镍基高温合金选择性激光熔化的工艺参数

吴　桐,　刘邦涛,　刘锦辉

(1.黑龙江科技大学 现代制造工程中心， 哈尔滨 150022; 2.黑龙江科技大学， 机械工程学院 哈尔滨 150022)



镍基高温合金选择性激光熔化的工艺参数

吴桐1,刘邦涛2,刘锦辉1

(1.黑龙江科技大学 现代制造工程中心， 哈尔滨 150022; 2.黑龙江科技大学， 机械工程学院 哈尔滨 150022)

为研究不同工艺参数对镍基高温合金选择性激光熔化成形质量的影响,通过单层单道实验,分析激光功率、扫描速度和铺粉厚度等工艺参数对熔化道的宽度、连续程度和表面质量的影响。结果表明:当前实验条件下,合理的工艺参数取值范围为激光功率250～300 W,扫描速度600～800 mm/s,铺粉层厚0.02～0.03 mm。该研究成果可以为后续的块体成形综合性能研究奠定基础。

镍基高温合金; 选择性激光熔化; 工艺参数; 表面质量

0　引　言

航空航天和武器装备等领域中，一些具有特殊性能和复杂结构的金属零件,如航空发动机涡轮盘等,通常采用的材料均为难加工材料[1-3]。这些材料用传统方法进行加工制造,不仅加工周期较长,且材料利用率极低,尤其对于具有高复杂结构的零件,甚至使制造无法完成,难以满足社会市场的需求[4-7]。随着科学技术的不断创新与发展,选择性激光熔化(Selective laser melting,SLM)成形技术应运而生。SLM技术突破传统模具制造的束缚,提供一种不需要特定模具可以完全自由加工的新方法[8-10]。由于SLM技术对成形材料质量、激光光束质量与稳定性、工艺参数等有较高的要求[11-14],所以,众多学者都在做着深入的探讨和研究。笔者将着重探讨成形工艺参数对成形质量的影响,探索IN718镍基高温合金选择性激光熔化的粉末成形规律,选取IN718镍基高温合金粉末成形优良的工艺参数,为后期镍基高温合金零件的制造提供理论基础。

1　实验材料、设备与方法

实验材料、设备及方法的确定是整个实验顺利进行的必要保证,实验材料采用由美国CARPENTER公司生产制造的气雾化镍基高温合金IN718粉末,粉末粒径在10～38 μm之间,粉末的形貌如图1所示。粉末形状基本为球形且流动性良好。粉末化学成分及质量分数如表1所示。为去除水汽等可挥发杂质,成形前需要对粉末进行干燥处理,采用DZ-2BC-Ⅱ型真空干燥箱,干燥温度60 ℃,干燥时间2 h。

图1　IN718 粉末颗粒电镜照片

Table 1　IN718 chemical composition %

为保证熔化金属与基板之间达到良好的冶金结合,避免制件脱落,基板材料的选择和成形前的处理至关重要。本实验基板材料采用45#钢,化学成分如表2所示。经过成形材料与基板材料物理性能的比较,基板材料理论上可以与成形材料达到良好的冶金结合。由于基板材料与成形材料地黏接对后续的熔化成形十分重要,所以还需考虑如何将第一层扑粉和基板很好的黏接在一起。在确定激光功率等参数后,第一层扑粉厚度不易过厚,否则,将因为与基板接触部分无法充分熔化而影响黏接效果。基板安装前需要完成除锈和除油处理,并用角磨机打磨至基板表面平整且具有金属光泽,之后使用丙酮对打磨好的表面进行清洗、擦拭和烘干,以保证成形零件受残留油污影响。

表2　45#钢化学成分

实验设备采用哈尔滨福沃德多维智能装备有限公司制造的FORWARD LM180金属粉末熔化成形机。该设备装有一台IPG YLR-500连续波光纤激光器、一套自动送粉装置、真空保护系统以及控制操作系统。连续波光纤激光器的光斑直径70 μm,激光波长为1.06～1.10 μm,最大输出功率500 W。成形设备制件过程中需要保证零件的机械性能,避免材料氧化造成的不利影响,因此设备配有气体保护系统,整个成形过程均会在氩气保护下进行,不仅可以提高材料的利用率,而且可以有效保证成形质量的稳定性。

