摘要： 本文在分析和實驗的基礎上，系統地闡述了大功率激光直接燒結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成形過程中的熔池球化特征、熔體流動特征，動態凝固組織特征，進一步探討燒結過程的基本規律，為金屬粉末的直接激光燒結成形提供了依據。 關鍵詞： 激光選區燒結，金屬粉末，過程，特征 自從快速成形技術誕生以來，金屬零件的快速制造就成為一個令人矚目的研究方向[1~3]。其中選區激光燒結（Selective Laser Sintering，簡稱SLS）技術因可進行金屬零件的快速制造而倍受關注。到目前為止，人們的研究主要集中在高低熔點二種金屬粉末混合或在金屬粉末中混合某種粘結劑，用較小的激光功率燒結成形金屬零件[4~5]，而對用大功率激光直接燒結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上[6~7 ]，從分析燒結現象入手，弄清金屬粉末激光直接燒結過程的基本特征，進一步探討燒結過程的基本規律，使人們對采用大功率激光直接燒結金屬粉末成形金屬件有一個比較完整而清晰的認識。 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模型進行分割，形成若干個簿層平面。燒結成形時，首先用鋪粉裝置進行鋪粉，然后激光根據層面的幾何形狀有選擇地對材料進行掃描，使粉末熔化，并粘結在下層材料上，而未被激光掃描燒結的粉末則作為零件的支撐體。在完成一層燒結后，工作臺下降一個切片厚度，重新鋪粉、燒結，重復這樣的過程，直到燒結出整個零件。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的氣、液、固三相接觸的情況，也可以說取決于接觸物質之間的界面張力。在三相交點上的液體質點，設其受氣體質點的作用力為f1；受液體質點的作用力為f2；受固體質點的作用力為f3。f1、f2、f3分別指向氣、液、固三相的內部，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，它們的結合力較小，使得f1、f2、f3總的合力F指向液體內部，如圖2(a) 所示，液面與固－液體界面的夾角為鈍角，此時，界面張力將使液面縮為球狀，熔池形狀是球形。在這種條件下進行燒結成形，由于熔池在多個方向流動力偶的作用下，粘接周圍的粉末,并形成一個球形熔池。隨著激光移向下一個熔區，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沒有足夠的粉末材料（因這里的粉末已被前一熔區粘接走），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，形成一個新的熔池，這樣重復形成一個個新的球體。因此燒結線是由一串圓球組成。在基體部分的熔池，由于固體質點的作用力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，而在沿著掃描方向上熔池是連續的，難以形成單個球體。整個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，越有利于燒結成形。2.2 熔體流動特征 在激光燒結成形過程中，作用在金屬熔池內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濃度變化的影響[8]。式中：σ0是一個與溫度和濃度無關的常數，它是純金屬在熔點時的表面張力值。顯然，當激光作用下的熔池表面存在溫度梯度或溶質濃度時，勢必產生一個表面張力梯度∂σ/∆r，由此引起熔體的對流驅動力Fσ。表面張力驅動力為：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；H(d−r)為Heaviside函數。δ-函數和Heaviside函數表明熔體對流驅動力僅存在 于熔池表面，它是一個表面力。 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，而偏離中心區域越遠，其表面溫度越低。相應地，對于金屬熔體，其表面張力場的分布規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。這樣在熔池中就產生了強制對流的機制。在垂直掃描方向的平面內，會產生一定方向流動的多個力偶，如圖4所示。根據已有研究成果[8]，表面熔體流速可達8.2m/s。高速流動的熔體不僅加快了金屬的傳熱和傳質，而且能將周圍的粉末粘接進來。新的粉末進入熔池，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，隨著激光向前運動，熔池后沿的凝固區有一部分金屬來自前方熔化區的回流，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成形結果，其典型的成形結果可能成為：①一串圓球；②粗細不一的燒結線；③光滑的燒結線。作者經過大量的實驗表面，只有在適當的工藝條件下，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的溫度差，增加了熔池前方熔體的回流量，可以燒結成形光滑的直線。2.3 凝固組織的形貌特征 凝固組織的形貌既和整個熔池所在的位置有關，又和熔池內部的位置有關。當熔池有一定的深度在基體上時，整個基體可以作為它的傳熱體，這樣對燒結體的組織形貌是會產生較大的影響。