激光燒結(jié)銅基合金的關(guān)鍵工藝及基礎(chǔ)研究.pdf

1、作為快速原型制造技術(shù)重要分支的直接金屬激光燒結(jié)可在沒有工裝夾具或模具的條件下，利用激光束將疏松粉體材料逐層燒結(jié)成形復(fù)雜形狀的三維零件。但目前直接金屬激光燒結(jié)的研究仍處于起步階段，對(duì)其中涉及的金屬粉體材料制備與表征、工藝控制與優(yōu)化、及燒結(jié)過程冶金物理化學(xué)理論等都有待深入探討。本文選取銅基金屬粉末作為直接激光燒結(jié)研究對(duì)象，主要研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排如下。 論文第一部分，研究激光燒結(jié)多組分Cu基合金粉末（Cu－Cu10Sn－Cu8.4P）

2、的關(guān)鍵工藝和基礎(chǔ)理論，內(nèi)容包括： （1）多組分銅基合金粉末設(shè)計(jì)、制備及材料成形性研究，獲取了激光燒結(jié)用金屬粉末的物性指標(biāo)、制備技術(shù)和表征方法 直接激光燒結(jié)因其特殊的成形方式（逐行燒結(jié)、逐層疊加）和成形過程（高能激光動(dòng)態(tài)掃描下的瞬態(tài)冶金過程），對(duì)材料成形性有特殊要求，即粉體化學(xué)成分和物理性質(zhì)須適于逐層鋪粉和激光逐層燒結(jié)的工藝。作者基于粉末在激光作用下部分熔化的液相燒結(jié)機(jī)制（Cu充當(dāng)骨架金屬，Cu－10Sn充當(dāng)粘結(jié)金屬，Cu

3、－8.4P作為脫氧劑或稀釋劑），設(shè)計(jì)制備了多組分銅基金屬粉末Cu－Cu10Sn－Cu8.4P，該粉末體系在液相成形機(jī)制下可有效抑制“球化”效應(yīng)，降低由熱應(yīng)力導(dǎo)致的翹曲變形。銅基金屬粉末的組分比例、顆粒形貌、粒度、松裝密度等的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果表明，一方面，適當(dāng)增加Cu－10Sn比例，可提高燒結(jié)致密度；但若超過50 wt.％，則會(huì)導(dǎo)致“球化”效應(yīng)。Cu－8.4P比例以15 wt.％為宜，P元素可充當(dāng)脫氧劑而防止燒結(jié)體系氧化，亦可充當(dāng)稀釋劑而降低

4、熔體表面張力、改善固液潤濕性，從而提高激光成形性。另一方面，粗（Cu平均粒徑54 μm）、細(xì)（Cu－10Sn平均粒徑28 μm）粉末共混形成“雙峰”粉體，并使其具有較寬粒度分布（≥70 μm）；使用球形或近球形細(xì)粉，均可提高粉體松裝密度及燒結(jié)致密度。在粉末制備中，首次提出了“磨球混粉”工藝，并通過合理設(shè)置球料比（5：1）、轉(zhuǎn)速（100 rpm）及混粉時(shí)間（90 min），在不破壞原始粉末主要特性的前提下，實(shí)現(xiàn)了多元系粉體混粉均勻性，為提

5、高燒結(jié)致密度和組織均勻性奠定了基礎(chǔ)。 （2）多組分銅基合金粉末激光燒結(jié)的工藝成形性研究，實(shí)現(xiàn)了高致密度復(fù)雜形狀銅基金屬樣件激光燒結(jié)精密成形 結(jié)合金屬粉末激光燒結(jié)涉及的復(fù)雜物理冶金和化學(xué)冶金過程，作者從直接金屬激光燒結(jié)基本成形機(jī)制和綜合調(diào)控激光參數(shù)和鋪粉參數(shù)入手，獲得了金屬激光燒結(jié)中抑制“球化”效應(yīng)、改善成形精度和控制成形機(jī)制、提高燒結(jié)致密度的基本規(guī)律。提出了將不同激光功率和掃描速率下的粉體激光熔凝特征劃分為微熔區(qū)、部分熔

6、化區(qū)、持續(xù)熔化區(qū)、球化區(qū)、及完全熔化區(qū)這一新穎的工藝思路；且以部分熔化區(qū)為適宜工藝區(qū)間。在保證適宜成形機(jī)制條件下，通過合理設(shè)定光斑直徑（0.3 mm）、適當(dāng)增加激光功率（>300 W）、減小掃描速率（<0.06 m/s）、減小掃描間距（≤0.15 mm）、或降低鋪粉厚度（≤0.30 mm），能改善燒結(jié)致密度及組織均勻性。發(fā)現(xiàn)并總結(jié)了3類激光燒結(jié)“球化”機(jī)制：“第一線球化”、“收縮球化”和“自球化”；并可通過合理設(shè)定粉床預(yù)熱溫度及控制激光

