淺析金屬粉末選擇性激光燒結快速成型技術

選擇性激光燒結(以下簡稱SLS)技術*初是由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Carl Deckard于1989年在其碩士論文中提出的。后美國DTM公司于1992年推出了該工藝的商業(yè)化生產設備Sinter Sation。幾十年來，奧斯汀分校和DTM公司在SLS領域做了大量的研究工作，在設備研制和工藝、材料開發(fā)上取得了豐碩成果。德國的EOS公司在這一領域也做了很多研究工作，并開發(fā)了相應的系列成型設備。

國內也有多家單位進行SLS的相關研究工作，如華中科技大學、南京航空航天大學、西北工業(yè)大學、中北大學和北京隆源自動成型有限公司等，也取得了許多重大成果，如南京航空航天大學研制的RAP-I型激光燒結快速成型系統(tǒng)、北京隆源自動成型有限公司開發(fā)的AFS一300激光快速成型的商品化設備。

2 SLS技術的工作原理

選擇性激光燒結是采用激光有選擇地分層燒結固體粉末，并使燒結成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。其整個工藝過程包括CAD模型的建立及數(shù)據處理、鋪粉、燒結以及后處理等。SLS技術的快速成型系統(tǒng)工作原理。

整個工藝裝置由粉末缸和成型缸組成，工作時粉末缸活塞(送粉活塞)上升，由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均勻鋪上一層，計算機根據原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地燒結固體粉末材料以形成零件的一個層面。粉末完成一層后，工作活塞下降一個層厚，鋪粉系統(tǒng)鋪上新粉.控制激光束再掃描燒結新層。如此循環(huán)往復，層層疊加，直到三維零件成型。*后，將未燒結的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。對于金屬粉末激光燒結，在燒結之前，整個工作臺被加熱至一定溫度，可減少成型中的熱變形，并利于層與層之間的結合。

與其它快速成型(RP)方法相比，5LS*突出的優(yōu)點在于它所使用的成型材料十分廣泛。從理論上說，任何加熱后能夠形成原子間粘結的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。目前，可成功進行SLS成型加工的材料有石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和它們的復合粉末材料。由于SLS成型材料品種多、用料節(jié)省、成型件性能分布廣泛、適合多種用途以及SLS無需設計和制造復雜的支撐系統(tǒng)，所以SLS的應用越來越廣泛。

3SLS技術的金屬粉末燒結方法

3. 1金屬粉末和粘結劑混合燒結

首先將金屬粉末和某種粘結劑按一定比例混合均勻，用激光束對混合粉末進行選擇性掃描，激光的作用使混合粉末中的粘結劑熔化并將金屬粉末粘結在一起，形成金屬零件的坯體。再將金屬零件坯體進行適當?shù)暮筇幚�，如進行二次燒結來進一步提高金屬零件的強度和其它力學性能。這種工藝方法較為成熟，已經能夠制造出金屬零件，并在實際中得到使用。南京航空航天大學用金屬粉末作基體材料(鐵粉)，加人適量的枯結劑，燒結成形得到原型件，然后進行后續(xù)處理，包括燒失粘結劑、高溫焙燒、金屬熔滲(如滲銅)等工序，*終制造出電火花加工電極。并用此電極在電火花機床上加工出三維模具型腔。

3.2金屬粉末激光燒結

激光直接燒結金屬粉末制造零件工藝還不十分成熟，目前研究較多的是兩種金屬粉末混合燒結，其中一種熔點較低，另一種較高。激光燒結將低熔點的粉末熔化，熔化的金屬將高熔點金屬粉末粘結在一起。由于燒結好的零件強度較低，需要經過后處理才能達到較高的強度。美國Texas大學Austin分校進行了沒有聚合物粘結劑的金屬粉末如CuSn NiSn青銅鎳粉復合粉末的SLS成形研究，并成功地制造出金屬零件。近年來，他們對單一金屬粉末激光燒結成形進行了研究，成功地制造了用于F1戰(zhàn)斗機和AIM9導彈的工NCONEL625超合金和Ti6A 14合金的金屬零件。美國航空材料公司已成功研究開發(fā)了先進的欽合金構件的激光快速成形技術。目前，中國科學院金屬所和西北工業(yè)大學等單位正致力于高熔點金屬的激光快速成形研究，南京航空航天大學也在這方面進行了研究，用Ni基合金混銅粉進行燒結成形的試驗，成功地制造出具有較大角度的倒錐形狀的金屬零件。

