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金屬粉末激光選區(qū)燒結(jié)過(guò)程的特征探討
2012-12-27
自從快速成形技術(shù)誕生以來(lái)，金屬零件的快速制造就成為一個(gè)令人矚目的研究方向[1~3]。其中選區(qū)激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，簡(jiǎn)稱(chēng)SLS）技術(shù)因可進(jìn)行金屬零件的快速制造而倍受關(guān)注。到目前為止，人們的研究主要集中在高低熔點(diǎn)二種金屬粉末混合或在金屬粉末中混合某種粘結(jié)劑，用較小的激光功率燒結(jié)成形金屬零件[4~5]，而對(duì)用大功率激光直接燒結(jié)金屬粉末成形金屬件研究較少。本文是在以前研究工作的基礎(chǔ)上[6~7 ]，從分析燒結(jié)現(xiàn)象入手，弄清金屬粉末激光直接燒結(jié)過(guò)程的基本特征，進(jìn)一步探討燒結(jié)過(guò)程的基本規(guī)律，使人們對(duì)采用大功率激光直接燒結(jié)金屬粉末成形金屬件有一個(gè)比較完整而清晰的認(rèn)識(shí)。
在激光束的作用下，靠近能束光斑中心附近，其熔體的表面溫度最高，而偏離中心區(qū)域越遠(yuǎn)，其表面溫度越低。相應(yīng)地，對(duì)于金屬熔體，其表面張力場(chǎng)的分布規(guī)律為熔池中心表面附近的表面張力值最低，而熔池邊緣附近的表面張力值最高。這樣在熔池中就產(chǎn)生了強(qiáng)制對(duì)流的機(jī)制。在垂直掃描方向的平面內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生一定方向流動(dòng)的多個(gè)力偶，如圖4所示。根據(jù)已有研究成果[8]，表面熔體流速可達(dá)8.2m/s。高速流動(dòng)的熔體不僅加快了金屬的傳熱和傳質(zhì)，而且能將周?chē)姆勰┱辰舆M(jìn)來(lái)。新的粉末進(jìn)入熔池，使得熔池的不同部分溫差加大，熔體流動(dòng)加快。粉層越厚，粘接粉末越多，成形尺寸不易控制。在沿著掃描方向上，隨著激光向前運(yùn)動(dòng)，熔池后沿的凝固區(qū)有一部分金屬來(lái)自前方熔化區(qū)的回流，回流量的多少主要取決于熔池光斑中心表面的最高加熱溫度，熔池光斑中心表面溫度越高，熔池表面張力梯度越大，熔體的回流量越多?；亓髁康亩嗌?zèng)Q定了燒結(jié)成形結(jié)果，其典型的成形結(jié)果可能成為：①一串圓球；②粗細(xì)不一的燒結(jié)線；③光滑的燒結(jié)線。作者經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)表面，只有在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下，如采用較小的粉層厚度和較大的激光功率，加大光斑中心和熔池后沿的凝固區(qū)的溫度差，增加了熔池前方熔體的回流量，可以燒結(jié)成形光滑的直線
金屬粉末的導(dǎo)熱系數(shù)僅與周?chē)諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)成正比，而沒(méi)有金屬粉末的導(dǎo)熱系數(shù)項(xiàng)。這說(shuō)明金屬粉末的導(dǎo)熱系數(shù)是相當(dāng)?shù)偷?。在這種情況下基體不能作為傳熱體，熔池傳熱條件的變化影響著凝固組織的形貌，燒結(jié)線不存在與基體聯(lián)生生長(zhǎng)的枝晶；組織形態(tài)主要是等軸晶。
由于快速制造的零件是依靠一層一層疊加而成的，上下層之間必須牢固粘結(jié)，因此二種組織結(jié)構(gòu)交替重復(fù)所占的體積是主要的，只有在零件的凸臺(tái)等起始部分才會(huì)出現(xiàn)單個(gè)組織形態(tài)。
來(lái)源 電能質(zhì)量分析儀 http://www.91zenqing.cn/
在激光束的作用下，靠近能束光斑中心附近，其熔體的表面溫度最高，而偏離中心區(qū)域越遠(yuǎn)，其表面溫度越低。相應(yīng)地，對(duì)于金屬熔體，其表面張力場(chǎng)的分布規(guī)律為熔池中心表面附近的表面張力值最低，而熔池邊緣附近的表面張力值最高。這樣在熔池中就產(chǎn)生了強(qiáng)制對(duì)流的機(jī)制。在垂直掃描方向的平面內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生一定方向流動(dòng)的多個(gè)力偶，如圖4所示。根據(jù)已有研究成果[8]，表面熔體流速可達(dá)8.2m/s。高速流動(dòng)的熔體不僅加快了金屬的傳熱和傳質(zhì)，而且能將周?chē)姆勰┱辰舆M(jìn)來(lái)。新的粉末進(jìn)入熔池，使得熔池的不同部分溫差加大，熔體流動(dòng)加快。粉層越厚，粘接粉末越多，成形尺寸不易控制。在沿著掃描方向上，隨著激光向前運(yùn)動(dòng)，熔池后沿的凝固區(qū)有一部分金屬來(lái)自前方熔化區(qū)的回流，回流量的多少主要取決于熔池光斑中心表面的最高加熱溫度，熔池光斑中心表面溫度越高，熔池表面張力梯度越大，熔體的回流量越多?；亓髁康亩嗌?zèng)Q定了燒結(jié)成形結(jié)果，其典型的成形結(jié)果可能成為：①一串圓球；②粗細(xì)不一的燒結(jié)線；③光滑的燒結(jié)線。作者經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)表面，只有在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下，如采用較小的粉層厚度和較大的激光功率，加大光斑中心和熔池后沿的凝固區(qū)的溫度差，增加了熔池前方熔體的回流量，可以燒結(jié)成形光滑的直線
金屬粉末的導(dǎo)熱系數(shù)僅與周?chē)諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)成正比，而沒(méi)有金屬粉末的導(dǎo)熱系數(shù)項(xiàng)。這說(shuō)明金屬粉末的導(dǎo)熱系數(shù)是相當(dāng)?shù)偷?。在這種情況下基體不能作為傳熱體，熔池傳熱條件的變化影響著凝固組織的形貌，燒結(jié)線不存在與基體聯(lián)生生長(zhǎng)的枝晶；組織形態(tài)主要是等軸晶。
由于快速制造的零件是依靠一層一層疊加而成的，上下層之間必須牢固粘結(jié)，因此二種組織結(jié)構(gòu)交替重復(fù)所占的體積是主要的，只有在零件的凸臺(tái)等起始部分才會(huì)出現(xiàn)單個(gè)組織形態(tài)。
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