金属粉末激光选区烧结过程的特征探讨

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摘要：本文在分析和实验的基础上，系统地阐述了大功率激光直接烧结金属粉末成形金属件的一些基本特征。这主要包括在激光烧结成形过程中的熔池球化特征、熔体流动特征，动态凝固组织特征，进一步探讨烧结过程的基本规律，为金属粉末的直接激光烧结成形提供了依据。
关键词：激光选区烧结，金属粉末，过程，特征

自从快速成形技术诞生以来，金属零件的快速制造就成为一个令人瞩目的研究方向[1~3]。其中选区激光烧结（SelectiveLaserSintering，简称SLS）技术因可进行金属零件的快速制造而倍受关注。到目前为止，人们的研究主要集中在高低熔点二种金属粉末混合或在金属粉末中混合某种粘结剂，用较小的激光功率烧结成形金属零件[4~5]，而对用大功率激光直接烧结金属粉末成形金属件研究较少。本文是在以前研究工作的基础上[6~7]，从分析烧结现象入手，弄清金属粉末激光直接烧结过程的基本特征，进一步探讨烧结过程的基本规律，使人们对采用大功率激光直接烧结金属粉末成形金属件有一个比较完整而清晰的认识。

1SLS的基本原理

SLS的基本原理如图1所示，其工艺过程是通过分层切片软件将CAD模型进行分割，形成若干个簿层平面。烧结成形时，首先用铺粉装置进行铺粉，然后激光根据层面的几何形状有选择地对材料进行扫描，使粉末熔化，并粘结在下层材料上，而未被激光扫描烧结的粉末则作为零件的支撑体。在完成一层烧结后，工作台下降一个切片厚度，重新铺粉、烧结，重复这样的过程，直到烧结出整个零件。2成形过程特征探讨

2.1熔池球化特征

金属粉末熔化后形成的熔池形状取决于三种不同物质的气、液、固三相接触的情况，也可以说取决于接触物质之间的界面张力。在三相交点上的液体质点，设其受气体质点的作用力为f1；受液体质点的作用力为f2；受固体质点的作用力为f3。f1、f2、f3分别指向气、液、固三相的内部，如图2所示。f1、f2、f3合力的大小、方向取决于熔池所处的位置。在粉末上的熔池，由于粉末是松散的，颗粒之间存在间隙，它们的结合力较小，使得f1、f2、f3总的合力F指向液体内部，如图2(a)所示，液面与固－液体界面的夹角为钝角，此时，界面张力将使液面缩为球状，熔池形状是球形。在这种条件下进行烧结成形，由于熔池在多个方向流动力偶的作用下，粘接周围的粉末,并形成一个球形熔池。随着激光移向下一个熔区，使得已粘接周围粉末的熔池冷却和凝固加快。如果激光作用下的下一熔区没有足够的粉末材料（因这里的粉末已被前一熔区粘接走），则不能形成新的熔池。只有移动到一定距离以后，才有足够的粉末材料被熔化，形成一个新的熔池，这样重复形成一个个新的球体。因此烧结线是由一串圆球组成。在基体部分的熔池，由于固体质点的作用力f3较大，使得f1、f2、f3总的合力F?指向固体，如图2(b)所示，液面与固－液体界面的夹角为锐角，界面张力将使液面沿着固体表面张开，熔池的形状在垂直扫描方向上是以扇形形状出现，而在沿着扫描方向上熔池是连续的，难以形成单个球体。整个熔池形状是由基体熔化深度所决定的，基体熔化深度越大，熔池的椭圆度越大，越有利于烧结成形。2.2熔体流动特征

在激光烧结成形过程中，作用在金属熔池内的流体单元上的力主要是体积力和表面力。其体积力主要是熔池内的温度差(?Τ)和浓度差(?C)所引起的浮力，而表面力主要是熔池表面的温度差(?Τ)和浓度差(?C)所引起的表面张力差，由于烧结成形采用的小光斑（d=1mm），熔池中的表面张力占主要作用，在这种情况下，可忽略体积力的作用。

表面张力受熔池表面的温度变化及溶质浓度变化的影响[8]。式中：σ0是一个与温度和浓度无关的常数，它是纯金属在熔点时的表面张力值。显然，当激光作用下的熔池表面存在温度梯度或溶质浓度时，势必产生一个表面张力梯度?σ/?r，由此引起熔体的对流驱动力Fσ。表面张力驱动力为：式中：(?σ/?T)*?T为温度梯度引起表面张力差；(?σ/?c)*?T为浓度梯度引起表面张力差；δ(z)为δ-函数；H(d?r)为Heaviside函数。δ-函数和Heaviside函数表明熔体对流驱动力仅存在于熔池表面，它是一个表面力。

在激光束的作用下，靠近能束光斑中心附近，其熔体的表面温度最高，而偏离中心区域越远，其表面温度越低。相应地，对于金属熔体，其表面张力场的分布规律为熔池中心表面附近的表面张力值最低，而熔池边缘附近的表面张力值最高。这样在熔池中就产生了强制对流的机制。在垂直扫描方向