zhì)濃度變化的影響[8]。式中：σ0是一個(gè)與溫度和濃度無關(guān)的常數(shù)，它是純金屬在熔點(diǎn)時(shí)的表面張力值。顯然，當(dāng)激光作用下的熔池表面存在溫度梯度或溶質(zhì)濃度時(shí)，勢必產(chǎn)生一個(gè)表面張力梯度∂σ/∆r，由此引起熔體的對流驅(qū)動力Fσ。表面張力驅(qū)動力為：式中：(∂σ/∂T)*∆T為溫度梯度引起表面張力差；(∂σ/∂c)*∆T為濃度梯度引起表面張力差；δ(z)為δ-函數(shù)；H(d−r)為Heaviside函數(shù)。δ-函數(shù)和Heaviside函數(shù)表明熔體對流驅(qū)動力僅存在 于熔池表面，它是一個(gè)表面力。 在激光束的作用下，靠近能束光斑中心附近，其熔體的表面溫度最高，而偏離中心區(qū)域越遠(yuǎn)，其表面溫度越低。相應(yīng)地，對于金屬熔體，其表面張力場的分布規(guī)律為熔池中心表面附近的表面張力值最低，而熔池邊緣附近的表面張力值最高。這樣在熔池中就產(chǎn)生了強(qiáng)制對流的機(jī)制。在垂直掃描方向的平面內(nèi)，會產(chǎn)生一定方向流動的多個(gè)力偶，如圖4所示。根據(jù)已有研究成果[8]，表面熔體流速可達(dá)8.2m/s。高速流動的熔體不僅加快了金屬的傳熱和傳質(zhì)，而且能將周圍的粉末粘接進(jìn)來。新的粉末進(jìn)入熔池，使得熔池的不同部分溫差加大，熔體流動加快。粉層越厚，粘接粉末越多，成形尺寸不易控制。在沿著掃描方向上，隨著激光向前運(yùn)動，熔池后沿的凝固區(qū)有一部分金屬來自前方熔化區(qū)的回流，回流量的多少主要取決于熔池光斑中心表面的最高加熱溫度，熔池光斑中心表面溫度越高，熔池表面張力梯度越大，熔體的回流量越多。回流量的多少決定了燒結(jié)成形結(jié)果，其典型的成形結(jié)果可能成為：①一串圓球；②粗細(xì)不一的燒結(jié)線；③光滑的燒結(jié)線。作者經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)表面，只有在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下，如采用較小的粉層厚度和較大的激光功率，加大光斑中心和熔池后沿的凝固區(qū)的溫度差，增加了熔池前方熔體的回流量，可以燒結(jié)成形光滑的直線。2.3 凝固組織的形貌特征 凝固組織的形貌既和整個(gè)熔池所在的位置有關(guān)，又和熔池內(nèi)部的位置有關(guān)。當(dāng)熔池有一定的深度在基體上時(shí)，整個(gè)基體可以作為它的傳熱體，這樣對燒結(jié)體的組織形貌是會產(chǎn)生較大的影響。對于每道燒結(jié)線而言，熔化區(qū)可分為熔化過渡區(qū)和熔化區(qū)。熔化過渡區(qū)是指熔池和基體的交界處，在這區(qū)域內(nèi)晶粒處于部分熔化狀態(tài)，存在大量的晶粒殘骸和微熔晶粒，它并不是一條線構(gòu)成，而是一個(gè)區(qū)域，即半熔化區(qū)。半熔化區(qū)的晶粒殘骸和微熔晶粒都有可能作為在凝固開始時(shí)的新晶粒形核核心[9]，其形核主要機(jī)制為微熔晶核作為異質(zhì)外延。這個(gè)區(qū)域由于熔體對流對該區(qū)域的作用極弱，晶體的生長取向受熔體對流的干擾作用較弱，形成的枝晶取向沿著固—液界面的法向方向，如圖5所示。 圖5 熔化過渡區(qū)的結(jié)晶特征 圖6熔化區(qū)的結(jié)晶特征由于使用的激光功率較高，能夠完全熔化熔池中的粉末，熔化區(qū)主要為均質(zhì)形核，形成等軸晶，受到熔體對流的作用較強(qiáng)，枝晶的取向受熔體流動影響較大，其晶體的取向比較紊亂，如圖6所示。因此，整個(gè)燒結(jié)體的顯微結(jié)構(gòu)存在組織不均勻性，主要表現(xiàn)在層與層之間的成形界面上方（即沿堆積面的法向）其顯微組織主要是枝晶形狀，且枝晶方向沿著層面的法向方向，這也表明基體的聯(lián)生生長；而在其它地方其組織形態(tài)主要是等軸晶，這樣每層均有枝晶和等軸晶二種組織形態(tài)組成，其中等軸晶所占的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于枝晶部分。整個(gè)燒結(jié)體是這樣的一層一層疊加而成的，且在沿著堆積方向上二種組織結(jié)構(gòu)交替重復(fù)出現(xiàn)。當(dāng)熔池在粉末上，由于粉末顆粒之間存在著孔隙，金屬層粉末的導(dǎo)熱系數(shù)受氣孔率的影響，其表達(dá)式為：式中：λt—金屬粉末的導(dǎo)熱系數(shù)；φA=1-φ；φ—金屬粉末的體積百分比；φA為空氣的體積百分比；λA—空氣導(dǎo)熱系數(shù)。 從式（4）可知，金屬粉末的導(dǎo)熱系數(shù)僅與周圍空氣的導(dǎo)熱系數(shù)成正比，而沒有金屬粉末的導(dǎo)熱系數(shù)項(xiàng)。這說明金屬粉末的導(dǎo)熱系數(shù)是相當(dāng)?shù)偷摹Ｔ谶@種情況下基體不能作為傳熱體，熔池傳熱條件的變化影響著凝固組織的形貌，燒結(jié)線不存在與基體聯(lián)生生長的枝晶；組織形態(tài)主要是等軸晶。 由于快速制造的零件是依靠一層一層疊加而成的，上下層之間必須牢固粘結(jié)，因此二種組織結(jié)構(gòu)交替重復(fù)所占的體積是主要的，只有在零件的凸臺等起始部分才會出現(xiàn)單個(gè)組織形態(tài)。 3 結(jié)論 （1）熔池球化和熔體流動對燒結(jié)成形都會產(chǎn)生影響。只要適當(dāng)加大激光功率，基體熔化達(dá)到一定深度，就可以避免球化作用力對燒結(jié)成形不利的影響，同時(shí)也增加了熔池中熔體的回流量，有利于燒結(jié)成形光滑直線； （2）燒結(jié)體的組織主要是以以枝晶和等軸晶二種組織形態(tài)交替疊加而成，形成整個(gè)制件的組織周期性重復(fù)出現(xiàn)。 參考文獻(xiàn) [1] Abdolreza Simchi, Frank Petzoldt and Haiko Pohl. 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