选区激光熔化S136模具钢粉末成形工艺研究

时间：2024-07-29

朱学超，魏青松，孙春华

(1.苏州市职业大学机电工程学院，江苏苏州 215104；2.华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北武汉 430074)

选区激光熔化(selective laser melting，SLM)技术作为增材制造最具前景的研究方向之一，具有制造精度高(可达0.05 mm)、表面质量好、材料利用率高和工艺简单等特点，能快速直接成形具有形状复杂、轻量化、近完全致密度的金属零件，在医疗、汽车、模具、航空航天等领域都得到应用[1-3]。选区激光熔化技术(SLM)能够快速成形金属模具，已成为该领域研究和应用的热点。作为一种新技术、新工艺，主要解决了注塑模具随形冷却水道的设计和加工，随形冷却水道的形状随着注塑制品的外形变化而不再呈直线状，可以使得注塑制品得到均匀的冷却，冷却时间和制品变形减少[4-8]。

目前，商用的SLM成形金属模具的材料仅有18Ni300(马氏体时效钢MS1)金属粉末，远不能满足模具工业生产和发展的需求[9]。S136模具钢属马氏体不锈钢，机械加工性能好，抛旋光性能佳、耐腐蚀性和耐磨性好、强度高，在各种塑料模具制造中广泛应用。因此，本研究选取S136模具钢粉末为选区激光熔化成形对象，通过单道扫描试验，将成形稳定度作为评价标准，研究成形工艺窗口，为进一步研究最优工艺参数提供基础。

1 实验材料、设备及方法

1.1 实验材料

采用气雾化S136模具钢粉，该粉末平均粒径为27 μm，呈大小不等的规则球形或近球形，粒径大小分散，具有较好流动性和铺粉性能，为SLM成形较高致密度的制件提供了必要条件。S136的粉末化学组成如表1所示，其粉末微观形貌与粉末粒径分布如图1所示。

表1 S136的粉未化学组成

图1 S136粉末微观形貌与粉末粒径分布

1.2 实验设备

成形采用华中科技大学快速制造中心自主研发激光熔化设备HRPM-Ⅱ，配有200 W连续模式光纤激光器和三维动态聚焦振镜，光斑直径50～100 μm，扫描速度10～1 000 mm/s，铺粉厚度20～80 μm，成形腔大小为250 mm×250 mm×450 mm，双缸下送粉，铺粉辊移动铺粉。熔池宽度使用上海蔡康光学仪器有限公司制造的精密光学显微镜MC006-5XB-P测量，可实现最大2 000倍的放大，安装二维图像测量定倍软件DS-3000，具备二维测量和照相功能。

1.3 实验方法

实验前将粉末置于60 ℃烘箱内烘干6 h，完全去除水分，增强粉末流动性，提高铺粉质量。密封的设备成形空间抽真空，通入高纯氩气(99.999%)，形成惰性气体保护氛围。实验基板是316L不锈钢材质，单道扫描实验之前要将基板表面使用砂纸打磨处理，用分析醇擦拭干净，再将不锈钢基板用螺栓固定在设备基板上调平，铺上一层约为0.02 mm的S136粉末，采用不同的工艺参数做单道扫描实验，其中激光功率间隔10 W，扫描速度间隔50 mm/s，实验工艺参数如表2所示。单道成形后运用光学显微镜观察熔池微观形貌，研究激光功率和扫描速度对熔池形貌的影响规律。

表2 实验工艺参数

2 实验结果与分析

2.1 单道扫描熔池特征定义

SLM 技术是由线到面，再由面到体的成形方式。因此，研究激光单道熔化轨迹对了解面和体的成形规律以及优化成形参数有着重要的意义[10]。为了获取尽可能准确的工艺窗口，设置了如表2所示的较宽范围激光功率和扫描速度参数，共计64组参数，单道扫描结果如图2所示。

运用光学显微镜对熔池进行观察，熔池呈现不同的形貌特征，对熔池形貌特征分类定义如图3所示，图3(a)粉末沿熔道呈分散球状，定义为未熔；图3(b)大颗粒粉末沿熔道断续熔融，可见细微的球化分布在熔道两边，定义为断续；图3(c)熔道连续平直，表面形貌呈相对均匀的鱼鳞片状，定义为熔化；图3(d) 熔道宽度过大，中间可见过度氧化的深色瘢痕，熔道两边出现较大的球化，定义为过熔。根据单道扫描的特征定义，将所有参数的单道扫描结果进行特征比对分类，得到单道扫描特征分类窗口如表3所示。

