摘 要:近年来,集中先进的激光技术、粉体技术和计算机控制技术的选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,简称SLS)工艺日渐成熟。SLS无需模具就可将金属和非金属粉末直接逐层烧结成近净形致密零件,具有成形灵活性强、周期短、原料广泛等特点,在汽车、造船、机械、航空与航天等诸多领域逐渐得到广泛应用,成为当前成形技术中的一个研究热点和极具发展潜力的前沿技术。该文简要介绍了SLS技术的基本工作原理及工艺过程,以及近年来的研究进展和工程应用情况,并着重讨论了粉末物性等因素对SLS质量的影响。
关键词:激光烧结;粉末;快速成形
快速成形技术(Rapid Prototyping,简称RP)是20世纪80年代末开始商品化的一种高新制造技术[1-4]。在众多的快速成形技术中,选择性激光烧结(Selective laser sintering,简称SLS)是少有的几种不需要添加任何粘结剂便能直接加工成形近致密金属零件的技术之一,近年来得到快速发展[5-7]。从理论上分析,任何受热后能够粘结的粉末都可以用作SLS的原材料,如塑料、石蜡、金属、陶瓷等。早期用于SLS的粉末主要是塑料粉末,近年来科研人员对金属和陶瓷粉末的烧结工艺做了大量的研究[8-9],直接将金属粉末烧结成三维零件是目前最为迫切的要求。
到目前为止,关于SLS工艺参数对烧结质量影响的研究取得了一定成果,但关于金属粉末物性对SLS的影响研究相对缺乏。事实上, SLS对金属粉末物性有严格要求[10]。人们意识到,利用相对成熟的科学和技术来完善和推动SLS技术的发展是一条重要的途径。其中,用粉末冶金理论来解决SLS研究过程中遇到的难题,有望得到令人惊喜的效果;同时,将SLS工艺应用到粉末冶金工艺中,也会很好地弥补传统粉末冶金工艺的不足。
本文作者在大量阅读有关文献的基础上,综合介绍SLS技术的工作原理及主要工艺过程、发展历程与现状、以及影响金属粉末SLS质量的因素,以期推动机械制造业向环保、节能和高效方向发展。
1 SLS技术的原理及特点
SLS是一种将三维数值模型(如CAD模型)分解成一系列二维层片结构后,由计算机控制激光束移动,在逐层(厚度通常为0.1~0.3 mm)烧结的细粉上建构三维实体的快速成形制造技术(Rapid Prototyping, RP)。SLS零件的三维模型可以用软件(如AutoCAD等)虚拟生成,也可以通过其他途径,如声、光数字仪,医学图象数据或其他3D数据源生成[11-13]。
SLS过程中由计算机控制高能量激光逐层熔化或烧结摊铺在工作腔表面的松散粉末,从而固结成致密的工件。其原理示意图及实际SLS设备如图1所示。
SLS系统通常包含3个主要部分:
1)激光源和扫描控制系统:如图1中激光发生器和偏光系统。它的主要作用是产生激光束,并根据加工零件的形状自动控制激光束的移动。目前,用于SLS的激光发生器主要有2种:波长为1.06Lm的Nd-YAG固体激光器和波长为10.6Lm的红外CO2气体激光器。最近,一种新型的纤维激光也应用在SLS中。
2)粉末摊铺系统:如图1中的粉末沉积系统和粉末供应装置。SLS过程中,粉末摊铺系统的主要作用是在每层扫描结束后,迅速铺下一层粉末,粉末摊铺密度、厚度对于粉末致密化有重要影响。粉末摊铺密度越高、越均匀,就越易实现粉末烧结致密化;铺粉厚度对烧结时间和制品精度将产生直接影响。
3)气氛控制系统:系统可根据不同烧结材料的需要,选择合适的保护气氛,氮气、氩气等是较常用的保护气体,其主要作用是防止粉末在烧结过程中被氧化及出现/气孔0等现象。
