增材制造用金屬粉末材料的關(guān)鍵影響因素分析

第第頁增材制造用金屬粉末材料的關(guān)鍵影響因素分析

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ＤＯＩ：１０．１１９７３／Ｉｈｊｙ－ｗ１２０１５０７∞８

增材制造用金屬粉末材料的關(guān)鍵影響因素分析

范立坤

（上海材料研究所上海市工程材料應(yīng)用評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海２００４３７）

１．３電子束熔煉

電子束熔煉（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ

Ｂｅａｍ

２．２材料

Ｍｅｌｔｉｎｇ，ＥＢＭ）是

粉末材料是目前最為常用的金屬類增材制造用材料。金屬粉末作為金屬制件增材制造產(chǎn)業(yè)鏈中最

在高真空條件下，利用電子束將金屬粉末熔融而成型的工藝方法。真空條件及電子束是ＥＢＭ與

Ｉ。ＭＤ及ＳＬＭ的主要區(qū)別。利用ＥＢＭ技術(shù)制造的零件致密性好，強(qiáng)度極高。

重要的一環(huán)，也是最大的價值所在。金屬粉體材料

一般用于粉末冶金工業(yè)，粉末冶金成型是將粉末預(yù)成型后利用高壓高溫條件進(jìn)行最終的定型，整個過程中，材料發(fā)生的物理冶金變化相對緩慢，材料有比

２增材制造工藝的主要影響因素

雖然實(shí)現(xiàn)增材制造的技術(shù)方法有多種，但加工機(jī)理基本一致，即材料在高能熱源作用下快速融化，由于作用時間極短。熔融的金屬在基體的冷卻作用下發(fā)生快速凝固，從而實(shí)現(xiàn)在特定的掃描區(qū)域成型。增材制造制品的性能由熱源量屬性、材料特性及工

較充分的時間進(jìn)行融合、擴(kuò)散、反應(yīng)。由于受粉末冶金加工時溫度及壓力的限制，為了保證工件的致密

性，要求使用的粉體材料盡可能地將成型腔體填充

完全。針對粉末冶金工藝的技術(shù)特點(diǎn)，已經(jīng)發(fā)展出了一套比較完善的粉末評價方法及標(biāo)準(zhǔn)，有相對比較完善的指標(biāo)可用來恒量粉體材料的性能，如粒徑、

藝參數(shù)所決定，而熱源類型及送粉方式是區(qū)分各種

增材制造技術(shù)的最根本因素。２．１熱源

在金屬增材制造領(lǐng)域，應(yīng)用最為成熟的熱源是

比表面積、粒度分布、粉體密度、流速、松裝密度、孔

隙率等。對于粉末冶金而言，粉末的流動性、振實(shí)密度等指標(biāo)是衡量粉末冶金用粉末材料的重要指標(biāo)。

增材制造工藝與粉末冶金工藝相比有明顯的區(qū)別，粉末材料在熱源作用下的冶金變化是極速的，成

激光和高能電子束。電子束與激光的工作原理不同，電子束的加熱方式是高能電子穿過靶材的表面

進(jìn)入到距表面一定深度后，再傳給靶材原子能量，從而使靶材原子的振動加劇，把電子的動能轉(zhuǎn)換為熱能；激光的加熱方式則為靶材表面吸收光子能量，激光并未穿過靶材表面。材料制造加工過程中，熱源的功率及掃描速度一般是恒定的，即作用于材料的

型過程中粉體材料與熱源直接作用，粉體材料沒有模具的約束以及外部持久壓力的作用。一般認(rèn)為直

徑小于１ｍｍ的粉體材料適用于增材制造，粒徑在

５０“ｍ左右的粉體材料具有較好的成型性能［３］。與

粉末冶金工業(yè)相比，目前國內(nèi)還沒有形成成熟的評價方法或標(biāo)準(zhǔn)來判定粉末材料與增材制造工藝的適用性，增材制造用粉末的相關(guān)評價方法及指標(biāo)需要進(jìn)一步深人的研究與思考。２．３工藝過程

能量密度是恒定的，熱源作用效果由材料對熱源的吸收性能直接決定。材料對熱源能量的吸收由兩者

的作用機(jī)理、材料表面狀態(tài)等因素所決定。對于最常用的激光熱源，激光光能的吸收與波長、被照材料的反射率以及能量密度相關(guān)，在成型過程中，材料的