为探寻该实验条件下适合IN718镍基高温合金SLM成形工艺参数,基于国内外学者的研究成果,采用单因素方法,研究成形过程中最为重要的几个工艺参数的激光扫描功率P、激光扫描速度v、扫描铺粉层厚h和扫描线间的间距s对零件成形质量的影响。探寻镍基高温合金SLM成形的各工艺参数最优取值范围。

2 结果与分析

2.1激光功率的影响

研究不同激光功率对单层单道扫描成形线宽b的影响,设定实验主要参数为:激光扫描速度v=600 mm/s,铺粉厚度h=0.03 mm,激光扫描功率P以50 W为增量从50 W逐步增大至450 W。对不同激光扫描功率下单层单道扫描成形线宽进行测定,如图2所示。由图2可知,随着激光功率的不断增大,单层单道扫描成形线宽不断增加,最终趋于平稳。在激光功率相对较小的情况下,扫面线并不十分连续,有断线现象,这是由于激光功率较小,不能充分使粉末熔化,因此产生不连续的断线情况;扫描线宽逐步增加,这是因为激光功率的增大,激光辐射的能量增多,成形金属粉末表面吸收的能量增加,热量则向更宽更深的方向延伸,熔池区域面积增大,最终使单层单道扫描成形线宽增大。由于激光光斑直径大小一定,所以扫描成形线宽最终趋于平稳。

Fig. 2Width of scan forming line cure under different laser power

其他工艺参数相同,在不同激光扫描功率条件下的单层单道扫描线形貌表征如图3所示,图片按组别数从左至右依次排开,图3a～h以50 W为增量,P分别为50～350 W和450 W。

图3　不同激光功率下的扫描线形貌

Fig. 3Scan forming line morphology under different laser power

由图3可以看出,激光扫描功率数值大小不仅对扫描线宽的影响较大,对扫描线成形表面形貌的影响也颇为明显。当激光扫描功率在50～200 W之间时,单层单道扫描线表面质量及整体连续程度较差,这是因为当激光功率较小时,成形金属粉末吸收激光辐射的能量偏小,不足以使粉末充分熔化,未熔化部分成为夹杂物,降低了液相与基体之间的润湿性;在之后层层累加的成形过程中,形成孔隙和裂纹等缺陷,降低了成形表面质量和零件致密度。当激光扫描功率在250～300 W之间时,单道扫描线的成形表面质量得以改善,且扫描成形线较为平整呈连续状。当激光扫描功率增加至350～450 W范围时,单道扫描线表面粗糙度增加,表面出现轻微的褶皱、气孔及球化缺陷。这是由于激光功率的增大引起了熔池内的对流作用加剧,使得扫描线的表面质量下降,同时,过大的激光辐射能量导致扫描线出现过烧现象,金属粉末发生氧化,表面颜色和光洁度下降。综上,可以确定激光功率在250～300 W范围内时,见图3e和3f扫描线表面的质量最优。

2.2激光扫描速度的影响

研究不同激光扫描速度对单层单道扫描成形线宽的影响,设定实验参数:激光功率P=600 mm/s,铺粉厚度h=0.03 mm,激光扫描速度以100 mm/s为增量,从100逐步增大到1 000 mm/s。对不同激光扫描速度下单层单道扫描成形线宽进行测定,如图4所示曲线。

图4　不同激光扫描速度下扫描线宽曲线

Fig. 4Width of scan forming line cure under different laser scanning speed

从图4可以看出,随着激光扫描速度的不断增大,单层单道扫描成形线宽逐渐减小。这是因为随着激光扫描速度的不断增大,能量单位时间内作用在粉末上的时间缩短,则激光辐射作用于成形金属粉末的能量减少,直接导致粉末吸收的能量减少,熔池变小,最终使得单层单道扫描成形线宽减小。然而过大的激光扫描速度易使成形金属粉末的熔化不够充分,导致粉末飞溅加剧,这就大大降低了成形表面质量,因此,选择适中的激光扫描速度,对成形质量会起到一定积极作用。