SLS得到的三维实体零件,经过少量机械加工和必需的热处理即可得到最终的实际零件。SLS主要有以下几个方面的优点[14-15]:
1)无需模具便可直接成形零件或近形件,加工周期短、成本低,与一般零件制造技术相比,费用降低50%,周期缩短70%以上;
2)原材料选择广泛,应用范围广,适用于原型功能零件和模具的制造;
3) CAD原型可根据需要及时调整,灵活性高;
4)制造工艺一般不受制造原型几何形状的限制,可用于制造形状复杂和难机加工零件;
5)技术集成度高,可实现设计制造一体化。
2 SLS技术的发展历程与现状
SLS最初由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的CARL DECKARD于1987年在其硕士论文中提出,之后美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Station 2000[16]。随着研究的不断深入,特别是激光束控制技术的突破,美国的DTM公司、德国的EOS公司、比利时的Leu-ven大学、英国的MCP公司,我国的北京隆源自动成型有限公司、南京航空航天大学、西北工业大学、华北工学院和华中科技大学等单位研发的SLS成形机,功能不断完善,性能不断提高。
按所用原材料特性的不同, SLS的发展可分为2个阶段[17]: 1)利用SLS技术烧结低熔点的材料。目前的烧结设备和工艺大多处于这一阶段,所用的材料是聚合物、低熔点金属或陶瓷的包覆粉末(或陶瓷与聚合物的混合物); 2)利用SLS技术直接烧结高熔点金属材料(如钛合金、镍合金等),这是SLS的重要发展方向之一[18]。
国外许多快速成形系统开发公司和使用单位对快速成形材料进行了大量的研究,开发出了多种适合于快速成形工艺的粉末材料。美国的DTM公司于1993年推出RapidSteel制造技术,在SLS-2500plus系统中烧结表面包覆树脂材料的铁粉,初次成形零件后,置入铜粉中再一起放入高温炉进行二次烧结制造出注塑模具,此模具在性能上相当于7075铝合金[19]。德国EOS公司开发了可直接对未经预热的金属粉末进行激光烧结的EOSINT M250系统。该系统所使用的由不同金属粉末组成的混合粉,适用于制作滚轴和注塑模具[20]。日本大阪大学焊接研究实验室的MURAKAMI T等用激光焊接技术,成功制备了莲藕状的多孔铜[21]。目前,应用该技术已能快速地制备出高精度高分子材料工件(如图2(a)所示),也可以制备具有高致密度但表面精度稍差的金属件(如图2(b)所示)[22]。
与此同时, SLS用粉末材料的研究也取得进展,粉末的品种越来越多。国际和国内已商品化的SLS用粉末材料分别列于表1和表2[23]。
3 影响金属粉末SLS质量的因素
SLS,特别是金属粉末的激光烧结,是非常年轻的一个制造领域。尽管SLS具有应用范围广、直接成形等优点,但是仍有不少技术难题,如三维零件普遍存在致密度不高、尺寸精度较低及表面质量较差[24]等问题。这已成为目前SLS技术研究的重点和难点。
归结起来,在适当的烧结气氛下,影响SLS烧结件质量的因素主要为工艺参数(如激光类型和扫描方式)和粉末物性,如图3所示。
3.1 激光特征
