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   日期︰2019-12-02     來源︰3d打印網    作者︰佚名    瀏覽︰115    評論︰0    

粉末床激光熔化(LPBF)是一種多用途的增材制造工藝,可直接從CAD文件生產出復雜的金屬零件,無需昂貴的模具, 並且能夠最大程度減少材料浪費。選擇用于熔融和固化金屬粉末的工藝參數至關重要,因為合金的熱反應會影響其完整性和強度。正確選擇適合所加工材料和特定零件的參數是加工成功的關鍵,尤其是在批量生產應用中。 雷尼紹(Renishaw)增材制造應用總監Marc Saunders 闡釋了如何計算金屬增材制造 (AM) 零件的理想工藝參數,探討了粉末床激光熔化工藝參數選擇的考量因素,以及這些因素如何定義“操作窗口”,並分析了加工過程對零件幾何形狀變化的靈敏性,這也是在進行零件3D打印時需要針對具體應用選擇特定參數的原因。上篇探討了粉末床激光熔化工藝的熔融特性及其對零件密度的影響。本期,將分享本文的下篇,包括︰固化與微觀結構,最優激光工藝,掃描線距離,層厚,為什麼需要安全系數,標稱和特定參數集。

block 最優激光工藝

block 固化與微觀結構

對于金屬零件的性能特征形成而言,最關鍵的是固化過程。固化過程決定微觀結構,進而形成材料特性。許多合金很復雜,可能在不同的溫度和構成下以多相形式存在,因此不會一次全部固化,而且通常也不會在焊道內均勻固化。在容易散熱的位置冷卻速度非常快,並且大部分熱量會從熔池中傳導到周圍的固態金屬中。而相對較少的熱量會散發到附近的未熔融粉末中, 或者通過輻射散發到加工艙中。

冷卻的樹枝晶體在“糊狀”區域發生應變,產生固化裂紋

圖9 冷卻的樹枝晶體在“糊狀”區域發生應變,產生固化裂紋。來源︰雷尼紹

隨著熔融金屬冷卻下來,熔池外部區域的溫度也下降到液相線溫度以下,這時合金的一個或多個相將開始固化。熔池的外邊緣會形成蜂窩狀樹枝晶體,並向中心生長。殘余的液相滯留在這些初級樹枝晶體之間,在達到其更低的熔點時才會固化。對向的蜂窩狀樹枝晶體生長前沿形成了單獨的晶界,剩余的液相也會在晶界中聚集。冷卻過程會在這些蜂窩狀和晶界區域施加應變, 通過某些材料中的“熱撕裂”或固化裂紋過程,可能會產生不應該存在的孔隙。如果不同相的固化溫度差異很大,就會出現最糟糕的情況。正如所見,熔池的尺寸、持續時間和冷卻速度很重要,因為這些因素決定材料的熱反應。持續時間較長的熔池冷卻速度較慢,會產生比較粗糙的微觀結構,晶粒更大,樹枝晶更厚。相比之下,較小的熔池冷卻速度較快,可形成較為精細的微觀結構。

選區激光熔化(SLM)態鎳基合金中形成的柱狀晶粒

圖10 選區激光熔化(SLM)態鎳基合金中形成的柱狀晶粒(左),從圖中可以看出細長晶粒沿加工方向排列,而且跨越多層。此外,還有一些固化裂紋和晶界裂紋。序後熱處理可以閉合這類孔隙,而且還可以修改微觀結構以產生更多的等軸晶粒,從而形成更標準的材料屬性。來源︰雷尼紹

較深的熔池也會導致已固化的金屬發生更大程度的重熔,進而影響其微觀結構。較高的激光功率會導致形成更長的柱狀垂直晶粒,每個晶粒都跨越多層。由于較深的熔池與下方的金屬固體有較大的接觸面積,因此更多的熱量向下傳導,導致在垂直方向上形成更多晶粒。這會造成垂直與平行加工方向的機械特性差異加大。

block 最優激光工藝

因此,雷尼紹團隊決定計算出一種理想的速度和功率組合,以形成深度、寬度和持續時間最優的熔池。也就是說,以最優能量加工零件。找到正確的組合,即可降低孔隙率,形成滿足材料特性和生產力要求的微觀結構。一種辦法是計算“能量密度”,即施加到單位體積材料上的能量。能量密度恆定時,激光功率和掃描速度成反比。因此,在P-V坐標系中,能量密度輪廓線從原點輻射,同時密度與輪廓線的梯度相關。

X即為這種材料的最佳加工點

圖11 X即為這種材料的最佳加工點。來源︰雷尼紹

針對所選擇的材料和層厚,存在一個最佳能量密度,這個密度能夠實現最高的加工效率和最準確的微觀結構。在選擇工藝參數時,我們希望在增材制造設備的激光和聚焦光學組件的能力範圍內,盡可能遠離邊界避免冒險進入球化區間。從而實現最優的材料特性和生產力。在圖11中,“X”即為最佳加工點。

block 掃描線距離

上文的分析中缺少一個關鍵因素︰掃描線距離。上文的示意圖中假定掃描線距離是固定的,因此能量密度僅由激光功率和掃描速度決定。

能量密度公式

圖12 能量密度公式。來源︰雷尼紹

事實上,掃描線距離可以獨立于功率和速度而變化,而且還會影響能量密度。因此,通過改變掃描線距離可以沿多條P-V輪廓線保持相同的能量密度。因而可以通過許多不同的方式施加相同的能量到加工層上。下圖中橙色箭頭所示的所有三個輪廓線具有相同的能量密度。例如,如果采用較高的功率/速度比(即我們選擇更接近深孔形成區的較陡的輪廓線),則可以通過增加掃描線間距來保持能量密度恆定。這樣是可行的,因為如果用穿透性更強的激光束形成更寬、更深的熔池,那麼可以在確保所有掃描線彼此相融的前提下, 增加掃描線之間的間距。

 
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