3. 3金屬粉末壓坯燒結

金屬粉末壓坯燒結是將高低熔點的兩種金屬粉末預壓成薄片坯料，用適當?shù)墓に噮��?shù)進行激光燒結，低熔點的金屬熔化，流人到高熔點的顆�？紫吨�間，使得高熔點的粉末顆粒重新排列，得到致密度很高的試樣。吉林大學郭作興等用此方法對FeCu,Fe C等合金進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)壓坯激光燒結具有與常規(guī)燒結完全不同的致密化現(xiàn)象，激光燒結后的組織隨冷卻方式而異，空冷得到細珠光體，淬火后得到馬氏體和粒狀。

4 SLS技術金屬粉末成型存在的問題

SLS技術是非常年輕的一個制造領域，在許多方面還不夠完善，如目前制造的三維零件普遍存在強度不高、精度較低及表面質量較差等問題。SLS工藝過程中涉及到很多參數(shù)(如材料的物理與化學性質、激光參數(shù)和燒結工藝參數(shù)等)，這些參數(shù)影響著燒結過程、成型精度和質量。零件在成型過程中，由于各種材料因素、工藝因素等的影響，會使燒結件產生各種冶金缺陷(如裂紋、變形、氣孔、組織不均勻等)。

4. 1粉末材料的影響

粉末材料的物理特性，如粉末粒度、密度、熱膨脹系數(shù)以及流動性等對零件中缺陷形成具有重要的影響。粉末粒度和密度不僅影響成型件中缺陷的形成，還對成型件的精度和粗糙度有著顯著的影響。粉末的膨脹和凝固機制對燒結過程的影響可導致成型件孔隙增加和抗拉強度降低。

4. 2工藝參數(shù)的影響

激光和燒結工藝參數(shù)，如激光功率、掃描速度和方向及間距、燒結溫度、燒結時間以及層厚度等對層與層之間的粘接、燒結體的收縮變形、翹曲變形甚至開裂都會產生影響。上述各種參數(shù)在成型過程中往往是相互影響的，如Yong Ak Song等研究表明降低掃描速度和掃描間距或增大激光功率可減小表面粗糙度，但掃描間距的減小會導致翹曲趨向增大。

因此，在進行*優(yōu)化設計時就需要從總體上考慮各參數(shù)的優(yōu)化，以得到對成型件質量的改善*為有效的參數(shù)組。目前制造出來的零件普遍存在著致密度、強度及精度較低、機械性能和熱學性能不能滿足使用要求等一些問題。這些成型件不能作為功能性零件直接使用，需要進行后處理(如熱等靜壓HIP、液相燒結LPS、高溫燒結及熔浸)后才能投人實際使用。此外，還需注意的是，由于金屬粉末的SLS溫度較高，為了防止金屬粉末氧化，燒結時必須將金屬粉末封閉在充有保護氣體的容器中。

5 總結與展望

快速成型技術中，金屬粉末SLS技術是近年來人們研究的一個熱點。實現(xiàn)使用高熔點金屬直接燒結成型零件，對用傳統(tǒng)切削加工方法難以制造出高強度零件，對快速成型技術更廣泛的應用具有特別重要的意義。展望未來，SLS形技術在金屬材料領域中研究方向應該是單元體系金屬零件燒結成型，多元合金材料零件的燒結成型，先進金屬材料如金屬納米材料，非晶態(tài)金屬合金等的激光燒結成型等，尤其適合于硬質合金材料微型元件的成型。此外，根據零件的具體功能及經濟要求來燒結形成具有功能梯度和結構梯度的零件。我們相信，隨著人們對激光燒結金屬粉末成型機理的掌握，對各種金屬材料*佳燒結參數(shù)的獲得，以及專用的快速成型材料的出現(xiàn)，SLS技術的研究和引用必將進入一個新的境界。