圖１為典型的粉體填加方式示意圖?？梢钥闯霾捎娩伔鄯绞綍r，熱源優(yōu)先作用于粉末，為保證粉末

與已成型區(qū)的冶金結(jié)合充分。需要確保加工過程中

表面狀態(tài)、尺寸等因素對激光都有明顯的制約作用。電子束由于其作用機(jī)理的不同，在增材制造過程中

表現(xiàn)出較激光更加良好的適配性。

高能熱源

鋪粉輥

熔池的深度及尺寸在一個合理范圍內(nèi)。當(dāng)采用同步

送粉方式時，無論是同軸送粉還是側(cè)向送粉方式，熱

源對材料的作用分成作用于已成型區(qū)及作用于粉末

高能刪源

噴｛｛緣嘴

ｖ熔池

已成型區(qū)

（ａ）鋪粉（ｂ）側(cè)向送粉

（ｃ）同軸送粉

圖ｌ典型送粉機(jī)制示意圖

Ｆｉｇ．１

Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ

ｄｉａｇｒ咖ｏｆ

ｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｒｎ．

（ｃ）Ｃｏａｘｉａｌｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇ

４８１

（ａ）Ｐｏｗｄｅｒｃｏｖｅｒｉｎｇ（ｂ）Ｌａｔｅｒａｌｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇ

材料兩部分。粉末在運(yùn)動途中被熱源加熱到一定溫度后，在自身動能的作用下打入已成型區(qū)域，整個成

度；ｄ為粉末直徑。

而成型過程中，熱源作用于粉末顆粒的有效能量為：

型過程相當(dāng)于相對高能的粉末材料轟擊熔合區(qū)域的過程，這種方式較鋪粉方式更有利于提高制品的致

密度。

Ｑ供一口彘｛ｄ２導(dǎo)一口知２㈤

式中：ｄ為材料對熱源的吸收率；Ｐ為熱源功率；Ｄ為

３增材制造工藝影響因素綜合分析

使用增材制造技術(shù)加工工件時，首先要根據(jù)材料的特性選定熱源類型、功率大小及掃描速度等參數(shù)，然后將材料通過輸送裝置置于加工區(qū)，并在熱源的作用下逐步成型。增材制造過程是一個非連續(xù)加工過程，工藝過程的穩(wěn)定性、一致性是其成敗的關(guān)

熱源直徑；ｕ為掃描速率。

則有：

ｆ＞１

甓一意耘吉一是吉一｛△ＴｃＪ０７ｃ∞ｄ

Ｑ需

“ｄ

‘

㈦

、。７

ｌ＜１

鍵。產(chǎn)品加工的穩(wěn)定性、一致性的要求需要由材料、熱源、工藝流程等因素的共同作用才能保證。增材制造過程中，一般熱源的類型、功率大小及掃描速度

是恒定的，即加工過程中材料成型的熱源是穩(wěn)定一致的。加工過程中，熱源會同時與粉末及已成型區(qū)

是一番盎

㈤

由增材制造技術(shù)的特點(diǎn)可知，是為常數(shù)。當(dāng)

Ｑ供／Ｑ需一１時是最理想的加工狀態(tài)，材料在熱源的

作用下即不會過熱，也不會欠熱；而當(dāng)Ｑ供／Ｑ需＞１

時，說明加工過程中熱源的供給超過需求，多余的能量會將粉末加熱到高于成型所需的溫度；當(dāng)Ｑ供／Ｑ需

＜１時，說明能量的供應(yīng)不足。

由于：

Ｑ供／Ｑ需。Ｃｌ／ｄ

（５）

的基體發(fā)生作用，采用鋪粉方式送粉時，熱源對粉末的作用更加的直接；而采用直接送粉方式時，熱源與基體之間的作用會變得更明顯。粉末無論采用哪種

方式被置于成型區(qū)，在相同的作用區(qū)域、空間，熱源

對粉體作用總量是穩(wěn)定的。熱源作用于材料時，受

作用機(jī)理以及材料自身狀態(tài)（如粒度、球形度、表面狀態(tài)）等因素的影響。因此，增材制造過程的穩(wěn)定性最終由材料的穩(wěn)定性、一致性所決定。

材料的一致性越好，加工過程中材料發(fā)生的冶金變化越穩(wěn)定，這樣才能保證掃描路徑中材料的變化以及最終的性能更加的穩(wěn)定、一致。對于粉末材料，性能的一致性不僅包括材料的化學(xué)成分、組織、力學(xué)性能等常規(guī)性能一致，同時其形貌特征，如粒徑大小、球型度等因素也是重要的指標(biāo)。最理想的增材制造用粉末應(yīng)是粒徑尺寸、外形一致的。受生產(chǎn)工藝及方法的限制，實(shí)際生產(chǎn)中很難采用完全一致的材

