SLS粉末烧结

选择性激光烧结(以下简称SLS)技术最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl ckard于1989年在其硕士论文中提出的。后美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Sation。几十年来,奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作,在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作,并开发了相应的系列成型设备。

国内也有多家单位进行SLS的相关研究工作,如西安交通大学机械学院,快速成型国家工程研究中心,教育部快速成型工程研究中心,华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、中北大学和北京隆源自动成型有限公司等,也取得了许多重大成果,如南京航空航天大学研制的RAP-I型激光烧结快速成型系统、北京隆源自动成型有限公司开发的AFS一300激光快速成型的商品化设备。

选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末,并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。SLS技术的快速成型系统工作原理见图1。

整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成,工作时粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由铺粉辊将粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层,计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后,工作活塞下降一个层厚,铺粉系统铺上新粉.控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复,层层叠加,直到三维零件成型。最后,将未烧结的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件。对于金属粉末激光烧结,在烧结之前,整个工作台被加热至一定温度,可减少成型中的热变形,并利于层与层之间的结合。

与其它快速成型(RP)方法相比,SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说,任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统,所以SLS的应用越来越广泛。

SLS技术的金属粉末烧结方法

3.1金属粉末和粘结剂混合烧结

首先将金属粉末和某种粘结剂按一定比例混合均匀,用激光束对混合粉末进行选择性扫描,激光的作用使混合粉末中的粘结剂熔化并将金属粉末粘结在一起,形成金属零件的坯体。再将金属零件坯体进行适当的后处理,如进行二次烧结来进一步提高金属零件的强度和其它力学性能。这种工艺方法较为成熟,已经能够制造出金属零件,并在实际中得到使用。南京航空航天大学用金属粉末作基体材料(铁粉),加人适量的枯结剂,烧结成形得到原型件,然后进行后续处理,包括烧失粘结剂、高温焙烧、金属熔渗(如渗铜)等工序,最终制造出电火花加工电极(见图2)。并用此电极在电火花机床上加工出三维模具型腔(见图3)。

3.2金属粉末激光烧结

激光直接烧结金属粉末制造零件工艺还不十分成熟,研究较多的是两种金属粉末混合烧结,其中一种熔点较低,另一种较高。激光烧结将低熔点的粉末熔化,熔化的金属将高熔点金属粉末粘结在一起。由于烧结好的零件强度较低,需要经过后处理才能达到较高的强度。美国Texas大学Austin分校进行了没有聚合物粘结剂的金属粉末如CuSn NiSn青铜镍粉复合粉末的SLS成形研究,并成功地制造出金属零件。他们对单一金属粉末激光烧结成形进行了研究,成功地制造了用于F1战斗机和AIM9导弹的工NCONEL625超合金和Ti6A 14合金的金属零件。美国航空材料公司已成功研究开发了先进的钦合金构件的激光快速成形技术中国科学院金属所和西安交通大学等单位正致力于高熔点金属的激光快速成形研究,南京航空航天大学也在这方面进行了研究,用Ni基合金混铜粉进行烧结成形的试验,成功地制造出具有较大角度的倒锥形状的金属零件(见图4)。

3.3金属粉末压坯烧结

金属粉末压坯烧结是将高低熔点的两种金属粉末预压成薄片坯料,用适当的工艺参数进行激光烧结,低熔点的金属熔化,流人到高熔点的颗粒孔隙之间,使得高熔点的粉末颗粒重新排列,得到致密度很高的试样。吉林大学郭作兴等用此方法对FeCu,Fe C等合金进行试验研究,发现压坯激光烧结具有与常规烧结完全不同的致密化现象,激光烧结后的组织随冷却方式而异,空冷得到细珠光体,淬火后得到马氏体和粒状。

4 SLS技术金属粉末成型存在的问题

SLS技术是非常年轻的一个制造领域,在许多方面还不够完善,如制造的三维零件普遍存在强度不高、精度较低及表面质量较差等问题。SLS工艺过程中涉及到很多参数(如材料的物理与化学性质、激光参数和烧结工艺参数等),这些参数影响着烧结过程、成型精度和质量。零件在成型过程中,由于各种材料因素、工艺因素等的影响,会使烧结件产生各种冶金缺陷(如裂纹、变形、气孔、组织不均匀等)。

4.1粉末材料的影响

粉末材料的物理特性,如粉末粒度、密度、热膨胀系数以及流动性等对零件中缺陷形成具有重要的影响。粉末粒度和密度不仅影响成型件中缺陷的形成,还对成型件的精度和粗糙度有着显著的影响。粉末的膨胀和凝固机制对烧结过程的影响可导致成型件孔隙增加和抗拉强度降低。

4.2工艺参数的影响

激光和烧结工艺参数,如激光功率、扫描速度和方向及间距、烧结温度、烧结时间以及层厚度等对层与层之间的粘接、烧结体的收缩变形、翘曲变形甚至开裂都会产生影响。上述各种参数在成型过程中往往是相互影响的,如Yong Ak Song等研究表明降低扫描速度和扫描间距或增大激光功率可减小表面粗糙度,但扫描间距的减小会导致翘曲趋向增大。

因此,在进行最优化设计时就需要从总体上考虑各参数的优化,以得到对成型件质量的改善最为有效的参数组。制造出来的零件普遍存在着致密度、强度及精度较低、机械性能和热学性能不能满足使用要求等一些问题。这些成型件不能作为功能性零件直接使用,需要进行后处理(如热等静压HIP、液相烧结LPS、高温烧结及熔浸)后才能投人实际使用。此外,还需注意的是,由于金属粉末的SLS温度较高,为了防止金属粉末氧化,烧结时必须将金属粉末封闭在充有保护气体的容器中。


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