1 引 言
快速成型技术(RP)是一种无需任何附加模具、直接利用计算机CAD模型制造复杂原型的制造方法。激光直接制造技术(LDM)是快速成型技术的进一步发展,它将金属的特性和功能注入到常规快速成型技术制造的原型中,能够快速柔性地制造出全密度、全功能的金属零件,尤其适用于传统方法难以制造的梯度功能材料、超硬材料、复合材料、金属间化合物材料等特殊材料或形状特殊的金属零件,是目前国际上的研究热点之一。近几年世界各国的许多研究机构对直接制造进行了许多的研究,取得了实质性重要进展,并各自发展了基于激光熔覆的不同名称的快速制造技术[1~9]。
激光直接制造技术可很好地用于制造小批量特殊材料、特殊性能和特殊几何形状的贵重金属零件,这些零件用传统方法是很难加工或加工成本非常昂贵的。本文在原研究基础上,研究用激光直接制造技术制造一种新型的太空硬X射线调制望远镜的准直器零件。准直器主要用于吸收倾斜入射于望远镜接收口中的硬X射线辐射,只让垂直入射的X射线被望远镜接收探测到,其基本物理性能要求为有效吸收倾斜入射的太空硬X射线,该准直器采用高熔点、高密度的钨或钨合金来制造。准直器是一直径191 mm,高度300 mm,厚度3 mm的薄壁圆筒型零件,内有5条主筋,要求主筋间的平行度不低于2/1000,尺寸精度无严格要求,横截面如图1所示。由于该准直器特殊的材料和较复杂的形状要求,传统方法诸如铸造、焊接等难以加工,用电火花切割又极其昂贵,激光直接制造技术则提供了一种快速低成本的先进加工方法。
2 实验方法
实验和制造设备包括PRC3000型3 kW快轴流CO2激光器,CNC数控工作平台,清华大学研制的THPF-1型自动送粉器和THCN-3型同轴送粉喷嘴。用一台Marathon-MR1S双波长红外测温探头来监测制造过程中的熔池温度。
激光制造所用材料为150目的纯钨和纯镍,按不同配比配制成W/NI混合粉末,用同轴送粉激光熔覆的方法制备出W/Ni合金。基板为中碳钢,在零件制造完成后被切除。
用JSM-630IF扫描电子显微镜分析所制得金属零件样品的显微组织,由电镜能谱成分分析仪(EDX)测量成分。
准直器的制造轨迹为:先熔覆堆积外圆,断光移到平行筋处熔覆筋,断光移至下一根筋的另一端点启动激光熔覆第二根筋,直到完成5根筋后断光回到外圆的起点完成一个截面循环,激光熔覆头提升0·2 mm,启动下一个循环直至完成整个准直器。外圆和筋之间有一定重叠,确保良好的冶金结合。
3 结果及讨论
3·1 钨和钨合金的激光熔覆特性
激光直接制造技术是一种基于多道激光熔覆的添加式制造技术,因此需要首先研究钨和钨合金的多道搭接熔覆特性。多道搭接激光熔覆的参数见表1,混合粉末的成分配比如表2,粉末选择的依据是准直器的物理性能要求(W含量越高越好,对X射线的吸收率越高)和该粉末的可熔覆堆积性。
实验表明垂直多道搭接激光熔覆纯钨和W90Ni10合金会出现一种特殊现象即三角形熔覆截面:虽然保持相同的光束直径和功率密度,在激光熔覆逐层堆积过程中,后熔覆的熔覆道不能保持与前面熔覆道相同的宽度,因此在熔覆过程中逐渐收缩,经4~5层熔覆后熔覆道纵截面就变为三角形,如图2所示。这种三角形截面堆积对于激光直接制造来说是完全不能接受的。多层堆积熔覆W60Ni40和W45Ni55合金时能得到上下一致的熔覆结果。
3·2 激光直接制造W和W/Ni合金样品的微观组织分析
图3((a),(b))表示激光熔覆W实际上是一种典型的激光烧结过程。由于W的高熔点和激光熔覆的快速加热和快速冷却特点,经送粉加入的纯W颗粒在熔池中极少熔化,而中碳钢的基材却熔化很多,导致严重的稀释,基材熔化的Fe上浮到熔覆层中形成烧结体的粘结相并与W反应生产Fe-W化合物。激光烧结层的微观组织包括未熔的W颗粒、颗粒间基体和枝晶,其化学成分(EDX测量)如表3。
当多道垂直堆积时,从基体熔化而来的粘接相Fe越来越少,烧结层宽度无法保持,导致三角形烧结层。出现三角形烧结体后,后续堆积过程难以进行也无法改变其形状。
