清华大学学报(自然科学版) 2007年第47卷第11期
CN 11-2223/NJ Tsingh ua Univ (Sci &Tech ), 2007, V o l. 47, N o. 111/36
1941-1944
316L 不锈钢粉末的电子束选区熔化成形
齐海波, 林 峰, 颜永年, 张浩然, 杨 黎
(清华大学机械工程系, 先进成形制造教育部重点实验室, 北京100084)
摘 要:电子束选区熔化技术在人体植入物、航空航天小批量零件的直接快速制造方面具有重要的意义。为此, 该文采用自行研制的电子束选区熔化设备, 研究了电子束选区熔化316L 不锈钢粉末的工艺参数、微观组织及熔化成形机理。结果表明:电子束电流、作用时间和聚焦电流对层间结合情况影响较大, 作用时间和填充线间距对可成形性影响较大; 当能量密度系数为62. 8G J /m 3、基板厚度为0. 5mm 时, 制备的成形件晶粒细小, 组织均匀, 无气孔、裂纹及未熔颗粒等缺陷出现。
关键词:快速制造; 电子束; 选区熔化; 316L 不锈钢粉末中图分类号:
T H 164; TN 101
文献标识码:
A
在真空室抽气过程中粉末容易被气流带走, 造成真空系统的污染; 2) 在电子束作用下粉末容易溃散。因此, 粉末材料一直很难成为真空电子束设备的加工对象, 工艺参数方面的研究更是鲜有报导。
为此, 本文针对316L 不锈钢粉末的EBSM 技术进行工艺研究, 探讨了粉末材料在电子束作用过程中的能量转换及熔化、凝固行为。
1 电子束选区熔化快速制造技术
EBSM 技术的工艺过程为:先在铺粉平面上铺展一层粉末; 然后, 电子束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的熔化, 金属粉末在电子束的轰击下被熔化在一起, 并与下面已成形的部分粘接, 层层堆积, 直至整个零件全部熔化完成; 最后, 去除多余的粉末便得到所需的三维产品。图1为EBSM 成形原理示意图。上位机的实时扫描信号经数模转换及功率放大后传递给偏转线圈, 电子束在对应的偏转电压产生的磁场作用下偏转, 达到选择性熔化。该技术无需扫描机械运动部件, 电子束移动方便, 可实现快速偏转扫描功能(扫描速度可达1m /s)。电子束的能量利用率高、熔化穿透能力强、无反射、可加工材料广泛及运行维护成本低等特点使EBSM 在人体植入物、航空航天小批量
[4]
零件、野战零件快速制造等方面具有独特的优势。
文章编号:1000-0054(2007) 11-1941-04
Electron beam selective melting of
316L stainless steel powder
Q I Haibo , LIN Feng , YA N Yongnian , ZHANG Haoran ,
YAN G Li
(Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology
of Ministry of Education , Department of Mechanical Engineering ,
Ts inghua Universtiy , Beijing 100084, China )
Abs tract :Electron beam selectiv e m elting (EBSM ) can be used in human implan ts and low-quan tity, rapid manufactu ring of aeros pace parts. An EBSM s ystem w as des igned to s tud y the tech nical parameters , microstructu res and melting p roces ses of 316L stainless steel pow der. Th e results sh ow th at the electron beam curren t, acting time, and beam focus greatly affect the betw een-layer forming quality, with th e acting time and the filling gap significantly affecting th e pow der forming ability. A part can be prepared at an optimum en ergy density of 62. 8GJ /m3and a base plate thick nes s of 0. 5mm , w ith fin e crys tals and micros tructures w ithou t unmelted powd er, air holes , or cracks.