粉末直徑越小，在其他參數(shù)相同的條件下，

Ｑ供／Ｑ需的比值越大，即能量供應(yīng)過量幅度越大，越容易在成型過程中出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。過度的加熱可能

會造成材料熔融過度，熔池溫度過高，熔池內(nèi)金屬液

的流動情況變得更為復(fù)雜，有可能使金屬液發(fā)生飛濺現(xiàn)象，過高的溫度更容易使合金元素發(fā)生燒損，甚至?xí)?dǎo)致元素與保護(hù)氣體發(fā)生反應(yīng)而引入夾雜等問題。粉末直徑越小，比表面積越大，越容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚后的粉末會大大降低粉末的可輸送性。

金屬熔融后，受表面張力的作用極易發(fā)生球化，由于

成型中冷卻速度快，球化可能會被完全保留下來，使

得工件的表面質(zhì)量下降，嚴(yán)重時可以造成加工無法進(jìn)行。實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，加工過程中發(fā)生球化現(xiàn)象的程度隨粉末中細(xì)粉的比例增大而增強(qiáng)。

當(dāng)粉末直徑過大時，加熱過程獲取的能量無法充分地將粉末加熱至理想成型溫度，這可能導(dǎo)致材料的冶金變化不完全，影響材料之間的結(jié)合力，使得工件的致密性下降。當(dāng)粉末直徑達(dá)到一臨界值時，

料，加工用的粉末一般由多種粒徑的粉末混合而成。

為保證加工過程中的穩(wěn)定Ｊ生，這種混合粉末在加工過

程中發(fā)生的冶金變化應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)。

假設(shè)增材制造過程中粉末均為理想球體，熱源能量密度均勻分布，忽略材料外形對熱源吸收率的影響以及加工過程中材料的相變等因素。則粉末在成型過程中被加熱至成型溫度所需的能量為：

１

成型過程將完全無法進(jìn)行。由函數(shù)的變化規(guī)律可

（１）

Ｑ需一徹（瓦一正）一ｆ△碭７ｃｄ３

Ｏ

知，在以ｄ。為中間的相鄰區(qū)域內(nèi)，函數(shù)的變化較為

平緩，此時能量的供給與需求之比偏離理想狀態(tài)相對較小，這利于保持增材制造過程的穩(wěn)定性。由此

（下轉(zhuǎn)第５１９頁）

式中：ｆ為材料的比熱容；塒為粉末顆粒的質(zhì)量；Ｔｌ，為理想成型溫度；Ｚ為材料初始溫度；ｐ為材料密

４８２

分布在ａ黃銅枝晶間易引起熱脆。但其在ａ＋Ｂ黃銅中凝固時先形成｜３相．隨后繼續(xù)冷卻．轉(zhuǎn)變?yōu)椋幔剩辰M織．使鉛轉(zhuǎn)移到黃銅晶內(nèi)，從而其危害減輕＿ｊ。在四六黃銅中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為１％～２％Ｐｂ，可提高切削性．而過多的鉛將以夾雜物的形式存在，致使材料脆性增大．力學(xué)性能降低。１．５硬度檢驗(yàn)

了』３７＋丫相．ｐ辟目的存在使得基體脆性增加，強(qiáng)度急

劇下降；了相硬而脆．難以塑性加工．含７相的合金已無實(shí)用價值。

線夾中的鉛含量過高，并且以大尺寸球形夾雜物的形式存在于基體中，部分以顆粒狀及長條狀分布于ａ相晶界．導(dǎo)致線夾脆性增加，力學(xué)性能降低，在線夾結(jié)構(gòu)薄弱處易發(fā)生斷裂。

利用ＨＢＥ一３。００Ａ布氏硬度計對新套管線夾和

斷裂套管線夾進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，結(jié)果顯示新套管線夾的硬度為ｌＯＯ．１０２，９５ＨＢ；斷裂套管線夾的硬度為

１６７．１６０．１６４

３結(jié)論及建議

該套管線夾在冶煉過程由于鉛含量過高且以大尺寸球形夾雜物的形式存在于基體中，部分以顆粒狀及長條狀分布于ａ相晶界．導(dǎo)致線夾的脆性增加。力學(xué)性能降低．在使用過程中發(fā)生了脆性斷裂。

建議在冶煉過程中嚴(yán)格控制鉛含量來提高材料

ＨＢ?？梢姅嗔丫€夾的硬度過高．分析

是由于組織中存在硬而脆的Ｂ’＋７相所致。