激光熔覆制造致密金屬零件的送料方法

激光熔覆制造致密金屬零件的送料方法

工業(yè)的快速發(fā)展和用戶需求的多樣性要求縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，并在20世紀(jì)80年代末提出快速形成的制造技術(shù)（ep）。該技術(shù)在發(fā)展的初期,主要用于制造鑄造所需的模型。由于模型只要求形狀的準(zhǔn)確,對力學(xué)性能沒有太高的要求,故采用的成形材料多半是液體光敏樹脂、蠟等?？焖俪尚渭夹g(shù)研究的主要目標(biāo)之一是制造出能滿足使用要求的致密金屬零件。金屬零件的快速成形制造方法主要有:①多相組織沉積制造;②激光熔覆制造;③三維堆焊成形;④選擇性激光高溫?zé)Y(jié);⑤金屬液微滴直接成形。其中激光熔覆制造技術(shù)是目前研究最多、技術(shù)發(fā)展最快、最有發(fā)展前途的一種。在熔覆直接制造過程中,送料的方式對成形零件的精度和表面質(zhì)量有很大影響。本文主要對熔覆制造致密金屬零件的3種主要送料方法進(jìn)行總結(jié)、分析、比較,并指出今后可能的發(fā)展趨勢。1激光熔覆技術(shù)激光熔覆技術(shù)在初始階段,主要應(yīng)用于單層的熔覆和多道搭接大面積熔覆中。其熔覆層的最大特點是致密性好,強(qiáng)度和性能能達(dá)到甚至超過常規(guī)方法得到的金屬層。把激光熔覆技術(shù)直接用于制造致密金屬零件,是熔覆技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。其過程主要為:通過CAD軟件在對零件實體模型進(jìn)行分層切片處理后,獲得一系列的二維平面圖形,對圖形進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到掃描軌跡指令,該指令控制機(jī)床設(shè)備按所需軌跡進(jìn)行熔覆成形制造。在熔覆完第一層后,激光頭相對于基體上升一層的高度,再熔覆下一層,如此反復(fù),直到熔覆完成整個零件。此后,對零件進(jìn)行一些必要的后續(xù)處理或加工,即可獲得所需的實體零件。2pedepostion在激光熔覆成形工藝過程中,供料方式可分為兩大類:一類是預(yù)沉積式(predeposition),即熔覆材料在激光掃描前已沉積在基體上或上一熔覆層表面;另一類是同步沉積式(codeposition),即在激光掃描基體或上一熔覆層表面的同時,將熔覆材料引入熔池內(nèi)。2.1選擇性激光燒結(jié)法理想的預(yù)沉積層應(yīng)厚度均勻,孔隙率低,并且與基體或上一熔覆層有良好的粘著性,在激光掃描時無不良作用。目前,預(yù)沉積法主要運(yùn)用機(jī)械(鋪粉器)或人工涂刷法。在直接制造高密度、高強(qiáng)度零件的成形方法中,選擇性激光高溫?zé)Y(jié)法類似于快速成形技術(shù)中的選擇性激光燒結(jié)法(SLS),原理見圖1。兩者的區(qū)別在于選擇性激光高溫?zé)Y(jié)法是用大功率的激光燒結(jié)金屬粉末直接成形。而該成形法大多采用鋪粉器(圖2)。燒結(jié)中所鋪粉末層的密度的大小會直接影響燒結(jié)件密度的高低,最終影響燒結(jié)體的強(qiáng)度、收縮和翹曲變形,以及棱角清晰度。因此,為了鋪出均勻的,具有較高密度的粉末層,輥筒還輔之以轉(zhuǎn)動和徑向振動。該方法的主要優(yōu)點是:縮短了零件的制造時間,且可制造一些用傳統(tǒng)方法難以制造的復(fù)雜零件。存在的主要的問題是:燒結(jié)成形零件的致密度、精度大多不理想,同時還呈多孔狀。這也是一直阻礙該方法廣泛應(yīng)用的主要原因。2.2金屬粉末送粉法同步沉積法屬于一步加工法,生產(chǎn)率極高,具有很大的吸引力。直接將金屬粉末送入激光熔池,(即送粉法)是最常見的方法之一。絲狀或片狀材料的同步送入法也屬于同步沉積法。(1)熱壓法制備致密金屬零件目前用得最多的是送粉法。熔覆加工過程中,激光束在指令的控制下進(jìn)行軌跡掃描的同時,用氣體作為載體將金屬粉末直接送入加工區(qū),所以又稱為氣相送粉法。在氣相送粉法中,不僅激光加工工藝參數(shù)對熔覆層性能有影響,而且粉末的流量、給料距離等參數(shù)對其質(zhì)量也有影響。