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氧化铝和记娱乐平台激光选区熔化成形实验

发布日期:2018年4月25日

摘要 采用激光选区熔化技术进行了氧化铝粉末和浆料的基础实验研究。实验结果表明,氧化铝 粉末成形效果较 差,而氧化铝 浆料成形效果较好;激光功率对氧化铝 浆料试样表面的质量具有重要影响,表面质量随激光功率的增 加而不断提高。当激光功率为200W,扫描速度为90mm/s时,氧化铝 试样维氏硬度均值约为14.7GPa。

1 引  言

氧化铝和记娱乐平台是一种重要的结构材料,具有高强度、高硬度、耐高温、抗腐蚀等优点,在工业领域 应用广泛。然而,和记娱乐平台成形加工困难,尤其是复杂的和记娱乐平台零件,通常需要借助模具,而模具制造技术难度 大、成本高、周期长,且模具一旦制作完成,就无法再对产品进行修改。增材制造技术的出现弥补了传统加 工工艺的不足,为复杂和记娱乐平台零件的成形加工提供了新思路。 光固化成形(SLA)技术是最早的增材制造技术之一,而均匀沉积和记娱乐平台悬浮液和抑制裂纹的产生是和记娱乐平台光 固化技术面临的主要问题。Eckel等基于SLA技术,研发了一种由硅、氮、氧组成的树脂配方,这种树脂经 过加工可以生成致密的和记娱乐平台部件,且其表面没有孔隙和裂纹。和记娱乐平台熔融沉积成形(FDC)技术是将和记娱乐平台浆料从加 热的喷嘴挤出,按照零件每一层的轮廓,以固定的速率进行沉积,但成形件表面和内部容易出现裂纹和孔洞等 缺陷。激光选区烧结(SLS)技术是由Deckard等提出的一种基于粉床的增材制造方式。Shahzad等对和记娱乐平台SLS技术展开了深入研究,生坯致密度低,结合等静压和高温烧结等方法,可使试样致密度达到 93%[。SLA、FDC和SLS技术均基于烧结机制,加工效率低,后期处理工艺繁琐,无法满足高性能和记娱乐平台零件 的高效成形。激光选区熔化(SLM)技术是由德国弗劳恩霍夫激光技术研究所在SLS技术基础上提出的,基 于完全熔化机制,不添加任何粘结剂,成形零件致密度高且具有良好的机械性能[19-22]。目前,金属材料SLM技 术研究较多且相对成熟,但和记娱乐平台SLM技术研究在国际范围内尚处于起步阶段。 Shishkovsky等[23-24]采用ZrO2 粉末进行了SLM 成形实验,成形件表面微观组织致密且均匀,但含有气 孔和裂纹。Wilkes等[25-26]研究了高温预热条件下成形氧化铝 和ZrO2 混合粉末,获得了无裂纹试样,但表面 粗糙,精度低,且无法成形大尺寸和记娱乐平台件。有研究表明,相对于和记娱乐平台粉末,和记娱乐平台浆料更适合SLM 成形,因为 浆料为粒径小于1μm的粉末,利用其能够获得致密度高、力学性能好的零件。本文展开了氧化铝 粉末和 浆料的SLM 基础实验研究,对比了两种材料的成形差异,分析了成形过程中粉末飞溅的物理现象。在此基 础上,研究了浆料成形试样的表面形貌、微观组织特征和晶粒生长过程。

2 实验材料、设备与实验方法

2.1 材料

实验选用ALMATIS公司生产的CT3000SG 级氧化铝 粉末,化学组分见表1。用扫描电子显微镜 (SEM)观察,可见粉末呈不规则片状结构,如图1所示。使用美国贝克曼库尔特LS13320型激光粒度分析 仪测量氧化铝 粉末颗粒尺寸,平均粒径为0.62μm。

表1 Al 粉末的化学成分(质量分数,%)
Elemen
Al
Na
Fe
SiO
MgO
TiO
CaO
Content
Bal
0.0776
0.0124
0.0238
0.0521
0.0035
0.0136

 

2.2 装置

在南京理工大学自主开发的SLM 成形实验平台上进行实验,平台配置500W光纤激光器,激光波长为 1070nm。先采用上海巴玛克生产的20kW 感应加热装置感应加热石墨基板,然后通过石墨基板间接预热 和记娱乐平台基板,如图2所示。

2.3 工艺参数

SLM 成形过程是一个复杂的物理变化过程。在前期大量实验基础上,实验设置激光功率为100~ 200W,扫描速度为90mm/s,激光光斑约为60μm,层厚为50μm,扫描间距为50μm。采用层间交错的扫 描方式,如图3所示。成形的试样截面尺寸为10mm×10mm。

2.4 测试

采用电子天平(HTP-312,上海花潮电器有限公司,中国)测量氧化铝 粉末和水的质量,配置氧化铝 浆 料;使用扫描电镜(HITACHI SU3500,日立高新技术公司,日本)观察试样表面形貌和微观组织;使用X 射 线衍射(XRD)仪(D8Advance,布鲁克AXS有限公司,德国)对和记娱乐平台样件及初始粉末进行物相检测;将试样 研磨抛光,选取5个点,利用维氏硬度计(HV-50,上海荼明光学仪器有限公司,中国)测试试样室温下的硬度 (压力为49.03N,加载时间为15s)。