其他工艺参数相同,在不同激光扫描速度条件下的单层单道扫描线形貌表征如图5所示。图5a～5i以100 mm/s为增量,v分别为100～900 mm/s和1 000 mm/s从图5可以看出,当激光扫描速度在100～500 mm/s之间时,单层单道扫描成形线表面出现类似鱼鳞纹、过烧以及扫描线不平整等质量缺陷。这是因为当激光扫描速度较低时,作用于金属粉末的时间过长,金属粉末吸收过多的激光能量使得扫描线表面极容易形成气孔和出现过烧现象。当扫描速度在600～800 mm/s范围之间时,见图5f～5h,扫描成形的线较为平整光亮,成形质量相对较好。当激光扫描速度在900和1 000 mm/s时,如图5h和图5i单道扫描成形线逐渐变细且出现不均匀及轻微的球化现象,且单层单道扫描线连续性降低,出现较小的孔隙,且扫描速度越高成形的零件质量越差。这是因为激光扫描速度逐渐增大,激光作用于金属粉末的时间较短,金属粉末吸收的能量较少,不足以使粉末充分熔化,降低了液相与基体之间的润湿性和冶金结合性。

图5　不同激光扫描速度下的单道扫描成形线形貌

Fig. 5Scan forming line morphology under different laser scanning speed

2.3铺粉厚度的影响

研究不同铺粉厚度对单道扫描成形线宽的影响,设定激光功率为250 W,激光扫描速度为600 mm/s,铺粉厚度以0.01 mm为增量,从0.01 mm逐渐增大到0.06 mm。对不同铺粉厚度条件下的单层单道扫描成形线宽进行测定,结果如图6所示。从图6可以看出,随着铺粉厚度的不断增大,单层单道扫描成形线宽变化不大,只有很小的波动。这是因为激光功率和激光扫描速度一定,激光辐射的能量值不变,金属粉末吸收激光能量值也基本不变,只受激光光斑直径大小的影响,由于光斑直径的上下摆动导致单道扫描成形线宽只有很小波动。但随着铺粉厚度的增加,过厚的铺粉量使基板和粉末之间不能很好的黏接。

图6　不同铺粉层厚条件下扫描线宽曲线

Fig. 6Width of scan forming line cure under different power-bed depth

其他工艺参数相同,在不同铺粉厚度条件下的单层单道扫描线形貌表征如图7所示。由图7可知,当铺粉厚度在0.01 mm时,见图7a,单道扫描线表面会出现扫描线不连续和表面不平整等现象。原因在于当铺粉厚度过低时,激光作用于金属粉末的过程中,粉末量较少导致熔池铺展的不均匀,进而使扫描线表面产生孔隙及扫描线不连续等现象。当铺粉厚度在0.02～0.03 mm之间时,见图7b和7c,扫描线整体平整均匀。当激光铺粉厚度在0.03～0.06 mm时,如图7d～7f,随着铺粉厚度的不断增加,单层单道扫描线表面质量逐渐变差,有鱼鳞状出现,且有轻微的球化现象。厚度越大,单层单道扫描线表面凹凸不平和球化现象越明显。分析原因,在于铺粉厚度过大,激光作用于金属粉末的熔池深度有限,不能熔化全部粉末,底部的金属粉末不能和基板充分的冶金结合,因此成形质量偏低。

图7　不同铺粉层厚下的扫描线形貌

Fig. 7Scan forming line morphology under different power-bed depth

由以上实验可以得出,IN718镍基高温合金激光熔化单道扫描成形最优工艺参数范围如表3所示。

表3最优工艺参数范围

Table 3Optimal process parameters of inconel 718 SLM test

P/Wv/mm·s-1h/mm250～300600～8000.02～0.03

3　结束语

笔者采用单因素实验方法,对镍基高温合金进行单层单道扫描实验的工艺参数进行研究。分别分析激光功率、扫描速度和铺粉层厚对扫描线宽和表面烧结质量的影响。激光功率过小扫描线连续性差,激光功率偏大则会引起扫描线出现过烧现象;激光扫描速度过快粉末熔化不充分,易产生粉末飞溅缺陷,扫描速度过慢则会导致扫描线表面出现类似鱼鳞纹、过烧以及扫描线不平整等质量缺陷。因此,激光功率的最佳工艺取值范围在250～300 W,激光扫描速度的最佳工艺取值范围为600～800 mm/s,

