金属粉末熔化快速成型技术的研究进展(2)

2 选择性激光熔化技术所用粉末
适合SLM技术的金属粉末比较广泛。如果自行设计适合SLM成形的材料成分并制备粉末，其造价比较高，不经济。因此，目前用于SLM技术研究的粉末主要来源于商用粉末。可以研究它们的成型性，从而提出该技术选用粉末的标准。
用于SLM成型的粉末可以分为混合粉末、预合金粉末、单质金属粉末3类。
（1）混合粉末。
混合粉末由一定成分的粉末经混合均匀而成。设计混合粉末时要考虑激光光斑大小对粉末颗粒粒度的要求。Kruth J. P.等人研制了铁基混合粉（包含Fe,Ni,Cu，Fe3P）。因激光光斑为600μm，所以要求混合粉中颗粒的最大尺寸不能超过该光斑直径。应用这种混合粉的SLM成形件不能满足100%致密度要求，因此其机械性能还有待进一步提高。鲁中良等研制了Fe-Ni-C混合粉末，其组成成分为：ω(Fe)=91.5%、ω(Ni)=8.0%、ω(C)=0.5%。Fe、Ni粉末为-300目，C粉为-200目。应用该混合粉末的SLM成型件致密度较低，存在大量的孔隙。对混合粉的SLM成型研究表明，混合粉的成型件致密度有待提高，其机械性能受致密度、成分均匀度的影响。
（2）预合金粉末。
根据预合金主要成分的不同，预合金粉末可以分为铁基、镍基、钛基、钴基、铝基、铜基、钨基等。
铁基合金粉末包括工具钢M2、工具钢H13、不锈钢316L（1.4404）、Inox 904L、314S-HC、铁合金（Fe-15Cr-1.5B），其SLM成型结果表明：低碳钢比高碳钢的成型性好，成型件的相对致密度仍不能完全达到100%。
镍基合金粉末包括Ni625、NiTi合金、Waspaloy合金、镍基预合金（ω(Ni)=83.6%、ω(Cr)=9.4%、ω(B)=1.8%、ω(Si)=2.8%、ω(Fe)=2.0%、ω(C)=0.4%），其成型结果表明：成型件的相对致密度可达99.7%。
钛合金粉末主要有TiAl6V4合金，其SLM成型结果表明：成型件相对致密度可达95%。
钴合金粉末主要有钴铬合金，其SLM成型结果表明：成型件相对致密度可达96%。
铝合金粉末主要有Al6061合金，其SLM成型结果表明：成型件的相对致密度可达91%。
铜合金粉末包括Cu/Sn合金、铜基合金（84.5Cu-8Sn-6.5P-1Ni）、预合金Cu-P，其SLM成型结果表明：成型件的相对致密度可达95%。
钨合金粉末主要有钨铜合金，其SLM成型结果表明：成型件的相对致密度仍然达不到100%。
（3）单质金属粉末。
单质金属粉末主要有钛粉，其SLM成型结果表明：钛粉的成型性较好，成型件的相对致密度可达98%。
综上所述，SLM技术所用粉末主要为单质金属粉末和预合金粉末。单质金属粉末和预合金粉末的成型件的成分分布、综合机械性能较好。所以成型工艺研究主要针对预合金、单质金属粉末的工艺优化，以提高成型件的致密度。

3 选择性激光熔化成型工艺
SLM成型工艺主要研究工艺参数对粉末成型轨迹和致密度的影响规律。
（1）工艺参数对成型轨迹的影响。在SLM成型过程中，成型轨迹特征受工艺参数的影响。成型轨迹主要包括激光束对粉末的单点、单道扫描，单层、多道扫描成型的轨迹，通过对成型轨迹的评价来研究工艺参数对成型轨迹的影响规律。
（2）工艺参数对致密度的影响。金属零件致密度是影响其机械性能的一个主要因素。金属粉末SLM成型件致密度是一个关键技术指标，受激光波长、激光功率密度和粉末成分的影响。在CO2激光（波长为10640nm）作用下成型件致密度较低，这与金属粉末对激光的较低吸收率、激光功率密度有关；而YAG激光（波长为1064nm）作用下的成型件致密度较高，是因为其激光功率密度高，金属粉末对激光的吸收率高。此外，粉末化学成分是影响其润湿性的主要因素，所以低碳成分的铁基合金粉末的润湿性好，其SLM成型件的致密度高。

4 选择性激光熔化成型机理
在SLM成型过程中，提高粉末的成型性，就必须提高液态金属的润湿性。在成型过程中，若液态金属成球，则说明液态金属的润湿性不好。液态金属对固体金属的润湿性受工艺参数的影响，因此可优化工艺参数来提高特定粉末的润湿能力。研究结果表明，液态金属在缺少与氧化物发生化学反应的情况下是不能润湿固体氧化膜的，因此在成型过程中要防止氧化；虽然添加合金元素P可提高润湿性，但是元素P会影响成型件的机械性能。