掃描速度對激光快速成型316L不銹鋼組織性能的影響

1、稀有金屬第26卷第2期2002年3月Vol.26.2CHINESEJOURNALOFRAREMETALSMarch2002掃描速度對激光快速成型316L不銹鋼組織性能的影響席明哲張永忠章萍芝(,)摘要:,、性能的影響。在各掃描速度下,。隨掃描速度提高,不銹鋼薄壁板的定向生長樹枝晶組織細(xì)化,方向的機(jī)械性能(抗拉強(qiáng)度及硬度)降低。關(guān)鍵詞:激光快速成型316L不銹鋼激光功率中圖分類號:TH16TG14611+1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:0258-7076(2002)02-0093-05金屬零件激光快速成型技術(shù)集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、激光熔覆、快速成型于一體,通過激光熔化同軸輸送的金屬粉末,在基板上逐層熔化堆

2、積而形成致密的金屬零件,沉積基板的運(yùn)動通過實(shí)體模型經(jīng)切片分層處理后形成的二維平面信息來控制。該技術(shù)是在無需任何硬質(zhì)工模具的情況下,根據(jù)計(jì)算機(jī)CAD實(shí)體模型,通過逐點(diǎn)、逐層添加材料獲得完全致密金屬零件的先進(jìn)技術(shù)1,2。目前,對激光快速成型具有實(shí)際使用功能的致密金屬零件的研究,已引起更為廣泛的關(guān)注,許多發(fā)達(dá)國家正大力開發(fā)該技術(shù)35,并取得了顯著成果。本文著重研究激光掃描速度對所成型的不銹鋼薄壁板件組織及性能的影響。散失,采用成型時工藝參數(shù)在基板上的成型路徑上進(jìn)行預(yù)熱。實(shí)驗(yàn)采用2kW橫流CO2激光器,光斑直徑為118mm。激光輸出功率分別為900W,掃描速度分別為3,5,7mm/s。送粉速率為5g/

3、min。為研究所成型零件的力學(xué)性能,采用相同工藝參數(shù)制備不銹鋼薄壁板件,在如圖1所示的薄壁板上用線切割切取平行于基板X方向的片狀拉伸試樣,化學(xué)成分分析沿金屬薄壁的X及Y方向。金相觀察面為垂直于基板的Y2Z橫斷面及平行于基板的X2Z1實(shí)驗(yàn)材料及方法實(shí)驗(yàn)材料為316L不銹鋼粉末,化學(xué)成分為12%14%Ni,16%18%Cr,2%3%Mo,余量Fe(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),粉末粒度60m。采用45號鋼加工成100mm×50mm×10mm的長方形塊作為基板。為提高基板對激光束的吸收率,在基板表面涂覆增強(qiáng)激光吸收率涂層。為使要成型的不銹鋼薄壁板件最初幾層與基板良好結(jié)合,保證成型過程中熱量均勻收稿

4、日期:2001208205;修訂日期:2001210215圖1成型不銹鋼薄壁板件金相觀察及力學(xué)性能、成分取樣部位示意圖Fig.1Schematicofthinwallof316Lstainlesssteelandloca2tionofsamplecut基金項(xiàng)目:國家“973”計(jì)劃資助項(xiàng)目(G20006720521)作者簡介:席明哲(1969-),男,河南人,博士研究生;研究方向:金屬零件激光快速成型、等通道彎曲變形(ECAP);聯(lián)系地址:新街口外大街2號復(fù)合材料工程中心26卷稀有金屬94截面。在AG250KNE拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),加載速率為5mm/s。度降低更為劇烈。分析認(rèn)為,薄壁板件的

5、壁厚應(yīng)與激光熔池直徑相等,激光在基板上聚焦形成熔池,由于基板的傳熱,使得熔池的直徑要比光斑直徑大,這種趨勢隨激光功率提高和掃描速度降低更加明顯。因此,在保證成型薄壁板件的性能要求下,可通過調(diào)。圖4(a3mm/s條Y。如圖,圖4(b)為掃描速度5mm/s,不銹鋼薄壁板件Y2Z截面的金相組織,與圖4(a)中的組織相似,但枝晶細(xì)化,枝晶間距減小。圖4(c)為掃描速度7mm/s,不銹鋼薄壁板件Y2Z截面的金相組織,組織為相互平行的且與基板垂直的枝晶,與圖4(a)、(b)中的組織相比,枝晶間距更小。圖4(d)為掃描速度7mm/s,不銹鋼薄壁板件X2Z截面的金相組織,組織為Y2Z截面枝晶組織的橫斷面的形貌