SLS过程中,具有极高能量的激光束照射在铺好的粉末上,使粉末颗粒迅速熔化(或表面熔化),形成大量液相,由于激光与粉末颗粒的作用时间非常短(<4 ms),固相烧结机制无法实现。此外,由于熔化金属的粘度相当高,粘性流动不可能导致粉末致密化。因此,单组元粉末的SLS机制只能是熔化/固结机制,多组元粉末的SLS机制只能是液相烧结机制[25]。NELSON J C[26]提出, SLS烧结件的致密度是单位面积内激光能量的函数, SIMCHIA[27]提出了激光能量输入密度W的概念,并指出SLS烧结件密度Q与激光能量输入密度W呈指数关系。
3.2 扫描参数
扫描参数主要有扫描速度、扫描间距和扫描路径,他们对SLS质量都会产生影响。
1)扫描速度:在固态粉末的选择性激光烧结中,激光功率密度和扫描速度决定了粉末的加热温度和时间。在粉末烧结中,在激光功率一定时,如扫描速度太快,可能会造成烧结体分层;扫描速度太慢,则可能造成烧结体收缩变形甚至开裂。为提高零件制造速度,一般选定较高的扫描速度,再配以合适的激光功率[27]。
2)扫描间距:扫描间距越大,烧结件致密度越低,但扫描间隔也不能太小,因为扫描间隔太小,烧结同样大小的面积要求的扫描次数增加,延长了零件的制作时间,且由于激光能量过高,容易使烧结体产生收缩和翘曲变形,从而严重影响烧结体的质量。
3)扫描路径:扫描路径对于烧结件致密度也有重要影响。目前主要有短边扫描、长边扫描、轮廓螺旋扫描等方式。一般来说,长边扫描产生的裂纹数最多,轮廓螺旋扫描裂纹数最少,而短边扫描成形件的表面质量和尺寸精度最差。最近有研究表明,用/分形0扫描路径能大大提高SLS件质量[29]。
3.3 粉末物性
金属粉末物性对于SLS产品质量有着及其重要的影响,在相同的工艺参数条件下,不同粉末体系的烧结效果往往有很大的区别。把握粉末体系的物性,为其选择最优的工艺参数,是金属粉末SLS最基本、最重要的要求。研究表明,影响SLS质量的3个关键物性参数为:粉末的烧结特性、摊铺特性和稳定性。
1.烧结特性
摊铺粉末在极高能量密度的激光作用下,瞬间达到很高的温度(往往在熔点以上),形成瞬时液相,激光束扫描过后,迅速冷却凝固。与传统粉末冶金工艺不同, SLS的烧结区域内有大量液相存在,而未烧结区域仍保持着松散粉末的状态,这对于烧结件的微观组织结构有很重要的影响。而传统粉末冶金工艺采用烧结炉设备,长时间均匀加热,大多是固相烧结机制,这就决定了SLS对于金属粉末的烧结性质有着特殊的要求。归纳起来, SLS用金属粉末的烧结性质主要有以下几点:
1)熔化性质
由于SLS中固相烧结机制不可行,而必须采用熔化/固结机制或者液相烧结机制。因此,粉末的熔化成为SLS工艺的基本要求。例如, WC-Co激光烧结中,通过在激光作用下生成液相Co来完成烧结致密化[30]。提高液相体积分数或降低组分液相线温度都有利于得到更高的烧结密度。
2)润湿性能
当激光熔化粉末后,熔液为了降低表面能而快速收缩成球,而不是与之前的烧结层粘结在一起,这就是/球化效应0。这种效应导致烧结件表面质量差、致密度降低、出现层状孔洞,所以必须抑制这种现象。熔体的润湿性能对烧结质量至关重要。控制表面张力,如在材料中加入表面活性剂,能够得到较好的表面质量,并有利于减少孔洞。
3)液相粘度
由于烧结中有液相生成,因此毛细管力在致密化过程中起着重要的作用。当液相生成引起颗粒重排、致密化时,毛细作用使固相有较强的致密化力。因此,控制液相的粘度对于SLS非常关键。众所周知,固液混合物的粘度是固相体积分数的幂函数,因此优化粉末的化学成分,使之能够生成足够的具有合适粘度的液相是必不可少的。
4)激光吸收率
