金属零部件加工中融合3D打印技术的应用研究

雷 佩，王静静

（郑州轻工业大学，河南 郑州 450002）

3D打印技术基于快速喷涂成型生产的基本原理。它是通过添加金属粉末，结合高密度和高能量的激光束作为加热源，使用3D数字CAD模型作为3D而形成的。尺寸成型框架，并根据程序预先形成运动轨迹。具有复杂结构和优良特性的金属零件。

在对多层打印金属零部件微观表征的过程中发现，纵向梯度随着层数逐渐增加，柱状晶粗化明显，组织沿纵向梯度方向严重不均匀，气孔、孔洞、夹杂等缺陷的数量也大幅增加的问题。对下部、中部、上部不同空间位置进行多数量等比例拉伸试验时，发现纵向梯度强度和塑性严重不均匀的问题，为了解决这些问题，获得整体组织和性能均匀的激光3D打印金属零部件，本文提出了金属零部件加工中的融合3D打印技术应用研究[1]。根据动态自适应功率降低的加工方案，减少3D打印过程中的热积聚效应，使打印的金属零件更加均匀，进一步提高金属零件的性能。并建立动态三维瞬态温度场仿真模型，对其进行了仿真模拟，加以验证。

1 金属零部件加工中的融合3D打印设备及操作流程

试验采用3D打印设备系统，其发出的激光波长为1060nm，外部光路的激光传导为1000nm光纤，它随后连接到激光3D打印头上，金属粉末通过粉末进料器进料。采用西门子数控系统控制的三轴数控机床作为工作平台。配备了惰性气体保护手套箱，恒温循环水冷却，铜基板和Ar气流系统。具体参数如表1所示。

表1 光纤激光仪器主要参数

其中3D打印设备的操作步骤如下。

（1）在此之前在粉末进料器中进行测试时，地方Incone1625金属粉末，粉末进料器来调节速度，以使粉末进料速率为18克/分钟。最终目标-以提供均匀的发送合金粉末，不会与激光束的光输出以及确保电流粉末和激光束的会聚效果干扰。

（2）将干燥后的20G基板通过转移室，放在带有恒温铜基板的工作台上，置于惰性气体保护的手套箱中，然后将导热胶均匀涂抹在20G基板与水的接触面上——冷却铜板，最终目标是保持3D激光打印过程具有良好的成型效果。

（3）将激光头与20G基板的距离调整15mm，使激光束和来自同轴四路氢粉供应线的粉末流有良好的会聚效果。

（4）最后，将预先设计好的CNCNumericG代码加载到CNC系统中，打印路径将平行并在同一方向。然后可以在控制面板上调整需要更改的测试参数，包括激光输出功率、扫描速度等，检查各项指标是否工作，符合标准后运行测试。

（5）完成测试后，让样品冷却，按数字顺序取出打印的样品，然后进行系统的检查和分析。

2 金属零部件加工中的融合3D打印瞬态温度场建模

加工金属零件时的Fusion3D打印过程是一个复杂的过程。这些微观机制相互影响，在技术设备中无法用肉眼准确检测和分析。在加工金属零件时，仅仅依靠测试方法来分析不同因素之间的相互作用，需要进行大量的测试才能得到薄壁加工的最佳工艺和参数，这不可避免地人力物力受到损失，一个简单的测试过程无法定量揭示演化规律和微观结构变化的机制。建模方法允许对研究对象进行可视化、三维和动态显示，例如显示非定常温度场的演变等。

根据这一需求设计了逐层数功率递减的实验方案，这一方案是一个自适应灵活的分析方法，逐层数递减是指施加功率值可以从刚开始2200 W，逐单层0 W~30 W递减，或者逐层甚至三层OW~30W递减一直到所需的层数，使得梯度方向最大程度获得低的热输入量而获得更优异的性能和组织大尺寸30层金属零部件。这是一个动态可变的过程，成形件的组织均匀性和性能均匀性得到提升。

建立模型，进行打印，得到的成形件，可以发现30层20W逐层递减的试样打印同向，长度80mm，高度17mm，宽度3mm，表面成形连续且平整、有明显的金属光泽、垂直度良好、无宏观气孔和夹杂、无裂纹缺陷，可以发现每一层之间以及打印层和基体界面处熔合良好，而30层30W逐层递减的试样打印同向，长度80mm，高度17mm，宽度3mm~1.5mm渐变，会发现有明显的上薄下粗的现象，主要是由于热输入明显降低的缘故且试样的表面粗糙度比前者要低。