6、。在激光功率為900W條件下,不銹鋼薄壁板件Y2Z截面的金相組織均由相互平行且與基板垂直的枝晶組成,原因是激光熔池中的液態(tài)金屬在冷卻凝固過程中,熱量主要沿著垂直于基板Y的負(fù)方向上散失,凝固具有方向性,所以形成與基板垂直的枝晶組織。但隨掃描速度升高,枝晶變細(xì)。分析認(rèn)為,掃描速度高,激光與材料交互作用時間短,所形成的激光熔池的溫度梯度在垂直于基板Y方向占絕對優(yōu)勢,而在X方向則溫度梯度很小,因此在激光熔池冷卻過程中,沿Y方向的一次枝晶臂生長很快,沿X方向的二次枝晶臂生長有限,所以形成沿Y方向定向生長的樹枝晶。掃描速度低,激光與材料交互作用時間長,所形成的激光熔池的溫度梯度雖然在垂直于基板Y方向占較大

7、優(yōu)勢,但在X方向的溫度梯度與高速掃描條件下熔池在X方向的溫度梯度相比要大,因此在沿Y方向的一次枝晶壁生長的同時,沿X方向的二次枝晶臂有相對多的生長,所以形成的枝晶沿Y方向較短。圖5為不銹鋼薄壁板件的抗拉強(qiáng)度、延伸率隨掃描速度變化曲線。如圖5所示,不銹鋼薄壁板件的抗拉強(qiáng)度、延伸率隨著激光掃描速度的升高而下降。掃描速度越高,薄壁板件的抗拉強(qiáng)度、延伸率下(b)、(c),由降幅度越大。分析原因,參見圖4(a)、圖可見,隨著激光掃描速度的提高,不銹鋼薄壁板件的Y2Z截面的與基板垂直的定向生長樹枝晶的定向生長特征更加明顯,組織變得越來越細(xì),不銹鋼薄2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析圖2是在激光功率為900W,掃描速度3mm

8、/s條件下的不銹鋼薄壁板件,薄壁板件的尺寸為高80mm,長80mm,壁厚311mm。從圖中可以看出,所成型不銹鋼薄壁板件為層層堆砌而成,且形狀正確、規(guī)整,壁厚均勻,成型零件尺寸與設(shè)計(jì)尺寸完全相符同時表面光潔,為成型后的原始狀態(tài)3,。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),350W條件下,所成型不銹鋼薄壁板件的壁厚要比激光光斑直徑(118mm)大,這種現(xiàn)象隨激光功率提高和掃描速圖2激光快速成型的薄壁板件Fig.2Photoofthinwallof316Lstainlesssteelfabricatedbylaserdirectforming圖3不銹鋼薄壁板壁厚隨掃描速度變化曲線Fig.3Thicknessofthinwall

9、of316Lstainlesssteelvsscan2ningvelocity2期席明哲等掃描速度對激光快速成型316L不銹鋼組織性能的影響95圖4不銹鋼薄壁板件的金相組織(d)7mm/s掃描速度:(a)3mm/s;(b)5mm/s;(c)、Fig.4Microstructuresofthinwallof316Lstainlesssteel壁板件的這種組織特點(diǎn),可能使得薄壁板件的機(jī)械性能沿垂直于基板的Y方向具有方向性。而拉伸試樣的拉伸方向?yàn)榕c基板平行的X方向。圖6為不銹鋼薄壁板件的維氏硬度隨掃描速度變化曲線。如圖6所示,不銹鋼薄壁板件的維氏硬度隨掃描速度升高而降低。分析認(rèn)為,由于激光快速成型是

