不锈钢激光焊接成型件的制备及熔渗前的后处理工艺研究

2013-09-17王文超

电焊机 2013年11期

陈琳，王文超

(1.长江工程职业技术学院机械工程系，湖北武汉 420212；2.武汉市特种设备监督检验所，湖北武汉 430019）

0 前言

选择性激光烧结是一种新兴的快速制造技术，集计算机辅助设计（C A D）、计算机辅助制造（C A M）、计算机数字控制（C N C）和新材料等先进技术于一身，近年来发展迅速。但经过激光烧结成型的零件采用脱脂、高温烧结等后处理工艺，在机械性能和热学性能上还有一些不足。本研究就不锈钢激光成型件的制备及烧结成型后处理的前两步工艺进行试验，为以后的渗铝研究和焊接工艺打下基础。

1 不锈钢激光成型件的制备

1.1 成型件原料的选择

实验采用选择性激光烧结工艺，烧结覆膜为不锈钢粉C M P 1，其主要成分为1 G r 1 8 N i 9 T i，由有机树脂包覆不锈钢颗粒制成，外观为灰色，粒度1 6 0～3 0 0目，烧结温度1 4 0℃，其化学分如表1所示。制备工艺：（1）用稀盐酸钠溶液清洗不锈钢粉末的表面油脂，再用稀盐酸清洗表面氧化物，然后用润湿剂进行表面处理；（2）将增润剂、润湿分散剂、增脆剂以及不同熔点的有机树脂按一定比例在卤代烃中加热溶解制成包覆溶液；（3）将包覆溶液和表面处理后的金属粉末按照一定的比例在双锥回转真空干燥机中混合、烘干、回收溶剂，然后进行冷冻粉碎，经筛分得到一定粒度分布的粉末，一般要求粒度为3 0 0目。

表1 覆膜不锈钢粉末材料化学成分 %

1.2 烧结成型原理

如图1所示，烧结所用的金属粉末外层均匀包覆一层有机树脂，可用小功率激光烧结机来烧结[1]，其原理如图2所示。在烧结时，激光只是把金属粉末包覆层的有机树脂熔化，而金属颗粒并没有发生任何变化，熔化的有机树脂冷却后把周边的颗粒互相粘结在一起形成烧结体。这种间接成型的原型件的强度还很低，必须经过后处理才能达到一定的强度。

图1 覆膜金属粉末示意

图2 烧结原理

1.3 成型参数及设备的选择

烧结成型设备采用CO2激光器。结合成型原料性质，确定铺粉厚度为0.2 mm，扫描速度4 mm/s，激光功率20W，激光线束长度30mm，扫描间距0.15mm，预热温度100℃，最高烧结温度140℃，采用长边异侧和短边方式相结合的扫描方式。设备为HLP-350I型点扫描激光烧结成型机。主要技术参数为：最大成型尺寸φ305 mm×400 mm；成型精度±0.15 mm；激光源为3 0W.Synrad.CO2激光器；控制系统为Pentium.4.工控机；激光束最大扫描速度2 500 mm/s；输入文件格式*.STL。

1.4 粉末及烧结试样表面形貌观察分析

（1）未烧结粉末形貌。

在较低放大倍数下观察未烧结粉末形貌，发现其形状不太规则，以多角形为主，有部分椭圆和少部分圆形及条状。颗粒度也不均匀，尺寸以几十微米的大颗粒为主，大颗粒之间有较多空隙，孔隙内填充了大量尺寸为几微米以下的细小颗粒[2]。在较大的倍率下观察，可以发现大颗粒是由许多小颗粒通过有机树脂粘结而成的聚集体。

（2）烧结试样微观形貌。

不同激光加热温度下的烧结试祥表面微观形貌如图3所示，由图3a可以看出，当激光加热温度低于100℃时，颗粒表而无明显变化。当加热温度超过100℃时，颗粒表面有机树脂开始熔化，在颗粒之间形成粘结桥，初步起到粘结颗粒的作用。随着加热温度的逐步升高，有机树脂熔化程度提高，粘度下降，流动性变好，对金属颗粒的润湿性及包覆程度进一步增强。当加热温度超过l30℃时，树脂的熔化程度明显增强（见图3b）。这是因为此时加热温度达到了有机树脂中另一组分热熔胶的熔点，促使其熔化，并与另一熔融组分（复合蜡）形成均匀连接相，提高了粘结强度[3]。与此同时，大颗粒内部的有机树脂也对小金属颗粒或小金属颗粒聚集体进行浸润和连接，由于表面树脂的流失，大颗粒聚集体对内部小颗粒的约束作用变弱，其形状发生了变化，如图3c所示。聚乙烯蜡的粘性系数(粘度)随温度变化关系为

