激光燒結銅基合金的關鍵工藝及基礎研究.pdf

1、作為快速原型制造技術重要分支的直接金屬激光燒結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成形復雜形狀的三維零件。但目前直接金屬激光燒結的研究仍處于起步階段，對其中涉及的金屬粉體材料制備與表征、工藝控制與優(yōu)化、及燒結過程冶金物理化學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研究對象，主要研究內容和結構安排如下。 論文第一部分，研究激光燒結多組分Cu基合金粉末（Cu－Cu10Sn－Cu8.4P）

2、的關鍵工藝和基礎理論，內容包括： （1）多組分銅基合金粉末設計、制備及材料成形性研究，獲取了激光燒結用金屬粉末的物性指標、制備技術和表征方法 直接激光燒結因其特殊的成形方式（逐行燒結、逐層疊加）和成形過程（高能激光動態(tài)掃描下的瞬態(tài)冶金過程），對材料成形性有特殊要求，即粉體化學成分和物理性質須適于逐層鋪粉和激光逐層燒結的工藝。作者基于粉末在激光作用下部分熔化的液相燒結機制（Cu充當骨架金屬，Cu－10Sn充當粘結金屬，Cu

3、－8.4P作為脫氧劑或稀釋劑），設計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制下可有效抑制“球化”效應，降低由熱應力導致的翹曲變形。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)化設計結果表明，一方面，適當增加Cu－10Sn比例，可提高燒結致密度；但若超過50 wt.％，則會導致“球化”效應。Cu－8.4P比例以15 wt.％為宜，P元素可充當脫氧劑而防止燒結體系氧化，亦可充當稀釋劑而降低

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（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粉，均可提高粉體松裝密度及燒結致密度。在粉末制備中，首次提出了“磨球混粉”工藝，并通過合理設置球料比（5：1）、轉速（100 rpm）及混粉時間（90 min），在不破壞原始粉末主要特性的前提下，實現了多元系粉體混粉均勻性，為提

5、高燒結致密度和組織均勻性奠定了基礎。 （2）多組分銅基合金粉末激光燒結的工藝成形性研究，實現了高致密度復雜形狀銅基金屬樣件激光燒結精密成形 結合金屬粉末激光燒結涉及的復雜物理冶金和化學冶金過程，作者從直接金屬激光燒結基本成形機制和綜合調控激光參數和鋪粉參數入手，獲得了金屬激光燒結中抑制“球化”效應、改善成形精度和控制成形機制、提高燒結致密度的基本規(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。在保證適宜成形機制條件下，通過合理設定光斑直徑（0.3 mm）、適當增加激光功率（>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），能改善燒結致密度及組織均勻性。發(fā)現并總結了3類激光燒結“球化”機制：“第一線球化”、“收縮球化”和“自球化”；并可通過合理設定粉床預熱溫度及控制激光

7、功率和掃描速率加以抑制。提出了利用“能量體密度”對激光成形性作精確化和穩(wěn)定化調控，對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，可實現最大外觀尺寸210 mm×70 mm×9 mm，相對密度>90％，最大尺寸誤差<2％、拉伸強度>140 Mpa的復雜形狀銅基金屬樣件的激光燒結成形。 論文第二部分，研究激光燒結制備亞微米WC－Co顆粒增強Cu基塊體復合材料的成形工藝、冶金機制及基礎理論，內容包括：

8、 （1）激光燒結制備亞微米WC－10Co顆粒增強Cu基復合材料的材料設計與工藝研究，獲取了高性能顆粒增強金屬基復合材料激光快速成形的關鍵材料與工藝 激光燒結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，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。對于陶瓷顆粒增強金屬基復合材料，可用包覆金屬的金屬陶瓷和基體金屬制備成復合粉體，在激光燒結過程中易實現金屬－金屬界面結合。作者設計并制備了包覆C

9、o的亞微米WC（增強體）和Cu（基體）的復合粉末，成功獲得了激光燒結制備的WC－10Co顆粒增強Cu基復合材料塊體試樣。發(fā)現高能激光的快速作用機制致使WC顆粒完好保留亞微米尺寸特征，甚至部分細化至納米級。同時，對工藝條件（激光參數和鋪粉參數）作了優(yōu)化，發(fā)現增加激光功率至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，均能提高燒結致密度，改善增強體分散均勻性以及與基體結合性。在材料界面結構的研究中

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

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

12、規(guī)則分布的顆粒；此種假設對于復合體系激光成形過程難以成立。一方面，因基體與顆粒熱導率和比熱的差異，從本質上決定了復合體系的起始平界面存在局部不穩(wěn)定性；另一方面，因激光束移動掃描，熔體流動具有紊亂性，故凝固過程難以通過平界面方式進行。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顆粒與動態(tài)固液界面交互作用的理論模型；分析結果表明，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，特別是在增強體質量分

13、數較高的條件下改善其分散均勻性，在工藝方面，可適當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，細化晶粒。實驗研究結果表明，在高質量分數（50.0 wt.％）亞微米WC－10Co和Cu復合粉末中添加適量La2O3（1.0 wt.％），可實現對增強顆粒的有效俘獲，提高顆粒分散均勻性以及顆粒/基體界面結合性，并獲取良好的成形