1 引言金属粉末激光成形 (MetalPowderLaserShaping ,简称MPLS)工艺由中国科学院沈阳自动化研究所快速成形实验室提出 ,该工艺将传统快速原型技术和激光熔覆技术相结合 ,研究具有任意复杂形状或复杂材料组分金属材料零件 (模具 )的快速制造技术。该技术在保持快速成型技术诸多优点的基础上 ,具有传统快速成型技术无法比拟的特点 :可直接制造形状结构复杂的金属功能零件 ;可加工金属或合金材料范围广泛 ,并能实现异质材料零件制造 ;金属或合金材料冶金过程和材料成型过程相统一 ;可方便地加工一些熔点高、难加工的材料。在MPLS工艺中 ,金属功能零件是在高能激光对金属粉末熔覆作用下 ,在随工作台一起做扫描运动的金属基体表面上 ,由点到线、由线到面、由二维到三维逐层累积过程中成形的。成形件与基体表面的粘结牢固性直接决定加工是否可以顺利完成。如果成形件与基体表面粘结不牢固 ,粘结表面会在成形过程中的巨大热应力作用下发生开裂现象 ,使成形零件严重扭曲变形 ,加工被迫终止 ,加工件报废。因此 ,研究在MPLS工艺中成形零件与基体表面的粘结性能至关重要。图 1为薄壁零件成形过程中因基体表面粘结性能差而发生的翘起变形现象。图 1 薄壁零件粘结表面翘起变形现象 2 试验条件及试验方法2 .1 试验条件基体表面粘结性试验在MPLS— 2 0 0型金属粉末激光成形系统上完成 ,该系统主要包括激光器 (横流、管板式、多模二氧化碳激光器 ,波长 10 2微米 ,最大输出功率 2千瓦 )及其光路、数控系统 (工业控制计算机、EPCIO— 6 0 5控制卡、I/O控制卡PCI—175 0、精密X/Y/Z三维工作台 )、送粉系统 (转鼓式送粉器和同轴粉末喷嘴 ) ;试验材料采用镍基合金粉末 ,粒度为 2 0 0目 ;基体材料为A3钢 ;表面粘结状况通过XJ— 16A型金相显微镜进行观察和拍照。2 .2 试验方法用刨削方式将A3钢加工制成如图 2所示的1#、2 #、3#、4 #等四块 10× 10× 5 0mm3的基体 ,基体表面分别进行如下处理 :1#基体用砂纸去除表面锈迹、打磨平滑 ,并用无水乙醇和丙酮依次清洗干净 ;2 #基体保持刨削后的表面状况不变 ;3#基体暴露在空气中自然生成氧化层 ;4 #基体进行表面磷化处理 ,生成一薄层磷化物。图 2是经过四种不同处理方式后的基体表面形貌对比照片。图 2 处理后基体表面形貌对比 基体准备完成之后进行熔覆粘结试验 ,试验参数如下 :激光功率 6 5 0W、激光直径 3mm、扫描速度 4mm/s、粉末流量 5g/min、扫描层数 4层、扫描长度 4 5mm。试验过程中用氩气氛围保护 ,无预热、无保温装置。将熔覆后的基体沿扫描线的垂直方向从中间部位切开 ,经过磨制和抛光后用 4 %硝酸酒精溶液进行腐蚀 ,观察、分析、对比基体与熔覆层的粘结情况 ,并确定最佳基体表面处理办法。 3 试验结果及分析图 3为四块基体表面经过烧结熔覆后的熔覆线形状对比。图 3 基体表面熔覆线形状对比从图中可见 ,1#基体表面根本没有形成连续熔覆线 ,而是一些与基体粘结十分不牢固的金属小球 ,稍微用力击打 ,金属小球即可从基体上脱落 ;2 #基体表面形成一条连续熔覆线 ,但熔覆线宽度远远小于激光光斑直径且宽度波动明显 ,熔覆线边缘与基体之间形成许多金属颗粒 ;3#基体表面形成的熔覆线质量明显好于 2 #基体 ,但其熔覆线宽度仍有明显波动 ,熔覆线边缘与基体之间过渡不光滑 ;4 #基体表面形成的熔覆线宽度十分均匀 ,且与激光光斑直径接近 ,熔覆线表面光滑 ,边缘与基体之间过渡平稳。通过熔覆线形状对比可见 ,4 #基体表面上形成的熔覆线表面质量最好。由于 1#基体表面未形成连续熔覆线 ,所以不必再对其进行截面上的显微观察。图 4为 2 #、3#、4 #基体截面的显微对比照片。由图可见 ,2 #基体稀释率最低 ,基体与熔覆线界限分明 ;3#基体的稀释率稍高 ;4 #基体的稀释率最高 ,基体表面熔深最深 ,熔覆金属与基体材料混入最多 ,因此 4 #基体表面粘结性能最好。稀释率是用来定量描述涂层成分由于熔化的材料混入而引起添加合金成分变化程度的概念。稀释率可通过测量熔覆层横截面积的几何方法进行计算。如图 5所示 ,图中A1为熔覆层截面积 ,A2 为基体熔化区截面积 ,b为熔覆层宽度 ,h为熔覆层高度 ,其表达式为稀释率 =基体熔化面积涂层面积 +基体熔化面积 × 10 0 %=A2A1+A2× 10 0 % (1)图 5 激光熔覆层截面积示意图激光熔覆工艺中要求稀释率尽可能低 ,最好在5 %左右 ,以保证高的表面涂层性能。而在MPLS工艺中为保证成形零件与基体的粘结性能 ,要尽可能地增加稀释率。为了避免成形件底部材料成分受基体材料稀释度的影响 ,在零件CAD建模时底部预先增加一定的厚度 ,在零件成形后将其切除即可。