式中 T为热力学温度：T0为初始热力学温度；η0为温度T0下的粘性系数；Eh为材料常数（热激活能）；k为玻尔兹曼(Bohzman)常数。

由图3d可以看出，随着温度的增加，粘度下降。随着温度进一步提高，由于聚乙烯蜡粘度下降，流动性变好，几乎呈流动的液态向颗粒间隙内渗透，提高了烧结密度。但聚乙烯蜡粘结强度较低，达不到烧结成型所需的金属颗粒间的连接要求；同时出现烧结试样收缩量大、形状不易控制的缺点。并且加热温度太高会导致有机树脂的碳化、烧损，如图3d所示，从而影响烧结强度。所以通常激光加热最高温度不宜超过200℃。

2 不锈钢激光成型件的脱脂处理

2.1 脱脂工艺及其影响因素

激光烧结成型的金属制件即原型件的相对密度很低，机械性能差，不能作为结构零件在工程中使用，因此需要通过后处理进一步提高其机械性能。脱脂降解是其后处理的第一个阶段。

图3 烧结试样表面微观形貌

典型的脱脂加热在两个不同温度的保温阶段完成，先将坯件加热到350℃，保温5 h，再升温到450℃，保温4 h。在这两个阶段，98%的聚合物分解成气体除去。大量的实验研究中发现加热时间也是一个重要参数，它与试件的体积大小、厚度有关。图5是在上述激光烧结工艺参数下，选择试件面积为30mm×30 mm，以脱脂后质量为原来的93%为标准得出的脱脂加热时间跟试件厚度之间的关系曲线。

图4 脱脂加热时间与试件厚度的关系曲线

从图4可知，随着试件厚度的增加，所需的加热时间延长，两者之间成近似的直线关系。这是因为试件厚度增加，其内部聚合物降解产生的气体逸出困难，因此完全逸出所需时间增长，延长了加热时间。

2.2 脱脂后原型件的微观组织

原型件脱脂后的微观组织如图5所示。可以看出，粉粒之间存在大量的空隙，表明聚合物已经气化消失，因此粉粒间仅靠微小的范德华力和少量残余聚合物连接，原型件的强度很低，在处理过程中要当心变形和断裂，一般将脱脂和高温烧结在同一个真空炉中进行，中途不宜移动原型件。

3 不锈钢激光成型件的高温烧结处理

不锈钢激光成型件高温烧结的后处理工艺有两种途径：一种是在惰性气体的电阻炉中加热烧结，但是这种方法烧结后，颗粒之间存在大量空隙，颗粒表面形成氧化物，使得烧结件强度不高[4]；另一种方法是将原型件在真空炉中烧结，可以避免金属粉末与氧气发生氧化反应。在此采用真空炉高温烧结。

3.1 高温烧结试验

设备型号SL63-7GF；最大工作尺寸φ160mm×160 mm；最高加热温度2 000℃；极限真空度可达到10-3Pa数量级，但是一般试验时的工作真空度在10-2Pa数量级；真空炉额定功率50 kW，电源电压380 V，工作电压36 V。

图5原型件脱脂后的微观组织

实验可知，对于覆膜不锈钢粉末的激光成型件，在低于800℃范围内烧结时，试样的线收缩率、体积密度和空隙变化很小，在800℃～1 100℃范围内随着烧结温度的提高，线收缩率和体积密度显著增大，空隙急剧减小，说明在这个温度范围内，烧结过程激烈，这一阶段是烧结试样致密化的主要阶段。在1 100℃～1 315℃范围内，随着温度的提高，线收缩率和密度缓慢增加，空隙减少幅度也很小。根据上述变化情况，可将高温烧结过程分为三个阶段：0℃～800℃为烧结初期；800℃~1 100℃为烧结中期；1 100℃～1 315℃为烧结后期。

3.2 烧结结果分析

烧结前脱脂坯体由直径为几微米到几十微米的大颗粒组成，每个大颗粒内部包含很多直径更小的细颗粒，见图5。显然这些大颗粒是在制粉过程中由细颗粒相互粘结形成的，经脱脂后，各个颗粒之间含有大量尺寸较大的空隙，其内部细小颗粒之间也存在大量的小空隙。

真空烧结后的原型件没有发生金属氧化现象，表面呈现金属光泽，经真空烧结后的原型件体积收缩较大，致密度提高，质量减少8%～9%。原因是原型件中残余的有机树脂降解气化，质量减少，原型件颗粒在高温下通过扩散接触粘结形成烧结颈，随时间延长，烧结颈长大，间距缩小，尺寸收缩，致密度提高，显微结构如图6所示。可以看出，真空烧结后，金属颗粒已大面积融合，空隙缺陷减少，间隙变小，部分空隙已经闭合，致使材料性能改善，强度提高。