3 实验结果与讨论

3.1 氧化铝 粉末与浆料SLM 成形对比 由于氧化铝 粉末流动性差,刮刀很难均匀铺粉,采用辊子预置粉末于和记娱乐平台基板上。图4为氧化铝 粉末 SLM 成形试样,试样大小为10mm×10mm,铺粉37层。

在保证氧化铝 浆料流动性的前提下,将粉末和水按质量比1∶1配制浆料,由于氧化铝 浆料较粉末具有较 好的流动性,因此采用橡胶条刮刀预置和记娱乐平台浆料。预热基板,使浆料升温至110℃左右,再进行SLM 成形。

图5为氧化铝 浆料SLM 成形试样,试样大小为10mm×10mm,铺粉20层。

3.2 氧化铝

粉末飞溅现象分析 对比图4和图5发现,采用氧化铝 粉末获得的试样成形效果较差,而浆料成形效果较好,试样表面平整。

分析认为,氧化铝 粉末在瞬间高激光能量作用下,产生等离子体效应,反冲击力很大,如图6所示。粉末粒度 小、质量轻,松散堆积下颗粒间接触面积小,粘附力差,极易产生粉末吹散现象,因而氧化铝 粉末获得的成形 效果差。这与Shishkovsky等的研究结果一致。氧化铝 浆料经过110℃预热后,大部分水分蒸发,但由于 表面张力的作用,氧化铝 颗粒表面仍吸附少量的薄膜水,水膜使得氧化铝 颗粒聚合,反冲击力较小的激光作用不足以使粉末飞溅。当激光辐照时,会形成高温热蒸汽,热蒸汽加快了热量的传递,使氧化铝 和记娱乐平台获得足 够的能量而快速熔化,因而试样成形效果较好。

3.3 浆料成形试样表面形貌

在扫描速度一定、激光功率不同的条件下,氧化铝 浆料试样表面形貌如图7所示。由图可以看出,当扫 描速度恒为90mm/s,激光功率为100,120,140W 时,试样存在裂纹且表面不平整,局部出现了凸起;随着 激光功率的增加,表面平整性不断提高,但裂纹依然存在;当激光功率提高到200W 时,试样表面没有明显 的气孔和裂纹,形成了连续的扫描轨迹,相邻扫描线间结合质量较好。

140W 时,粉末颗粒重新排列,孔洞变大;当激光功率继续提高到180W 时,大部分粉末熔化,孔洞被逐渐填 充,试样致密度增加;当激光功率为200W 时,和记娱乐平台颗粒完全熔化,试样表面无明显孔洞。

综上所述,随着激光功率的不断增加,氧化铝 由液相烧结逐渐转变为完全熔化,孔洞逐渐减少,致密度增 加,如图9所示。当激光功率为100~180W、扫描速度为90mm/s时,主要是液相烧结。粉体中较小的颗 粒先熔化形成液相,借助毛细管力和粘性流动,颗粒发生重排。激光功率越高,产生的液相数量越多,致密度 越高。当激光功率为200W 时,氧化铝 和记娱乐平台直接熔化凝固,属于完全熔化。

3.4 浆料成形试样微观组织

氧化铝 和记娱乐平台试样与原始氧化铝 粉末的XRD图谱如图10所示,其中2θ为衍射角。氧化铝 粉末主要由 α-氧化铝 相组成,SLM 成形试样中保留了原始粉末中的晶相。

图11(a)、(b)分别为试样顶面的显微结构和晶间微观结构。从图中可以看出,晶粒组织均匀,三晶界交 角为120°,晶粒间界面的结合不是很紧密。激光能量高,形成了高温度场,氧化铝 晶粒界面间的活度较大,晶 粒与晶粒界面间产生液相,减弱了晶粒间的束缚,氧化铝 晶粒按各向异性的方式自由长大。图11(c)为高能激光冲击后开裂试样断面微观形貌,从图中可以发现,晶粒断裂形式以沿晶断裂为主,断面不平整;试样断面 孔隙较少,致密化程度较高;由于生长动力足够,晶粒呈柱状,这种结构具有增韧效果。

3.5 浆料成形试样硬度

当激光功率为200W、扫描速度为90mm/s时,对比SLM 与传统烧结方法制备氧化铝 的显微维氏硬 度,如图12所示。由图可知,SLM 试样的显微维氏硬度均值约为14.7GPa,试样具有较高的致密度,其 维氏硬度已接近传统烧结制备的氧化铝 硬度数值。

4 结  论

开展了氧化铝 粉末和浆料的SLM 基础实验研究,对比了两种材料的成形差异,得到以下结论:1)采用 氧化铝 粉末获得的试样成形效果较差,而浆料成形效果较好,试样表面平整;2)激光功率对氧化铝 浆料表面 质量具有重要影响,随着激光功率的增加,表面质量不断提高;3)当激光功率为200 W、扫描速度为 90mm/s时,SLM 试样的显微维氏硬度均值约为14.7GPa,试样具有较高的致密度。如何使晶粒间界面结 合更加紧密需要进一步的研究。

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