激光熔覆W90Ni10是一种典型的均匀烧结过程(图3(c)所示)。从W-Ni合金相图(图4所示)看出,钨和镍的熔点分别为3422℃和1455℃。W-Ni合金的熔点根据不同的成分在3422℃和1455℃之间变化。由红外非接触双色测温探头测得激光熔覆熔池的温度为2000℃左右,因此激光能量能够熔化Ni颗粒但不足以融化W颗粒,所以激光处理W90Ni10合金实际上是烧结过程而非激光熔覆。90%的钨颗粒密集分布在烧结层中,只有颗粒外部有部分溶解。10%的Ni完全熔化成为粘接相,并与部分溶解的W形成W-Ni化合物,EDX测得其成分为38·2 wt.-%的W和61·3 wt.-%的Ni。由于粘接相Ni的体积百分比很低,垂直多层叠加后的烧结层宽度不能保持与开始层一致,结果仍出现三角形截面。进一步激光烧结也很难有效堆积并改变其截面形状。
激光熔覆W60Ni40和W45Ni55合金是一种烧结与熔覆的混合过程(图5(a),(b))。由于粘接相Ni的进一步增加和W颗粒的进一步溶解,弥散的W颗粒不象W90Ni10中那样密布,重新凝固的W/Ni基体成为主导组织。这两种合金在多层垂直叠加过程中能保持其宽度的一致性,具有良好的激光制造成型特性。虽然W的比重比Ni高,但由于激光熔覆的快速凝固特性和每层约0·2 mm的层厚,熔覆层中没有出现W颗粒的沉降现象,未熔W颗粒基本均匀地分布于熔覆层中。
在W60Ni40激光熔覆层中,微观组织包括部分熔化的W颗粒、基体(成分:45·6 wt.-% W和54·4wt.-% Ni)和一些分布在基体中的花状枝晶组织(成分:75 wt.-% W和25 wt.-% Ni),对照相图,这两种组织分别对应Ni4W和NiW2。
W45Ni55合金为近共晶成分,具有良好的液态流动性,其微观组织包含未完全熔解的W颗粒和基体,基体成分为36·3 wt.-% W和63·7 wt.-% Ni,应该是Ni和Ni4W化合物的混合物。由于它极好的液态流动性,垂直叠加的W45Ni55激光熔覆层可以保持前面熔覆道宽度和形状。
根据由上述实验结果和太空硬X射线调制望远镜准直器零件的物理性能要求,鉴于W60Ni40合金的物理特性较好并具有良好的熔覆成型能力,决定选用W60Ni40为激光直接制造的材料。
3.3 激光直接制造W/Ni合金金属零件的工艺稳定性
虽然准直器零件的横截面形状并不十分复杂,它的薄壁结构,300 mm高度和主筋的平行度要求使它具有很大的挑战性。为了满足零件的要求,激光熔覆和制造工艺的稳定性是至关重要的。激光熔覆/制造是一个多参数过程,主要参数包括激光功率、光束直径、扫描速度和送粉速率等。制造零件的质量不仅与单个参数的稳定性有关,而且与整个制造过程多个参数的稳定性有关,如熔池温度的稳定性、熔池几何形状的稳定性、喷嘴与工件距离的稳定性等。本项研究采用开环控制方式,激光输出功率的稳定性为±0·5%,送粉速率稳定性为±2%,实际测量的熔池温度如图6所示,这些指标应能满足制造要求。
在上述实验条件下经特殊CNC编程,首先制造出壁厚3·0 mm,直径30 mm,高度为185 mm的圆柱模拟件来验证制造工艺和系统的稳定性(图7),工艺参数如下:激光功率2000 W,光束直径3 mm,扫描速度0·3 m/min,送粉速度8 g/min,所得模拟件的尺寸如表4所示,表明现有的激光快速制造系统和工艺能够满足制造实际金属零件的要求。
3.4 激光直接制造W/Ni准直器
W60Ni40准直器的制造工艺参数为:激光功率2000 W,光束直径3 mm,扫描速度0·3 m/min,送粉速度8 g/min。耗时60 h制造出高度为307 mm的如图8所示的准直器零件,未出现裂纹和明显的气孔。零件壁厚为3±0·3 mm,平行度不低于2/1000。
4 结 论
1)基于激光熔覆技术的激光直接制造成功用于直接制造硬X射线太空望远镜上的筒形W/Ni合金准直器零件;
2)研究了钨和钨镍合金的激光熔覆特性。W和W90Ni10多层激光熔覆时后续熔覆层的宽度会越来越窄,最终形成三角形截面。而W60Ni40和W45Ni55合金具有良好的激光直接制造成形效果。
参考文献
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作者简介:钟敏霖(1961—),男,清华大学机械系副教授,博士,法国博士后,主要从事激光材料加工和激光快速直接制造
研究。E-mail:zhml@tsinghua.edu.cn
