脈沖激光微燒結(jié)金屬粉末的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、現(xiàn)代工業(yè)對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件和微細(xì)零件需求越來(lái)越大，要求也越來(lái)越高，特別是對(duì)材料的多樣化，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和尺寸的微小化等方面。然而傳統(tǒng)的加工方法如半導(dǎo)體加工技術(shù)、LIGA工藝、超精密機(jī)械加工以及特種微細(xì)加工技術(shù)等越來(lái)越無(wú)法滿足上述要求。激光微燒結(jié)技術(shù)是“點(diǎn)--線--面--體”的加工過(guò)程，能夠無(wú)需模具，從三維CAD模型和粉末直接制造形狀復(fù)雜、高精度和高空間分辨率及高表面質(zhì)量的三維微細(xì)零件，有望為復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的微型零件提供一個(gè)新的制

2、造方法。本論文對(duì)激光微燒結(jié)技術(shù)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了研究，獲得了一些有價(jià)值的結(jié)果。主要研究?jī)?nèi)容和獲得的成果如下：
　　(1)搭建了實(shí)驗(yàn)原型裝置，獲得了激光微燒結(jié)所需要的高峰值功率的納秒脈沖激光和微細(xì)聚焦光斑。采用Nd:YAG晶體和聲光調(diào)Q晶體獲得了納秒脈沖激光；采用平行平面腔和小孔光闌選模得到了高斯光束；采用開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡對(duì)光束擴(kuò)束準(zhǔn)直后，再用焦距為80 mm的聚焦鏡聚焦得到了直徑大約Φ50～60μm的微細(xì)聚焦光斑。
　　(

3、2)建立了刮刀式鋪粉的力學(xué)模型，獲得了微細(xì)粉末微米級(jí)層厚的鋪置方法。通過(guò)對(duì)鋪粉過(guò)程中粉末和刮刀的受力分析得到了實(shí)現(xiàn)粉末鋪置的力學(xué)條件；分析了影響鋪粉質(zhì)量的因素及其規(guī)律；根據(jù)微細(xì)粉末的特點(diǎn)，指出了微細(xì)粉末的鋪置條件，提出了“雙刮刀分步鋪粉”方法，最終實(shí)現(xiàn)了平均粒徑為2.36μm Ni粉的5μm粉層厚度的鋪置。
　　(3)對(duì)脈沖激光與微細(xì)金屬粉末相互作用的過(guò)程進(jìn)行了研究。從理論上分析了納秒脈沖激光作用于單顆金屬粉末和粉層時(shí)的激光能量的

4、吸收和傳遞的過(guò)程，并與連續(xù)激光作用下的情況對(duì)比。結(jié)果表明：脈沖激光燒結(jié)由于所需功率較低、熱擴(kuò)散深度較小導(dǎo)致熱影響區(qū)較小，使得成型零件的精度較高；脈沖激光作用下，熔池是周期性變化的，燒結(jié)表面粗糙度比連續(xù)激光燒結(jié)差，但這可以通過(guò)高脈沖頻率和低掃描速度的工藝得到有效改善。
　　(4)對(duì)脈沖激光作用下的飛濺種類和形成機(jī)制進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)分析。在理論計(jì)算推導(dǎo)輻射壓力、粉末顆粒間隙空氣膨脹力、氣化蒸氣反沖壓力、等離子體膨脹壓力等四種作用力的基

5、礎(chǔ)上，分析了各種飛濺產(chǎn)生的主要原因。研究結(jié)果表明：熔池飛濺主要是由氣化時(shí)的蒸氣反沖力對(duì)熔池的沖擊而產(chǎn)生，而粉末飛濺則主要由等離子體膨脹壓力對(duì)粉末的沖擊而產(chǎn)生。該理論分析結(jié)果也被實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所證實(shí)。
　　(5)對(duì)脈沖激光微燒結(jié)Ni粉進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了激光峰值功率對(duì)成形質(zhì)量的影響規(guī)律，提出了激光單脈沖平均功率密度的概念，并用該概念很好地歸納了脈沖激光微燒結(jié)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，最后通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)獲得了不同脈沖頻率下燒結(jié)的工藝窗口。研究結(jié)果表

6、明：激光單脈沖平均功率密度主要由激光的峰值功率決定，且隨掃描速度的變化不大。脈沖激光燒結(jié)時(shí)存在一最佳激光峰值功率，過(guò)高的峰值功率會(huì)引起嚴(yán)重的飛濺導(dǎo)致燒結(jié)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，而過(guò)低的峰值功率則會(huì)產(chǎn)生球化現(xiàn)象，使得成形件密度不高。適當(dāng)?shù)募す夥逯倒β士梢詫?shí)現(xiàn)良好燒結(jié)，且燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生的氣化和弱等離子體對(duì)熔池有保護(hù)和壓實(shí)效果，能一定程度上減小球化。高頻脈沖激光燒結(jié)時(shí)工藝窗口較寬，工藝參數(shù)的選擇范圍更大。
　　(6)系統(tǒng)地實(shí)驗(yàn)研究了工藝參數(shù)對(duì)燒結(jié)線寬和燒

7、結(jié)密度的影響。結(jié)果表明：較小的鋪粉厚度，較大的激光功率并匹配較大的掃描速度有利于獲得成形良好的窄細(xì)燒結(jié)線。得到了線寬為60～70μm且有較強(qiáng)強(qiáng)度的燒結(jié)線。減小鋪粉厚度有利于提高燒結(jié)致密度，但較低的激光功率和掃描間距都不利于獲得高致密度燒結(jié)件。定義了“體功率密度”的概念，并將此概念與激光燒結(jié)成型性能進(jìn)行關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)可采用體功率密度對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)控提高激光微燒結(jié)性能。最后本論文在室溫?zé)o氣體保護(hù)的條件下，采用粒度為2.36μm的Ni粉，得到了