2.1 工艺优化后的金属零部件组织结构

激光3D打印金属零部件过程中，随着打印层数的增加，激光束热源对打印层和基体层持续热输入，此时散热条件也会降低，导致打印件整体的温度急剧上升，同时每打印一层的成形过程会对该层的前几层产生加热效应造成热影响，导致晶粒尺寸沿纵向梯度的不均匀。逐层20W热输入递减的试样要比逐层30W递减的试样组织更加均匀，晶粒分布更加弥散，尺寸相对大小差别更小，这有效说明新加工方案的思路有助于金属零部件均匀组织的形成。

图1 为激光3D打印工艺优化后金属零部件不同梯度位置组织的三维形貌。从图中可以发现2套加工方案的壁件显微组织是均匀的、致密的。但液相的高度可能会超过一个打印层的厚度，当激光束光源扫描到合金粉末上时，激光功率合适且够大和扫描速度是在进行统一量纲后优化过的。

图1 工艺优化INCONEL62s金属零部件不同梯度位置的三维组织形貌

从图中不难看出，横截面上生长大多为细而长的柱状晶，之后在逐层打印，过程中激光扫描组织中的枝晶晶粒生长方向，也可得知激光3D打印金属零部件的过程，其中重要的温度梯度是垂直向下的，是因为激光束面热源在逐步扫描，热源前部的温度梯度值大于热源后部的温度梯度值，由图可以直观看出金属零部件不同区域的组织区别明显减小，20W逐层递减的下部组织与上部的柱状晶组织尺寸基本相当有严格的外延生长特点，相比30W逐层递减的下部和上部值要更为粗大一些，同时30W逐层递试样的下部和上部柱状晶也表现出更加均匀的特性。

综上述3D打印制造金属零部件的结构组织更加均匀的20W金属零部件进行eDS面扫后发现，其主要以固溶体为主，在柱状晶与树枝晶间存在一定数量且不规则分布的Laves相。利用能谱对20W逐层递减试样的微观组织进一步分析。从eDS形貌分布中发现，试件主要有两种不同的析出相，一种是基体固溶体，另一种是不规则形状以及不规则分布的析出相数量较多，在壁件整体中呈现弥散分布。

可以得出看出随着试样高度的不断增加，热量的不断积累，冷却速度不断降低，柱状晶的枝晶之间的距离在逐渐地扩大。在试样的中上部，相邻枝晶间的二次枝晶发生相互交错使得析出相的缩小。

2.2 工艺优化后金属零部件性能

本文研究了3D打印金属零部件从单道到薄壁成形过程，分析了单道打印的最佳工艺参数，利用该最佳工艺参数进行大尺寸成形件打印，针对不同高度位置枝晶的形貌和性能表现出的不均匀性和不一致性，针对该问题并提出了调控热输入的方案。

金属零部件3D打印的加工技术，进行了10层、20层、30层的打印。其微观组织主要以柱状树枝晶为主，且枝晶晶粒生长方向与激光束扫描方向近似垂直定向外延生长。

建立了3D打印金属零部件的温度场模型，模拟了其形成过程中三维瞬态温度场的变化过程，并对特征点进行了分析，发现从第五打印层之后各分析步的中心点峰值温度基本上相等随后开始下降，同时温度热循环轮廓相似，从各打印层的各个分析步特征点计算所输出的热循环曲线大体可以看出，3D打印过程是一个快速加热冷却的过程，后打印层各分析步中心点的峰值均比前一打印层各分析步要高，但是这种增幅度会越来越小。

随着打印过程的进行，打印样件会产生热积累。为此设计了逐层降低热输入30 W和20 W方案。逐层20 W热输入递减的试样要比逐层30W递减的试样组织更加均匀。对20 W递减的金属零部件进行eDS面扫描后发现，其主要以固溶体为主，在柱状晶与树枝晶间存在一定数量且不规则分布的Laves相，数量较多，在金属零部件整体中呈现弥散分布。30 W逐层递减的30层金属零部件相比20 W逐层递减30层试样和同功率打印的30层试样在高度方向表现出更加均匀的拉伸强度和塑性，强度在700 MPa左右，塑性延伸率60%左右。

综上所述，金属零部件加工中的融合3D打印技术制造出来的金属零部件相比较于传统方法，金属零部件更加均匀，金属零部件性能也得到了进一步提升。

3 结语

本文主要针对金属零部件加工中的融合3D打印技术研究，仿真模拟分析探讨了不同工艺参数对3D成形金属零部件组织和性能均匀性获得的影响规律。利用逐层降低热输入的方法虽然在一定程度上可以提升一个参数打到底的大尺寸金属零件的组织均匀性和性能均匀性，但是在成形过程中各个工艺参数如保护气流速，粉末颗粒汇聚程度等定量准确地合理匹配过程需要进一步分析研究，使得方案更加精细化。虽然取得了一定的进展，但还有很多更详细的问题需要进一步系统研究和解决。