当铺粉厚度在0.02～0.03 mm时,扫描线整体平整均匀。该研究可以为镍基高温合金零件的制造提供了理论支持。

[1]SANTOS E C, SHIOMI M, SAKADA K, et al. Rapid manufacturing of metal components by laser forming[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46(12): 1459-1468.

[2]张勇, 何新波, 曲选辉, 等.超高温材料的研究进展及应用[J]. 材料导报, 2007, 21(12): 60-64.

[3]王会阳, 安云岐, 李承宇, 等. 镍基高温合金材料的研究进展[J].材料导报: 纳米与新材料专辑, 2011, 25(2): 482-486.

[4]MUMTAZ K A, ERASENTHIRAN P,HOPKINSON N.High density selective laser melting of Waspaloy[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2008, 195(1): 77-87.

[5]付立定. 不锈钢粉末选择性激光熔化直接制造金属零件研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2008.

[6]BARDROSSANAY M,CHILDS T H C. Further studies in selective laser melting of stainless and tool steel powders[J]. International Journal of Machine Tools&Manufacture, 2007, 47(5): 779-784.

[7]杨永强, 吴伟辉, 来克娴, 等. 金属零件选区激光熔化直接快速成形工艺及最新进展[J]. 航空制造技术, 2006(2): 73-76.

[8]张永忠, 石力开, 章萍芝, 等.激光快速成形镍基高温合金研究[J]. 航空材料学报, 2002, 22(1): 169-172.

[9]王会阳, 安云岐,李承宇, 等.镍基高温合金材料的研究进展[J]. 材料导报: 纳米与新材料专辑, 2011, 25(2): 482-486.

[10]SANTOS E C, SHIOMI M, OSAKADA K, et al. Rapid manufacturing of metal components by laser forming[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46(12): 1459-1468.

[11]YADROISTSEV I, BERTRAND P, LAGET B, et al. Application of laser assisted technologies for fabrication of functionally graded coatings and objects for the International Thermonuclear Experimental Reactor components[J]. Journal of nuclear materials, 2007, 362(2): 189-196.

[12]刘锦辉, 刘邦涛, 魏青松, 等. 大功率激光熔化镍基高温合金成形实验研究[J]. 黑龙江科技学院学报, 2014, 24(4): 422-425.

[13]陈光霞, 曾晓雁. SLM 激光快速成型设备的设计与开发[J]. 机械设计与制造, 2010(8): 15-16.

[14]SONG B, DONG S, CODDET P, et al. Fabrication of NiCr alloy parts by selective laser melting: columnar microstructure and anisotropic mechanical behavior[J]. Materials & Design, 2014(3): 1-7.

(编辑徐岩)

Study on nickel-based superalloy selective laser melting process parameters

WUTong1,LIUBangtao2,LIUJinhui1

(1.Morden Manufacture Engineering Center, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2. School of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is a study on the effect of various process parameters on the nickel-base superalloy selective laser melting forming quality. The study, based on single single-channel experiments, analyzes the effect of laser power, scanning speed, and dusting thickness and other process parameters on the melting channel width, the degree of continuity and surface quality. The results show that, under the current experimental conditions, the reasonable process parameter ranges are 250 W for the laser power, 600 mm / s for the scanning speed , and 0.02 mm for dusting thickness. The research may lay the foundation for a comprehensive study of the performance of the subsequent block shape.

nickel-based superalloy; selective laser melting; process parameters; surface quality

2015-05-20

国家自然科学基金项目(51405138);黑龙江省自然科学基金项目(20201104；E201328)

吴桐(1981-),男,黑龙江省哈尔滨人,工程师,研究方向:多轴数控加工工艺参数优化,E-mail:123747678@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.04.003

TG665

2095-7262(2015)04-0361-05

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