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作者：張毅

  研究者已對不同材料體系的選區(qū)激光熔化成形性能進行了研究。目前，選區(qū)激光熔化(SLM)材料體系的研發(fā)主要集中在鐵基、鎳基、鈦基等合金材料。其中，鐵基粉末的SLM成形是研究最廣泛、最深入的一種合金類型。鐵基粉末的激光直接成形以及純鐵粉適用于SLM的能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)純鐵粉直接激光熔化時容易產(chǎn)生孔洞，但通過合金化能改善純鐵粉的成形能力。鎳基合金因具有優(yōu)良的抗氧化、耐腐蝕和耐高溫性而被廣泛應用于航空發(fā)動機渦輪葉片、石化工業(yè)和船舶等需要耐蝕的關(guān)鍵部件，應用SLM技術(shù)制造此類高性能零部件的最大優(yōu)勢就是可以整體成形。鈦合金SLM成形主要集中在純鈦粉、Ti-6Al-7Nb與T1-6Al-4V合金粉末方面，主要應用于醫(yī)學領(lǐng)域。

  鎳鐵高溫合金具有良好的耐蝕性、耐磨性及綜合性能，且其粉末適合使用激光熔化技術(shù)進行加工，容易獲得具有良好致密性的金屬件。因此，本課題研究了鎳鐵粉末的SLM成形工藝，確定了鎳鐵金屬粉末選區(qū)激光熔化成形的工藝參數(shù)，為制備高品質(zhì)的金屬件提供參考。

1  試驗材料及設(shè)備

  選用的Ni-Fe金屬粉末是由76%（質(zhì)量分數(shù)，下同）的純鎳粉與24%的純鐵粉混合而成。采用LMY400激光設(shè)備，該設(shè)備所用激光器為YAG脈沖激光器，其最大輸出功率為400 W，激光束最小光斑直徑為0.15 mm，最大單脈沖能量為70 J，最大掃描速度為1 600 mm／min，工作室最大成形尺寸為220 mm×220 mm×400 mm。

2  試驗過程與分析

  試驗主要研究了激光電流、脈沖寬度（脈寬）、頻率、掃描速度、鋪粉厚度、掃描間距等對金屬零件成形質(zhì)量的影響。試驗先進行了單道試驗和單層試驗，確定出優(yōu)化工藝參數(shù)匹配組合并為塊體研究做準備，以制備組織性能較好的試樣。

2.1  工藝參數(shù)對單層單道掃描試樣的影響

2.1.1激光電流對單層單道掃描成形質(zhì)量的影響

  為研究激光電流對單道掃描線線寬、線高及外觀形貌的影響，設(shè)定其他參數(shù)不變，從小到大改變激光電流。試驗參數(shù)為：激光脈寬為4.0 ms;掃描速度為150 mm／min；激光掃描頻率為10 Hz;鋪粉厚度為0.15 mm;激光電流從100 A逐漸增大到170 A。圖1為不同激光電流下單層單道掃描試樣的宏觀形貌�？梢钥闯觯�激光電流為100 A時，由于電流較小，粉末不足以完全熔化而燒結(jié)在基板上。隨著激光電流逐漸增大，單道線越來越高，更多的金屬粉末吸收能量，熔化區(qū)域增大。當電流達到160 A時，單道線不僅具有一定的高度和寬度，

表面光滑程度也達到了最佳。而當激光電流繼續(xù)增大到170 A時，表面品質(zhì)開始下降，變得不光滑，此時的金屬粉末已經(jīng)完全熔化，繼續(xù)增大電流會導致球化現(xiàn)象產(chǎn)生。

2.1.2激光脈寬對單道掃描成形質(zhì)量的影響

  激光電流為160 A時不同激光脈寬下單層單道掃描線形貌見圖2�？梢钥闯�，激光脈寬對單道掃描的高度及表面品質(zhì)影響較大，但對其寬度影響不大。激光脈寬較小時，單道線高度較小而且線條表面凹凸不平．球化現(xiàn)象比較嚴重。當激光脈寬達到4.4 ms對表面品質(zhì)明顯變好，整體比較平整，只有少部分區(qū)域有凹凸：當激光脈寬達到4.6 ms時表面品質(zhì)最佳；當激光脈寬超過4.6 ms時，表面品質(zhì)又有所降低。

2.1.3掃描速度對單道掃描成形質(zhì)量的影響

  試驗參數(shù)：激光電流為160 A;激光脈寬為4.6 ms; 激光頻率為10 Hz;鋪粉厚度為0.15 mm;掃描速度從50 mm/min逐漸增大到400 mm／min。不同掃描速度下單層單道掃描線形貌見圖3�？梢钥闯觯�激光掃描速度對單道掃描的寬度、高度及表面形貌都有較大的影響。當掃描速度較小時，球化現(xiàn)象很嚴重，甚至無法連成線，主要是由于速度太低，激光在熔化部位停留時間太長，使已熔化粉末將未熔化粉末粘吸而導致無法連成完整的線條。隨著掃描速度逐漸增大，這種現(xiàn)象有所改善。當掃描速度達到150 mm／min時，球化現(xiàn)象開始減弱，表面變得比較平整；當掃描速度達到200 mm／min時，球化現(xiàn)象明顯降低，單道線有明顯的高度。當掃描速度超過200 mm／min時，基板上的單道線高度開始下降，主要是由于掃描速度太快使得粉末還未完全熔化。當掃描速度達到400 mm／min時，由于掃描速度過快，