表 1是熔覆线宽度和高度测量对比数据。由表可见 ,2 #基体熔覆线宽度最小 ,4 #基体熔覆线宽度最大 ,而熔覆线的高度几乎没有变化。表 1 熔覆线几何形状对比数据2 #3 #4 #熔覆宽度 (mm) 1.3 41.64 2 .48熔覆高度 (mm) 0 .83 0 .87 0 .85 基体表面粘结性能是影响熔覆线宽度的直接因素之一 ,当基体表面对激光的吸收率低、粘结性能差时 ,聚焦激光束作用到基体表面所形成的熔池将远小于聚焦激光的直径 ,因此金属粉末喷射到基体表面上只能形成较细的熔覆线。熔覆线高度受金属粉末送给量、分层厚度等参数的影响较大 ,而与基体表面粘结性能关系不大。金属基体表面与熔覆层的粘结性能实质上决定于金属表面对激光的吸收率 ,吸收率不仅仅是由金属基体的固有性质决定 ,而且在很大程度上是由基体表面的光学性质决定的。因此 ,实际上金属表面吸收率由两部分组成 :由金属光学性质决定的固有吸收率以及由表面光学性质决定的附加吸收率。附加吸收率主要决定于表面粗糙度、各种缺陷和杂质、氧化层和其他吸收物质层<1> 。由试验结果可知 ,2 #基体表面粘结性能比 1#基体好 ,这是因为 2 #基体表面粗糙度值比 1#基体大 ,对激光的吸收率高。 1#基体由于其光亮表面对CO2 激光器发出的激光的反射率高 (可高达 85 %以上 ) ,因此吸收激光的能力很低 ;而经过刨削的 2 #基体表面上的沟槽和裂纹有利于辐射的波导传输 ,从而产生增大激光吸收的机制 ,另外粗糙表面的聚合效应也有利于激光的吸收。 3#基体表面粘结性能又比 2 #基体好 ,因为氧化层可以使基体表面吸收率增加一个数量级甚至更高 ;而表面经过磷化的 4 #基体粘结性能最佳 ,说明磷化层对激光的吸收率相对最高 ,这与磷化层的特点和微观组织结构密切相关。基体表面磷化是增加基体对激光的吸收率、提高基体表面粘结性能的重要措施之一。表面磷化工艺简单、成本低、热阻大、与基体粘结牢固、厚度均匀,可使钢铁基体被激光辐照的表面有很高的吸收率<2 > 。基体表面磷化技术属于化学转化膜技术之一。其工艺过程首先是将磷酸二氢锌加水溶解 ,使磷酸盐发生水解 ,化学反应见式 (2 )。将此溶液加温至沸点 ,使磷酸盐继续水解 ,化学反应见式 (3)、(4)。Zn(H2 PO4) 2 →ZnHPO4+H3 PO4(2 )3ZnHPO4→Zn3 (PO4) 2 +H3 PO4(3)3Zn(H2 PO4) 2 →Zn3 (PO4) 2 +4H3 PO4(4)再将表面经过打磨、去油、酸洗的基体放入沸腾的磷化溶液中浸渍约 4 0分钟 ,使金属铁与磷酸相互作用 ,并产生溶解。这一溶解在游离酸的作用下形成如式 (5 )～ (8)所示的化学反应。Fe +2H3 PO4→Fe(H2 PO4) 2 +H2 ↑ (5 )Fe +Fe(H2 PO4) 2 → 2FeHPO4+H2 ↑ (6 )Fe +2FeHPO4→Fe3 (PO4) 2 +H2 ↑ (7)Zn(H2 PO4) 2 +2Fe→Zn(PO4) 2 +2H2 ↑ (8)在基体与溶液的接触面上 ,磷酸氢盐和正磷酸盐的浓度不断增加 ,当其过饱和时即结晶析出在基体表面上 ,且晶粒不断生长直到生成磷化膜。磷化膜实质上是一层充满孔隙的、颜色呈深灰色的绒状磷酸盐涂层 ,磷化膜厚约 10 μm左右。正是由于磷化膜特有的颜色、宏观形貌和微观形状的综合作用使磷化的基体表面对激光有着极高的吸收率。图 6是 4 #基体表面与熔覆线过渡状况的 4 0 0倍金相显微照片。由图可见 ,基体材料与熔覆材料互相渗透 ,牢固地交织在一起 ,因此其粘结性能十分理想 ,非常适合MPLS工艺中对基体的要求。图 6 4 # 基体表面与熔覆层的过渡照片 (40 0× )图 7是在 80× 80× 15mm3表面经过磷化处理的基体上通过MPLS工艺成形的金属功能零件。基体与零件之间粘结紧密 ,成形加工过程中在强大的热应力作用下 ,15mm厚的基体已经发生宏观翘起变形 ,但是在基体与零件之间不存在任何翘起与裂缝。 4 结论(1)在MPLS工艺中 ,以低碳钢为基体材料 ,基体表面经过打磨、刨削、氧化和磷化等四种不同处理方式进行粘结性试验。打磨光亮的表面不能形成连续熔覆粘结线 ;刨削和氧化表面形成的熔覆线宽度远小于激光焦斑直径并且波动较大 ;磷化表面熔覆线宽度均匀、表面光整 ,基体表面与熔覆线粘结性能最佳。(2 )在磷化的基体表面上成功进行MPLS零件加工 ,粘结性能优良。金属粉末激光成形基体表面粘结性研究@尚晓峰$中国科学院沈阳自动化研究所二室!沈阳理工大学博士研究生,110016沈阳市
@刘伟军$中国科学院沈阳自
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