图2 单道扫描结果

图3 单道扫描特征定义

表3 单道扫描特征分类窗口

2.2 单道扫描实验熔池稳定度分析

由表3可见，可熔化区很大，可熔化参数多，而且各自成形特性也有明显差异，必须缩小工艺窗口，找出若干组较优激光功率—扫描速度进行后续块体成形实验。为此，对处于熔化状态的每个参数的单道扫描结果采集10个单道熔宽数据，将其平均数作为该参数下“单道熔宽”，将方差定义为该参数下的“成形稳定度”，成形稳定度(方差)如表4所示。数值越小表示成形越稳定，越适合成形。选取方差小于60且连续的参数作为成形较稳定的参数，如表4成形稳定度(方差)加下划线的参数所示，以这些稳定参数绘制工艺窗口，如图4所示的折线内部的激光功率—扫描速度参数为成形良好的参数组合。

图4 单道扫描成形工艺窗口

表4 成形稳定度(方差)

2.3 激光功率和扫描速度对成形质量影响

2.3.1 激光功率对成形质量影响

S136单道扫描轨迹熔道宽度受激光功率、扫描速度的影响规律如图5所示。由图5可知，在扫描速度不变情况下，单道扫描轨迹熔道宽度随激光功率增强而变宽；在激光功率不变情况下，单道扫描轨迹熔道宽度随扫描速度增大而减小。原因是激光功率增大或扫描速度减小，激光作用在粉末上的能量越强或时间越长，即激光能量密度大时，能熔化粉末量也越多。因此，对相同厚度的粉末，熔化后得到的轨迹熔道宽度也越大。

2.3.2 扫描速度对成形质量影响

扫描速度600 mm/s时，不同激光功率下的单道熔道比较如图6所示。

由图6(a)可见，激光功率120 W时，熔道可见较大金属球，这是球化现象[11]，产生原因是扫描的激光功率较小，激光能量密度小，熔池温度较低，熔融金属粘度较大，润湿性差，液态金属聚积形成球体，使表面张力达到平衡状态，熔融金属聚集球化时，必然导致熔道轨迹上其他部位熔融金属的缺失，这就是图3(b)所示熔道断续的原因；由图6(b)和图6(c)可以看出，熔道呈现鱼鳞状连续平直的扫描轨迹，熔覆道宽度相对固定且形貌规则，便于后续实现面扫描单道与单道之间的搭接和体成形层与层之间熔池的均匀重合，减少孔隙产生，提高成形件致密度；图6(d)可见在熔道两边分布若干球化小球，有别于图6(a)所示，产生原因是激光能量密度较大，激光溶化粉床表面时引起的熔池飞溅，这种细微球化在下一道扫描搭接时会再次熔化凝固，对成形质量影响较小。

图5 激光功率和扫描速度对轨迹宽度的影响

图6 扫描速度600 mm/s时，不同激光功率下的单道熔道比较

激光功率140 W时，不同扫描速度下的单道熔道比较如图7所示。单道熔宽随扫描速度的增加而减小，原因是扫描速度快慢决定了激光在粉末上的作用时间。作用时间越长，激光能量密度越大，熔化粉末量增多，熔池温度越高，液体金属的粘度减小，使熔池宽度呈现较宽的形貌。由图7(a)和图7(b)可见，熔道呈现鱼鳞状连续平直的扫描轨迹，质量较好；由图7(c)可见，熔道两边出现了一些细小的金属球，且随扫描速度增大，金属球明显增多，这是因为激光束对粉末的快速熔化引起的熔液飞溅。由图7(d)可见，过烧现象发生在激光能量密度极大(扫描速度低且激光功率高)时，熔道呈现灼烧的深褐色瘢痕，同时伴随着熔道宽度不均匀甚至不连续现象，过烧对成形件力学性能不利。

图7 激光功率140 W时，不同扫描速度下的单道熔道比较