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3D打印选区激光熔化
发布日期：2018-12-24 1628
SLM的思想最初由德国Fraunhofer研究所于1995年提出，2002年该研究所对SLM技术的研究取得巨大的成功。 世界上第一台SLM设备由英国MCP(Mining and Chemical Products Limited)集团公司下辖的德国MCP—HEK分公司已于2003年底推出。 为获取全致密的激光成形件，同时也受益于2000年之后激光快速成形设备的长足进步(表现为先进高能光纤激光器的使用、铺粉精度的提高等)，粉体完全熔化的冶金机制被用于金属构件的激光快速成形。 例如，德国著名的快速成形公司EOS公司，是世界上较早开展金属粉末激光烧结的专业化公司，主要从事SLS金属粉末、工艺及设备研发。 而该公司新近研发的EoSINTM27O／28O型设备，虽继续沿用“烧结”这一表述，但已装配200W光纤激光器，并采用完全熔化的冶金机制成形金属构件，成形性能得以显著提高。 目前，作为SLS技术的延伸，SLM技术正在德国、英国等欧洲国家蓬勃发展。 即便继续沿用“选区激光烧结”(SLS)这一表述，实际所采用的成形机制已转变为粉体完全熔化机制。 SLM技术是在SLS基础上发展起来的，二者的基本原理类似。 SLM技术需要使金属粉末完全熔化，直接成型金属件，因此需要高功率密度激光器激光束开始扫描前，水平铺粉辊先把金属粉末平铺到加工室的基板上，然后激光束将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末，加工出当前层的轮廓，然后可升降系统下降一个图层厚度的距离，滚动铺粉辊再在已加工好的当前层上铺金属粉末，设备调入下一图层进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。 整个加工过程在抽真空或通有气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下与其他气体发生反应。 SLM与DMLS的界限目前很模糊，区别不明显，DMLS技术虽翻译为金属的烧结，实际成型过程中多数时候已将金属粉末完全熔化。 DMLS技术使用材料都为不同金属组成的混合物，各成分在烧结(熔化)过程中相互补偿，有利于保证制作精度。 而SLM技术使用材料主要为单一组分的粉末，激光束快速熔化金属粉末并获得连续的扫描线。 激光选区成形件中，Fe基合金(主要是钢)SLM成形研究较多，但SLM成形工艺尚需优化、成形性能尚需进一步提高；对SLM成形性能(特别是占基础地位的致密度)，目前SLM成形的钢构件通常难以实现全致密。 解决钢材料SLM成形的致密化问题，是快速成形研究的关键性瓶颈问题。 钢材料激光成形的难度，主要取决于钢中主要元素的化学特性。 基体元素Fe及合金元素Cr对氧都具有很强的亲和性，在常规粉末处理和激光成形条件下很难彻底避免氧化现象。 因此，在SLM过程中，钢熔体表面氧化物等污染层的存在，将显著降低润湿性，引起激光熔化特有的冶金缺陷球化效应及凝固微裂纹，从而显著降低激光成形致密度及相应的机械性能。 另一方面，钢中C含量是决定激光成形性能的又一个关键因素。 通常，过高的C含量将对激光成形性产生不利，随C含量升高，熔体表面C元素层的厚度亦会增加。 这与氧化层的不利影响类似，也会降低润湿性，导致熔体铺展性降低，并引起球化效应。 此外，在晶界上形成的复杂碳化物会增大钢材料激光成形件的脆性。 因此，通常对钢材料SLM成形，需提高激光能量密度及SLM成形温度，可促进碳化物的溶解，也可使合金元素均匀化。 通过粉体材料及SLM工艺优化，包括：1.严格控制原始粉体材料及激光成形系统中的氧含量以改善润湿性；2.合理调控输人激光能量密度以获取适宜的液相粘度及其流变特性，可有效抑制球化效应及微裂纹形成，进而获取近全致密结构。 对于以Al合金为代表的轻合金零件激光快速成形，先前绝大多数研究报道是基于SLS半固态烧结成形机制，但因严重的球化效应基于SLS半固态烧结，故研究进展不大；而SLM技术可望为高性能复杂结构Al合金零件近净成形与快速制造提供崭新的技术途径。 Al基合金零件SLM成形具有高难度，是由材料自身特殊物理特性本质所决定的。 一方面，通常低功率CO2激光难以使Al合金粉体发生有效熔化，而要求使用能量密度更高的光纤或Nd：YAG激光，这无疑对激光器性能提出了更苛刻的要求。 另一方面，Al合金材料热导率高，SLM成形过程中激光能量输入极易沿基板或在粉床中传递消耗，导致激光熔池温度降低，熔体粘度增加且流动性降低，故其难以有效润湿基体材料，导致SLM成形球化效应及内部孔隙、裂纹等缺陷。 其三，从成形工艺角度，A1合金材料密度较低，粉体流动性差。 需指出的是，基于SLM／SLRM成形机制，虽能在一定程度上改善激光成形件的致密度和表面光洁度，但因成形过程中粉末发生完全熔化／凝固，故在固液转变过程中将出现明显的收缩变形，致使成形件中积聚较大的热应力，并将在冷却过程中得以释放，使得成形件发生变形、甚至开裂。 由于激光选区熔化成形技术成形粉末需求量大，需要在整个成形平面铺设金属粉末，因而不适宜成形贵重的金属；整个成形平台较大，惰性气体保护效果较差，因而也不适宜成形易氧化的金属粉末。
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