Key words :rapid manufacturing; electron beam; selectiv e m elting;
316L stainless s teel pow der
2 试验材料及方法
2. 1 试验材料
针对粉末在电子束作用下容易溃散的现象, 提出不同粉末体系所能承受的电子束域值电流(溃散电流) 和电子束扫描域值速度(溃散速度) 判据, 并在
收稿日期:2006-11-10
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475015);
教育部博士点基金资助项目([1**********])
作者简介:齐海波(1972—), 男(汉) , 湖北, 博士后。
:, , E-mail :l infeng@ed u. 电子束选区熔化技术(EBSM ) 是一种采用高能高速的电子束选择性地轰击金属粉末, 从而使得粉末材料熔化成形的快速制造技术
[1-2]
。EBSM 技术
[3]
1942
清华大学学报(自然科学版) 2007, 47(11)
上述研究的基础上制备了适合本文研究的316L 不
[5]
锈钢混合粉末, 其组成为:40%～60%的40～100μm 气雾化法粉末、15%～30%的≤40μm 气雾化法粉末和10%～20%的≤40μm 水雾化法粉末。
LEO 1530扫描电子显微镜。
3 试验结果与分析
3. 1 工艺参数及能量密度系数的确定
正交试验结果表明, 影响可成形性的主要因素是作用时间和填充线间距, 较佳的工艺参数为:作用时间4ms, 填充线间距0. 10mm , 电子束电流3. 0m A, 聚焦电流400m A; 影响层间结合情况的
因素依次为作用时间、电子束电流、聚焦电流和填充线间距, 较佳的工艺参数范围为:作用时间4～5m s, 电子束电流2. 8m A, 聚焦电流400m A, 填充线间距0. 10～0. 15m m 。
对可成形性影响最大的工艺参数是作用时间。作用时间越短, 金属粉末从电子束获得的能量就越低, 金属粉末熔化成液体的数量减少, 成形区内没有足够多的金属液体去浸润热影响区内的金属粉末,
图1 电子束选区熔化快速制造技术原理图
2. 2 工艺参数
选取电子束电流(I 0) 、聚焦电流(I A ) 、作用时间(Δt , 电子束在每个偏转点的停留时间) 和填充线间距(h d ) 为工艺研究对象。粉末层厚0. 5mm , 加速电压50kV, 扫描成形件的尺寸为8mm ×20mm ×10mm , 采用Z 字形扫描方式。在初步工艺试验所得工艺参数的基础上, 进行正交试验(见表1) 。
表1 工艺参数的L 16(55) 正交试验设计表
因素
水平水平1水平2水平3水平4
I 0/m A 2. 02. 53. 03. 5
Δt /ms 6543
h d /mm 0. 100. 150. 200. 10
I A /m A [1**********]2
从而得不到连续的填充线; 反之, 电子束长时间地停留在一个扫描点, 该点粉末熔化后由于温度较高会吸收周围的粉末, 并将这些粉末加以熔化, 造成下一个扫描点周围的粉末数量减少, 填充线断开。因此, 合适的作用时间对于可成形性具有重要的影响。填充线间距越大, 下条将要扫描到的填充线从正在扫描的填充线获得的热量就少, 相邻填充线黏结强度弱, 电子束冲击作用明显, 从而影响可成形性。对层间结合情况影响最大的工艺参数也是作用时间。只要粉末熔化成形过程中不出现断开、结球等扫描缺陷, 粉末从电子束获得的热量就能连续传递给即将熔化区域, 从而不仅可将该区域的粉末固定, 而且还能将其温度迅速提升到较高的水平, 金属熔液的受力较为平稳, 因此, 层间结合情况较好。
电子束电流对层间结合的影响也较大。在其他工艺参数不变时, 电子束功率密度随电子束电流的增加而增加, 金属粉末获得的能量也随之增加, 金属粉末熔化程度提高, 不仅当前层内的金属粉末完全熔化, 而且已成形部分的上表面也会部分熔化。同时发现, 电子束的聚焦状况对层间结合也有一定影响, 采用下聚焦(聚焦位置在当前粉末层中间某个部位) 时, 当前粉末层上、中、下部分及已成形层上部分都能较为充分地熔化, 层间结合易成为冶金结合。
需指出, 对可成形性影响较大的填充线间距只是对表面光滑程度影响较大, 对层间结合的影响不大, 其原因在于填充线重叠扫描的作用不是将粉末从固态熔化成液态, 而是延缓液态金属的冷却, 粉末 正交试验的考核指标包括粉末的可成形性和层间结合情况。可成形性的考核指标为粉末飞溅、熔化金属结球及填充线断裂等各种缺陷出现的几率, 层间结合情况的考核指标为填充线是否平直、层间冶金结合程度、层内有无未熔颗粒和空洞。2. 3 性能检测
扫描成形件分别沿长和宽2个方向切开, 在丹麦Struers 金相制样镶嵌机上进行试样镶嵌、预磨及抛光, 比较成形件中间区域的层间结合情况。试样侵蚀液由5g Fe 3Cl 、50m L HCl 及100m L 去离子
齐海波, 等: 316L 不锈钢粉末的电子束选区熔化成形
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研究人员一直试图将成形过程所使用的工艺参
[6]
数用一个统一的能量密度系数E 0表述。为此, 本文根据各个工艺参数对层间结合的影响程度, 并结合电子具有较强的穿透能力, 同一层粉末不同高度处吸收的电子束能量相差不大的特点, 采用与电子束电流密切相关的聚焦状况、单位体积功率密度和作用时间作为E 0(J/m) 表达式的组成部分:
A 0
E 0=I hr s Δt .