7、功率和掃描速率加以抑制。提出了利用“能量體密度”對(duì)激光成形性作精確化和穩(wěn)定化調(diào)控，對(duì)于制備的多組分銅基金屬粉末在能量體密度為0.23 kJ/mm3條件下，可實(shí)現(xiàn)最大外觀尺寸210 mm×70 mm×9 mm，相對(duì)密度>90％，最大尺寸誤差<2％、拉伸強(qiáng)度>140 Mpa的復(fù)雜形狀銅基金屬樣件的激光燒結(jié)成形。 論文第二部分，研究激光燒結(jié)制備亞微米WC－Co顆粒增強(qiáng)Cu基塊體復(fù)合材料的成形工藝、冶金機(jī)制及基礎(chǔ)理論，內(nèi)容包括：

8、 （1）激光燒結(jié)制備亞微米WC－10Co顆粒增強(qiáng)Cu基復(fù)合材料的材料設(shè)計(jì)與工藝研究，獲取了高性能顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料激光快速成形的關(guān)鍵材料與工藝 激光燒結(jié)具有工藝靈活性和取材廣泛性，可用于新型材料及零件的制備與成形；同時(shí)，因激光作用的高度非平衡性，也有望使成形材料具有特殊的組織及性能。對(duì)于陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，可用包覆金屬的金屬陶瓷和基體金屬制備成復(fù)合粉體，在激光燒結(jié)過程中易實(shí)現(xiàn)金屬－金屬界面結(jié)合。作者設(shè)計(jì)并制備了包覆C

9、o的亞微米WC（增強(qiáng)體）和Cu（基體）的復(fù)合粉末，成功獲得了激光燒結(jié)制備的WC－10Co顆粒增強(qiáng)Cu基復(fù)合材料塊體試樣。發(fā)現(xiàn)高能激光的快速作用機(jī)制致使WC顆粒完好保留亞微米尺寸特征，甚至部分細(xì)化至納米級(jí)。同時(shí)，對(duì)工藝條件（激光參數(shù)和鋪粉參數(shù)）作了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)增加激光功率至700 W、在高于0.04 m/s條件下提高掃描速率、或減小鋪粉厚度至0.30 mm以下，均能提高燒結(jié)致密度，改善增強(qiáng)體分散均勻性以及與基體結(jié)合性。在材料界面結(jié)構(gòu)的研究中

10、，發(fā)現(xiàn)將增強(qiáng)相WC通過WC－10Co復(fù)合粉體加入，可將WC/Cu（陶瓷/金屬）界面轉(zhuǎn)變?yōu)閃C/Co/Cu（陶瓷/中間層金屬/金屬）界面，也即將粘結(jié)相Co作為基體金屬Cu與增強(qiáng)相WC的“潤濕媒介”，從而改善顆粒/基體界面結(jié)合性。同時(shí)，通過優(yōu)化粉末體系中增強(qiáng)體含量，避免了在增強(qiáng)體含量較低時(shí)（≤20 wt.％），因復(fù)合體系熱膨脹系數(shù)較高、熔體過熱傾向明顯而出現(xiàn)的“球化”效應(yīng)；或在增強(qiáng)體含量較高時(shí)（≥40 wt.％），因液相生成量偏少、熔體粘度

11、過高而導(dǎo)致的增強(qiáng)顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明WC－10Co以30 wt.％為宜。 （2）激光作用下增強(qiáng)顆粒與基體金屬推擠/俘獲機(jī)制的理論研究，提出了提高顆粒/界面俘獲效應(yīng)、改善顆粒分散均勻性及界面結(jié)合性的工藝和材料措施 激光快速作用下顆粒與動(dòng)態(tài)凝固界面的交互作用是影響顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料激光成形性能的又一關(guān)鍵因素。已有的關(guān)于顆粒/界面作用的研究，一般將固液界面簡化為平界面，而將顆粒假設(shè)為置于平界面前沿的單個(gè)球形顆?；蛏倭?/p>

12、規(guī)則分布的顆粒；此種假設(shè)對(duì)于復(fù)合體系激光成形過程難以成立。一方面，因基體與顆粒熱導(dǎo)率和比熱的差異，從本質(zhì)上決定了復(fù)合體系的起始平界面存在局部不穩(wěn)定性；另一方面，因激光束移動(dòng)掃描，熔體流動(dòng)具有紊亂性，故凝固過程難以通過平界面方式進(jìn)行。作者通過引入枝晶形態(tài)的凝固界面，建立了用以描述激光快速凝固條件下增強(qiáng)顆粒與動(dòng)態(tài)固液界面交互作用的理論模型；分析結(jié)果表明，顆粒俘獲的主控因素是激光作用下的熔體臨界過冷度。為提高顆粒俘獲效應(yīng)，特別是在增強(qiáng)體質(zhì)量分

13、數(shù)較高的條件下改善其分散均勻性，在工藝方面，可適當(dāng)提高激光功率和掃描速率，以提高熔體過冷度；在材料方面，可在粉體中適量添加稀土元素來降低熔體表面張力，改善固液潤濕性；釘扎晶界/相界，抑制晶粒/顆粒粗化；提高形核率，細(xì)化晶粒。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)（50.0 wt.％）亞微米WC－10Co和Cu復(fù)合粉末中添加適量La2O3（1.0 wt.％），可實(shí)現(xiàn)對(duì)增強(qiáng)顆粒的有效俘獲，提高顆粒分散均勻性以及顆粒/基體界面結(jié)合性，并獲取良好的成形