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LENS与SLM金属3D打印技术对比系列之熔池形态对比(二)

导读: 在激光增材制造技术种,熔池是加工成型过程中最小的基本单元,熔池特征的稳定是整个加工过程乃至最终成型零件组织性能稳定的保障。分析不同工艺成形过程中熔池形貌特征的变化,是至关重要的因素。

在第一篇的文章中和大家简单的了解LENS(LaserEngineeredNetShaping)与SLM(Selective Laser Melting)的技术原理和简单的差异,这一次给大家带来的是更深一步的分析对比——熔池形态。

高性能金属零部件的激光增材制造技术与工艺复杂多变,使得不同工艺条件下熔池形貌、冷却速度、冶金凝固组织等材料成型基础问题完全不同。因此,比较分析这些基础问题的演变规律将为准确控制与深入挖掘合金材料的组织与性能提供一定的理论依据。

在激光增材制造技术种,熔池是加工成型过程中最小的基本单元,熔池特征的稳定是整个加工过程乃至最终成型零件组织性能稳定的保障。分析不同工艺成形过程中熔池形貌特征的变化,是至关重要的因素。

先了解一下激光形态,如下图这是激光的形态的示意图,一般我们会采取能量密度集中的焦平面作为熔融面产生熔池。

熔池形貌特征的影响

在SLM激光增材制造过程中,随着激光功率的增加,使得熔池的深度逐渐增加,熔池内部的流动性加强,熔池与周围固体的接触面积增加,使得熔池的散热效率增加,冷却速率增加。

在LENS工艺中,熔池在横向方向尺寸较大,一般为毫米级,甚至达到厘米级,熔池在纵向方向穿透到基底中的深度则较浅,在SLM工艺中由于直径与单层沉积厚度均较小,因此熔池尺寸一般为亚毫米级,但是SLM工艺中熔池穿透到基底中的深度则相对增加,尤其在高功率SLM工艺中,熔池的穿透深度更大。

a.大光斑LENS

b.中光斑LENS

c.小光斑LENS

d.低功率SLM

e.高功率SLM

A.

B.

C.

D.

E.

上图为左侧为SLM(a)右侧为LENS(b)成形过程中合金凝固时柱状晶的生长和形核示意图

LENS与SLM成形过程中,熔池的冷却速度受多个因素的影响,比如:激光功率、扫描速度、光斑大小等与能量输入相关的工艺参数,以及扫描方式、熔池形貌、沉积高度、甚至是基板温度等与外在成形条件相关的因素。

研究发现,熔池冷却速率随着激光功率的增加而降低,随着扫面速度的增加而增加,因此,在保证合金能够充分熔化的前提下较低的激光功率与较高的扫描速度容易得到较高的冷却速度。实际上激光功率与扫描速度的变化主要是导致了熔池能量输入的变化,从而最终引起了冷却速度的变化,在其他条件的情况下,熔池的能量输入越多,冷却速率越低,反之亦然。

除了能量输入之外,熔池与基底之间的散热效率也是影响冷却速率的因素之一。随着零件成形高度的增加,基板与已成形部分的温度逐渐上升,熔池依赖基板及已成型部分进行散热效率降低,导致冷却速率随成型高度的增加而降低。

而熔池形貌是影响散热效果的另一个重要因素。随着熔池深宽比的增加,熔池内部流动性加强,熔体的有效散热效率增加,使得熔池的冷却速率增加。

然而LENS 与SLM不同工艺中,随着工艺参数与熔池形貌的变化,熔池的热输入与散热效率更加复杂,冷却速率差异也大。

高温冶金熔池在高温梯度、高冷却速率条件下的快速凝固及逐层沉积过程,移动熔池中熔体的热传导行为以及晶体形核与长大过程直接决定了冶金组织特征(如晶粒尺、晶粒形态、晶体生长方向与晶界结构等)表现出对工艺参数和工艺过程的高敏感性及复杂多变性。

在LENS成形过程中,柱状晶尺寸随激光功率的增大而变大,随扫描速度的增大而减小,同时在靠近基板区域的柱状晶尺寸明显小于远离基板区域的柱状晶尺寸。

在SLM成形过程中也发现类似的变化规律,在一次钛合金TC4的打印中,由于冷却速率的变化,在样品的上、中、下三个部位,观察到了不同尺寸α相和β相组织结构。冷却速率越大,晶粒尺寸越小,反之晶粒尺寸越大。

(三的部落工程师 Mr.Gao 参考文献:两种典型金属零部件激光增材制造技术基础比较研究 马明明 2016年)

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