作為一種制造技術(shù),激光熔覆成形還必須要求熔覆層的尺寸和性能在各個方向上保持一致。而普通的側(cè)向送粉器已很難滿足這些要求,這就需要發(fā)展高性能的送粉器。同軸送粉器的開發(fā)成功使得利用激光直接進(jìn)行熔覆制造致密金屬零件成為可能。激光熔覆同軸送粉裝置見圖3。激光束和保護(hù)氣從中軸孔道通過,粉末束流及其載體氣沿錐形環(huán)道通向噴嘴,錐體位置上下可調(diào),因此改變束流形狀,外環(huán)為保護(hù)氣。激光束焦點位于噴嘴出口處,焦距長150mm,發(fā)散角約為8°,粉末與一束擴(kuò)張的激光束作用。如長時間連續(xù)工作,噴嘴可加水冷套。為了精確控制粉末的流量,L.Li和W.M.Steen提出閉環(huán)控制激光熔覆送粉系統(tǒng),以進(jìn)一步降低送粉波動率。試驗表明,采用了該閉環(huán)控制系統(tǒng)后,粉末的波動率降低到了2%左右(圖4)。它的傳感元件是一個小型壓力傳感器,將它安裝在氣路中,利用4個壓敏電阻的薄膜電橋作反饋檢測元件,當(dāng)薄膜在粉末流的作用下產(chǎn)生變形,就會使電壓值改變,傳感信號與粉末流速成正比。圖5為閉環(huán)送粉控制電路。將測得的送粉率與要求的送粉率比較而實現(xiàn)反饋控制。在國內(nèi),一些激光加工中心已研制出適合于直接制造金屬零件的各種規(guī)格的同軸送粉噴嘴和自動送粉器,已供國內(nèi)多家單位使用。送粉法的主要優(yōu)點是:生產(chǎn)率很高,成形精度好,成形金屬零件致密性高,大大降低了熔覆層的不均勻性以及形成淚珠狀表面特征的可能性,氣相送粉法還減少了激光對材料的熱作用。缺點主要有:金屬粉末的利用率低,需配用復(fù)雜的裝置,同時還要考慮粉塵對工作環(huán)境的污染,并要設(shè)法對粉末進(jìn)行有效的回收。(2)氣相送粉法3除了上述兩種在國內(nèi)應(yīng)用相對較多的方法外,還可考慮用送絲狀材料的方法進(jìn)行熔覆。如圖6所示,利用激光束的高能在基體或熔覆層上形成熔池,同時,送絲裝置把金屬絲不斷地送入熔池,隨著激光束按預(yù)定軌跡相對于基體不斷地進(jìn)行掃描,就可得到所需的致密金屬零件。用絲材做激光熔覆,因為反射率高于粉末材料,可將絲先預(yù)熱到1000℃,這樣可使所需激光功率顯著減少。送絲熔覆,材料利用率接近100%,熔覆速度高達(dá)3kg/h,使用易離子化的氣體作保護(hù)氣(如CO2)。在熔覆工藝中,稀釋度是影響熔覆層特性的一個重要因素,為了得到高質(zhì)量的熔覆層,要求有較低的稀釋度。送絲法比粉末法節(jié)約激光能量,但稀釋度比粉末法高。韓國人JaeDokim和YunPeng研究送絲熔覆法時。使用Nd:YAG激光器,激光器峰值功率為55kW,平均功率為220W,TEM00模,頻率為20Hz,光纖傳輸,防護(hù)氣為Ar,Inconel600絲的直徑為0.2mm,進(jìn)給速度為93mm/s。改變掃描速度,在激光束照到基體3s之后,工件開始運(yùn)動,同時送絲開始。隨著掃描速度由15mm/s提高到25mm/s,熔覆層的稀釋度減小,合金層和熱影響區(qū)的硬度提高,表面質(zhì)量好,熔覆層與基體結(jié)合牢固。試驗表明,如熔覆參數(shù)調(diào)整得當(dāng),可得到質(zhì)量較高的熔覆層。這種方法的主要缺點是:材料要預(yù)先加工成絲狀,由于延展性等因素,有的材料不易做成細(xì)絲,因此加工材料的范圍受到一定限制。主要優(yōu)點是:生產(chǎn)率極高,表面質(zhì)量好,成形零件致密性高,熔覆層厚度均勻。除具有上述氣相送粉法的一系列優(yōu)點外,送絲法的材料利用率幾乎為100%,熔覆速度快,對環(huán)境無污染。另外,由于金屬材料呈絲狀,送料過程易于控制,且送料精度較高,該方法具有很大的發(fā)展空間。3送料方式的選擇激光燒結(jié)致密金屬零件技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。精密、穩(wěn)定、可靠的送料裝置是金屬零件高質(zhì)量成形的重要保證。(1)目前送粉裝置研制的重點是帶反饋控制的同軸送粉器。它的開發(fā)成功大大提高了成形零件的幾何形狀精度。(2)3種送料方法中(鋪粉法、送粉法、送絲法),后兩種方法的優(yōu)點明顯優(yōu)于第一種方法,更具有實用價值。(3)送絲法和送粉法相比,在