對于每道燒結線而言，熔化區可分為熔化過渡區和熔化區。熔化過渡區是指熔池和基體的交界處，在這區域內晶粒處于部分熔化狀態，存在大量的晶粒殘骸和微熔晶粒，它并不是一條線構成，而是一個區域，即半熔化區。半熔化區的晶粒殘骸和微熔晶粒都有可能作為在凝固開始時的新晶粒形核核心[9]，其形核主要機制為微熔晶核作為異質外延。這個區域由于熔體對流對該區域的作用極弱，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 熔化過渡區的結晶特征 圖6熔化區的結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，熔化區主要為均質形核，形成等軸晶，受到熔體對流的作用較強，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，整個燒結體的顯微結構存在組織不均勻性，主要表現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，這也表明基體的聯生生長；而在其它地方其組織形態主要是等軸晶，這樣每層均有枝晶和等軸晶二種組織形態組成，其中等軸晶所占的體積分數遠大于枝晶部分。整個燒結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構交替重復出現。當熔池在粉末上，由于粉末顆粒之間存在著孔隙，金屬層粉末的導熱系數受氣孔率的影響，其表達式為：式中：λt—金屬粉末的導熱系數；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—空氣導熱系數。 從式（4）可知，金屬粉末的導熱系數僅與周圍空氣的導熱系數成正比，而沒有金屬粉末的導熱系數項。這說明金屬粉末的導熱系數是相當低的。在這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，燒結線不存在與基體聯生生長的枝晶；組織形態主要是等軸晶。 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，因此二種組織結構交替重復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單個組織形態。 3 結論 （1）熔池球化和熔體流動對燒結成形都會產生影響。只要適當加大激光功率，基體熔化達到一定深度，就可以避免球化作用力對燒結成形不利的影響，同時也增加了熔池中熔體的回流量，有利于燒結成形光滑直線； （2）燒結體的組織主要是以以枝晶和等軸晶二種組織形態交替疊加而成，形成整個制件的組織周期性重復出現。 參考文獻 [1] Abdolreza Simchi, Frank Petzoldt and Haiko Pohl. Direct metal laser sintering: Material considerations and mechanisms of particle bonding[J]. The International Journal of Powder Metallurgy. 2001,37(2): 49~61 [2] Mukesh Agarwala, David Bourell, Joseph Beaman, Harris Marcus and Joel Barlow. Direct selective laser sintering of metals[J], Rapid Prototyping Journal. 1995,1(1): 26~36。 [3] Ping Shen, Jiandong Hu, Zuoxing Guo and Qingfeng Guan. A Study on Laser Sintering of Fe-Cu Powder Compacts[J]. Metallurgical and Materials Transactions A. 1999, 30(8): 2229~2235. [4] Kamatchi Subramanian, Neal Vail, Joel Barlow and Harris Marcus. Selective laser sintering of alumina with polymer binders[J]. Rapid Prototyping Journal. 1995,1(2):24~35. [5] 張建華, 趙劍峰, 余承業。模具模腔的一種快速制造方法 [J]。機械科學與技術,2001,3:419~420. [6] 張劍峰, 沈以赴, 趙劍峰, 黃因慧，余承業。Ni基金屬粉末激光快速制造的研究[J],航空學報,2002,23(3):221~226 . [7] Zhang Jianfeng, Huang Yinhui，Shen Yifu, Zhao Jianfeng, Yu Chengye。Study on Selective Laser Sintering of Metallic Powders[J], Transaction of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2002,19(1):77~83 [8] 劉江龍，激光作用下合金熔池內的熔體流動[J].重慶大學學報. 1993,16(5):109~114. [9] 劉江龍，激光動態凝固組織的凝固特征幾其形核機理[J].金屬熱處理學報. 1990,11(3):13~23.