粉末的激光能量吸收率以及热学性质(热导率、热容等)也决定了SLS质量。吸收率越高,在相同工艺参数条件下,粉末得到的能量越多,最终烧结质量也会比低吸收率的大不相同。研究表明[31],加入一定的添加剂可改善粉末的吸收率,从而更好地实现烧结致密化。
2.摊铺特性
SLS采用分层烧结,在铺粉过程中,通过辊筒的水平运动将粉末推送至烧结腔,同时辊筒还辅之以转动和径向振动,从而实现均匀、致密的铺粉。粉层密度直接影响烧结件的密度,从而影响烧结体的强度,因此粉末的摊铺是粉末烧结快速成形的关键工序之一。粉末摊铺特性的影响因素主要有以下几个方面:
1)粉末流动性
较好的粉末流动性有利于提高铺粉的均匀性,不仅能促进SLS烧结件的尺寸精度、表面质量,也能提高烧结密度及其均匀性,缩短烧结时间。
2)粉末铺实密度
提高粉末铺实密度能提高SLS烧结件密度,但受粉末粒度及铺粉机构和工艺参数的影响,铺实密度往往低于振实密度。一般使用具有较高铺实密度和较好流动性能的粉末。
3)粉末粒度及其分布
对于不同的材料和工艺参数,采用的粉末粒度有一个临界值。经验表明,粉末粒度的最大值往往是铺粉层厚度的一半[32]。合适的粒度和粒度分布能够增加粉末的铺实密度,但要注意防止细小粉末的结团,同时也必须防止粉末在摊铺过程中出现分层现象。
4)粉层厚度
粉末的铺实密度与粉末层的厚度直接相关。粉层的厚度大致为粉末颗粒直径的3~10倍,如果铺粉厚度与颗粒直径相互协调,就有可能形成面心或体心立方体排列,得到较高且均匀的铺实密度。由式(1)及式(2)可知,粉层厚度降低,则烧结密度提高。因此,选取合适的粉末粒度及其分布,获得高密度的薄层粉末对SLS至关重要。
3.稳定性
粉末的稳定性对于SLS质量有着重要的影响。金属粉末材料的化学成分是决定SLS工艺成功与否的最基本因素。迄今为止,用SLS技术制造金属零部件的可行性已经在多种粉末体系中得到验证。包括N-i Sn、Fe-Sn、Fe-Cu、Cu-S、Cu-P、Cu-Sn、Cu-Ni、镍基合金粉末、铁基合金粉末和不锈钢粉末等等。粉末的氧含量对烧结质量有很大影响,氧含量的细微增加,将会导致烧结质量严重下降[27]。此外,粉末的时效性也非常重要。由于SLS只在激光作用区域进行烧结,大部分粉末仍然可以再利用,这就要求所用金属粉末具有长时间稳定的化学物理性质,不轻易分解或氧化。
粉末物性的稳定性与采用的烧结气氛密切相关。SLS目前采用得比较多的烧结气氛是Ar和N2,这2种烧结气氛对于烧结致密度的影响不大,只有1%的偏差。如果烧结气氛中有恒定的氧存在,烧结致密度也会受到轻微的影响。
2003年,欧洲粉末冶金协会将该年度的4大奖项之一的/材料创新奖0授予德国EOS公司研发的SLS专用金属粉末[7],足见粉末物性对于SLS技术的重要性。
4 结束语
金属粉末的SLS是一项基于特种金属粉末的多学科交叉的高新技术,是粉末冶金工艺的扩展和最新发展。本文作者通过阐述SLS的原理及特点,总结SLS的发展及现状,分析影响SLS质量的因素,深入探讨了激光类型、扫描参数、粉末物性对SLS烧结质量的影响,并着重探讨了粉末物性对于SLS质量的影响。作者认为使粉末的烧结特性、摊铺特性和稳定性三者与激光特性相互协同,是设计SLS专用粉末的关键;建立模拟激光烧结过程的物理、数学模型,对SLS科学体系的形成和完善具有重要意义。
SLS技术的发展,将对丰富和发展粉末冶金科学和技术产生积极的影响,对引领机械制造业向环保、节能、高效的方向发展产生积极的推动作用。
参考文献略
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