F 0
(1)
图2 能量密度系数与层间结合情况评分的关系
3
式中:U 为加速电压, V ; r 0为束斑半径, m ; I F 为
表面聚焦时的聚焦电流, m A, 本文中为398m A; s 为扫描数据点距, m; h 为粉层厚度, m 。
本文中, U 、r 0和I F 为定值, 因此, 能量密度系数主要与电子束电流、作用时间和聚焦电流有关。将正交试验确定的优化工艺参数代入式(1) , 得到优化的能量密度系数的范围为50. 0～62. 2GJ/m。
将正交试验结果代入式(1) 得到的E 0作为横轴, 以层间结合情况的评分M 作为纵轴, 得图2。由于工艺参数各水平之间的间隔较大, 图2中数据点较为分散, 但其基本规律表明:1) E 0太大(≥75G J /m ) 和太小(≤45G J /m ) 都不能得到较好的成形件, 图3也证实了上述试验结果; 2) 数据三次拟合曲线最大值对应的E 0=62. 8GJ/m, 与优化的E 0上限(62. 2GJ /m ) 十分接近
。
3
3
3
3
3
以上结果表明, 能量密度系数作为EBSM 技术选择工艺参数的技术指标具有可操作性和客观性。图3所示为不同E 0时层间结合情况。图3a 中层内没有发现未熔金属粉末和空洞, 填充线上表面平直, 厚度均匀, 但填充线下表面粗糙, 层间有较大的空隙和未熔的金属粉末, 表明E 0较小。图3b 中层间和层内都未见未熔金属粉末和空洞, 层间为冶金结合, 各层仍清晰可见, 上、下部都有重熔区, E 0较为合适。图3c 中由于能量密度过大, 层与层之间的分界线已经模糊, 在低倍观察下两层已经很难区分, 填充线平直度下降, 出现弯曲, 导致成形件的尺寸精度降低。层间结合情况对成形件的垂直拉伸性能具有重要影响, 图3a 所示的层间结合其垂直方向的拉伸极限强度为560M Pa
。
图3 不同能量密度系数下的层间结合情况
3. 2 微观组织分析
3
图4是E 0=63. 2G J/m时制备的成形件沿填充线扫描方向切开的微观组织照片, ABC 三点连线的上下两侧, 晶粒生长方向有很大差别, 下侧为成形件第N 层上部, 上侧为第N +1层下部。第N +1层下部与已成形层第N 层的上部相邻, 温度梯度G 最大, 散热最快, 具有大量的形核核心, 因此, 最终得到的组织为细小的等轴胞状晶。随着凝固前沿在垂直方向向上推移, 金属熔液的热传导方向除了与垂直方向一致外, 还垂直于已
凝固区和周围不参与成形的粉末, 如图5所示。由于晶粒的生长方向较多, 因此晶粒依然为等轴晶, 但比下部的胞状晶粒大。
在第N +1层上部(ABC 连线的下方区域) , 整个熔池的温度逐渐降低, 导致凝固速度R 较快, 其上方还存在少量的热辐射, 因此, 晶粒基本沿扩散方向(Z 方向) 生长, 组织为柱状晶。D 、E 、F 区域的晶粒生长方向存在一定的差异, 其中D 和F 区域的晶粒生长方向非常一致, E 与F 区域的晶粒生长方向之间的夹角约30°。这是由熔池内表面张力和金属
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(低于基板熔化温度1360℃) , 从而与第1层不形成冶金结合。要使基板与粉末熔化层形成冶金结合, 必须继续提高I 0。采用0. 5mm 厚的板材作为成形基板, 在I 0=3. 5m A 时, 基板表层的温度(1320℃) 十分接近基板熔化温度, 通过改变扫描方式和增加预热措施, 基板表层和粉末能在合适的电子束电流作用下形成冶金结合。
图4
成形件的微观组织
图6 基板表层温度随电子束电流的变化
4 结 论
图5 电子束作用下粉末的动态凝固示意图
1) 与电子束电流、作用时间和聚焦电流有关的能量密度系数E 0是判断成形工艺优劣的主要工艺参数, 在本试验条件下最佳的E 0为62. 8GJ /m 。
2) 成形件的微观组织细小, 下部区域为胞状晶, 中间区域为晶粒尺寸较大的胞状晶, 上部区域为柱状晶。无未熔颗粒、夹杂及气孔等缺陷。
3) 基板厚度较薄能保证成形件与基板形成冶金结合, 降低成形件翘曲、错层和变形发生的几率。
参考文献 (Ref erences )
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[J].
Ra pid
3
熔液的回流作用共同引起的, 金属熔液的晶粒本来有一个沿垂直方向的生长方向, 但熔液回流对其造成冲击作用, 使得生长方向发生了改变, 这种改变对于最后凝固的区域(如第N 层的上部) 影响最大, 因为已凝固区域的晶粒已基本生长完毕。
以上组织观察和分析表明:采用EBSM 技术制造成形件的微观组织细小, 下部区域为等轴晶, 中间区域为晶粒尺寸较大的胞状晶, 上部区域的晶粒生长方向大致与表面法线平行, 但是受到金属熔液的回流作用, 在束斑重叠区域有所偏转。
3. 3 基板材料及结构的选取
实验表明:成形件必须与基板固定, 否则“漂浮”在粉末中的成形件容易发生错层和翘曲现象, 其原因在于扫描成形多层后, 由温度梯度引起的热应力会将结合不牢的第一层与基板整体或局部撕开, 成形件将会失去基板的约束, 错层、翘曲和变形等缺陷发生的几率将大大增加。
为了避免基板翘曲给成形件增加翘曲变形量, 在激光选区熔化技术中一般选择较厚的板材作为成形件的基板(10m m 左右) ; 但是, 在E 0一定的情况下, 基板越厚, 成形件第1层与基板的结合强度就越差。图6是第1层扫描的开始区域基板表层的温度随基板厚度d 变化的数值模拟结果。当d >1m m 后, I [6]
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