金屬粉末熔化不完全，基板上幾乎看不到單道線的痕跡。

2.1.4激光頻率對單道掃描成形質(zhì)量影響

  試驗參數(shù)：激光電流為160 A;激光脈寬為4.6 ms;掃描速度為200 mm／min;鋪粉厚度為0.15 mm;激光頻率從6Hz逐漸增大到為14 Hz。不同激光頻率下單層單道掃描線形貌見圖4�？梢钥闯�，激光掃描頻率對單道掃描的寬度、高度及表面品質(zhì)都沒有太大的影響。比較而言，激光掃描頻率為6、8 Hz時，單道線的高度稍微低一些；激光掃描頻率為12、14 Hz時，單道線輕微球化；激光掃描頻率為10 Hz時，單道線具有了一定的高度和寬度，且表面平整光滑。

  2.1.5  粉末厚度對單道掃描線成形質(zhì)量的影響

  試驗參數(shù)：激光電流為160 A;激光脈寬為4.6 ms;掃描速度為200 mm／min;激光頻率為10 Hz;鋪粉厚度從0.15 mm逐漸增大到為0.35 mm。不同鋪粉厚度下單道掃描的形貌見圖5�？梢钥闯觯�鋪粉厚度對單道掃描線的寬度、高度及表面品質(zhì)都有較大的影響。鋪粉厚度為0.15 mm時，單道線線條較細，而且表面不平整，這主要是由于粉末太薄，激光束沖擊使得粉末分布不均勻。鋪粉厚度逐漸增加，表面先變得平整然后又開始逐漸變得不光滑。鋪粉厚為0.2 mm時，單道線有明顯的高度及寬度，表面也變得平整；當鋪粉厚超過0.2 mm時，單道線線條寬度較大但表面很不平整。

  由以上試驗可得，Ni-Fe金屬粉末SLM單層單道掃描優(yōu)化工藝參數(shù)匹配范圍見表1。

2.2工藝參數(shù)對單層多道掃描試樣的影響

  單道掃描不能很好地表現(xiàn)出連續(xù)加工的影響，所以采用單層多道掃描方式。圖6為不同工藝參數(shù)下的單層多道掃描形態(tài)。

  考慮多道之間能量傳遞的影響并基于單道掃描試驗工藝參數(shù)的優(yōu)化，工藝參數(shù)中重點考慮掃描間距的影響。掃描間距為兩相鄰平行掃描線中心的距離，是由單道到單層過渡的關(guān)鍵工藝參數(shù)。由圖6d可知，隨著掃描間距的增大，成形效率相應提高，但也引起了成形表面品質(zhì)的變化。掃描間距過小時，掃描線重疊過多，導致大部分已燒結(jié)部分重熔，造成粉末的成形效率較低且可能引起制件較大的收縮、翹曲及過燒等缺陷。當掃描間距過大，掃描線彼此搭接不好，使得相鄰區(qū)域內(nèi)的總能量小于粉末燒結(jié)所需的能量，其成形表面品質(zhì)較差，出現(xiàn)了明顯的球化和不連續(xù)現(xiàn)象。所有，掃描間距選為0. 25 mm。

  通過進一步的優(yōu)化選取試驗，Ni-Fe金屬粉末選區(qū)激光熔化單層多道掃描優(yōu)化工藝參數(shù)見表2。

2.3  工藝參數(shù)對多層多道掃描試樣質(zhì)量的影響

  單層試驗較好反映了激光參數(shù)對Ni-Fe粉末熔化過程的影響，但需要進行多層多道掃描來研究單層影響的疊加效應。試驗發(fā)現(xiàn)，激光電流、激光脈寬對多層多道掃描的影響是最大的，改變這兩個參數(shù)會對多層多道掃描的可加工層數(shù)和表面品質(zhì)影響明顯，激光電流、激光脈寬過大或過小都將導致表面光滑程度和平整程度都顯著下降，甚至表面上有球化現(xiàn)象。而掃描速度和掃描間距等對多層多道掃描的影響則相對較小，雖然表面出現(xiàn)凹凸現(xiàn)象但還算光滑，可加工層數(shù)變化不是很明顯。圖7為優(yōu)化工藝參數(shù)匹配下制備出的塊體試樣，其掃描電流為140 A，激光頻率為10 Hz，掃描速度為200mm／min，脈寬為5．0 ms，鋪粉厚度為0.2 mm，掃描間距為0. 25 mm。

3  結(jié)  論

  (1)激光電流、掃描速度、激光脈寬對單道掃描的影響較大。改變這些參數(shù)時，單道線的高度、寬度及表面光滑度都變化明顯；鋪粉厚度主要對單道線的高度影響明顯；激光脈沖頻率對單道線的高度、寬度及表面光滑程度影響都較小。

  (2)鎳鐵粉末單層掃描的優(yōu)化工藝參數(shù)為：激光電流為140 A、激光脈沖頻率為10 Hz、掃描速度為200mm/min、激光脈寬為5.0 ms、掃描間距為0.25 mm、鋪粉厚度為0.15 mm。

(3)多層多道掃描優(yōu)化工藝參數(shù)：掃描間距為0.20mm;激光電流為140 A；激光脈寬為5．O ms，掃描速度為200 mm／min，激光頻率為10 Hz，鋪粉厚度為0.20mm，掃描層數(shù)為15層。 

4 摘要采用鎳鐵金屬粉末進行選區(qū)激光熔化試驗，研究工藝參數(shù)對鎳鐵粉末成形性的影響。通過單層單道、單層多道掃描試驗，分析了激光電流、脈沖寬度、掃描速度、激光頻率、鋪粉厚度、掃描間距等工藝參數(shù)對單層單道、單層多道掃描質(zhì)量的影響。以此為基礎(chǔ)，研究了不同工藝參數(shù)對多層多道掃描質(zhì)量的影響，并對不同工藝參數(shù)下的試樣形貌加以觀察和分析，最終確定鎳鐵金屬粉末選區(qū)激光熔化成形的優(yōu)化工藝參數(shù)匹配。