10、一個連續(xù)的熱過程,在成型過程中,激光掃描速度提高,則每一沉積層的厚度降低。據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄,在掃描速度7mm/s時,每一沉積層的平均厚度為01279mm,掃描速度3mm/s,每一沉積層的平均厚度為01458mm。因此,成型同樣高度的不銹鋼薄壁板件,在掃描速度高的條件下,則需要更多的掃描層數(shù),所以不銹鋼薄壁板件將受到更多次的反復(fù)加熱。薄壁板件的硬度隨掃描速度提高而降低可能與此有關(guān)。圖7是激光功率900W,掃描速度7mm/s條件下,所成型的不銹鋼薄壁板件X2Y面的化學(xué)成分沿X、Y方向的分布,從圖中可以看出,所成型的不銹鋼薄壁板件的化學(xué)成分分布均勻,沒有出現(xiàn)成分偏析,同時不銹鋼薄壁板件的化學(xué)成分與金屬粉末

11、的成分一致。26卷稀有金屬96圖5曲線Fig.5Tensileratevsscanningveloci2tyofthinwallofsteel圖6不銹鋼薄壁板件的維氏硬度隨掃描速度的變化曲線Fig.6Hardnessvsscanningvelocityofthinwallofstainlesssteel圖7不銹鋼薄壁板件X2Y面的化學(xué)成分沿X(a)、Y(b)方向的分布Fig.7CompositiondistributionofthinwallofstainlesssteelalongX,Ydirection3結(jié)論11在激光功率900W,掃描速度3,5,7mm/s條參考文獻(xiàn)1高瑞平,吳厚政1材料

12、導(dǎo)報(bào),1998,12(4):132LewisGK,MilewskiJO,NemecRB1ProcessProceedingofthe15thInternationalThermalSprayConference,25229May1998,Nice,France,13513KeicherDM,SmugereskyJE.JOM,1997,49(5):514KeicherDM,SmugereskyJE,RomeroJAetal.SPIE,1997,2993:915IrvingR.TheInternationalJournalofPowderMetallurgy,2000,36(4):69件下,不銹鋼

13、薄壁板件Y2Z截面的金相組織均為定向生長樹枝晶組織,隨掃描速度的提高,枝晶組織細(xì)化,枝晶間距減小。21不銹鋼薄壁板件的沿X方向的抗拉強(qiáng)度、延伸率隨掃描速度的提高而降低。31所成型的不銹鋼薄壁板件的化學(xué)成分分布均勻。2期席明哲等掃描速度對激光快速成型316L不銹鋼組織性能的影響97InfluenceofScanningVelocityonMicrostructureandMechanicalProp2ertiesof316LStainlessSteelFabricatedbyLaserRapidPrototypingXiMingzhe,ZhangYongzhong,ZhangPingzhi,Sh

14、iLikaiandChengJing(GeneralResearchInstituteforNonferrousMetals,Beijing100088,China)Abstract:Theinfluenceofthelaserscanningvelocityonpropertiesofthe316Lstainlesssteelthinwallplatebylaserdirectformingwasthattheobtainedmi2crostructureofthethinwallofstainlesssteeliscomdendritesundervariedscanningvelocit

15、y,whenlaserpoweris900W.thetransversemechanicalproperties(thetensilestrengthandhardness)ofdecreasewiththeincreasingbeamscanningrate.,316Lstainlessstell,LaserpowerKeyWords:鈮電容器進(jìn)入批量生產(chǎn)階段目前全世界有接近10家電容器制造商將從2002年開始批量生產(chǎn)鈮(Nb,Niobium)電容器。鈮電容器具有與鉭(Ta,Tantalum)電容器大體相同的特性,但是價(jià)格卻可以更低廉并且能夠縮小產(chǎn)品體積和減輕質(zhì)量。還可以實(shí)現(xiàn)在鉭電容器中未能產(chǎn)品化的680F數(shù)千F等大容量產(chǎn)品。近20年來,該產(chǎn)品一直被認(rèn)為難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化,直到最近才看到了批量生產(chǎn)的曙光。除了此前已經(jīng)宣布批量生產(chǎn)的NEC和日立AIC以外,還有多家國內(nèi)外電容器制造商相繼決定批量生產(chǎn)。美國以及歐洲的大型電子零件制造商也將上市此類產(chǎn)品。在從2001年10月6日開始舉行的CEATEC上,制造商相繼展開了鈮電容器?？梢灶A(yù)言,由于鈮電容器的問世,將使選擇電容器標(biāo)準(zhǔn)與過去相比發(fā)生很大變化。西部建成軟磁生產(chǎn)片式電容出口基地成都恒力磁性材料有限公司“雙高一