[D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2002.04.015 第24卷第4期 北京科技大学学报 Vol.24 No.4 2002年8月 Journal of University of Science and Tecbnology Beijing Ag.2002 激光快速成型致密金属零件的研究 席明哲)张永忠)石力开)程晶 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京有色金属研究总院，北京100088 摘要采用激光快速成型技术制备出3]6L不绣钢薄壁矩形管和663锡青铜扭曲薄壁方管 所成型金属零件的组织均匀、致密，没有缺陷.沿金属薄壁零件高度方向的化学成分分析表明， 零件中的化学成分分布均匀，且与金属粉末的化学成分相同，未发生成分偏析.同时，激光快速 成型的金属薄壁零件的力学性能与常规加工方法制造出的零件相当.使用表明激光快速成型 的金属零件可以满足直接使用要求. 关键词激光快速成型：316L不锈钢；663锡青铜 分类号TH16:TG24;TP13 快速成型技术(RP—Rapid Prototyping)是 1实验方法 在80年代后期起源于美国的一种先进制造技 术，是机械工程、计算机辅助设计(CAD)、数控 实验材料为316L不锈钢粉末，化学成分（质 技术及材料科学等技术的集成，它能将已具电 量分数，%)：Ni为12-14，Cr为16~18，Mo为2~3， 子模型的设计，迅速、自动地物化为具有一定结 Fe为余量；663锡青铜化学成分（质量分数，%）： 构和功能的原型或零件.随着高功率激光器的 Sn为6.2，Zn为5.8，Pb为2.5，Cu为余量；粉末粒 发展，快速成型技术的最新发展方向是能够制 度~200目.采用45#钢加工成100mm×50mm×10 造出具有使用性能的致密金属零件，它已引起 mm的长方形块作为基板.为提高基板对激光 人们的广泛关注. 束的吸收率，在基板表面涂覆增强激光吸收率 美国的Sandia国家实验室(NL)、斯坦福大 涂层.实验采用2kW横流CO,激光器，焦点光 学已开发出LENS(Laser-engineered Net Sha- 斑直径为中1.0mm.成型金属零件时，激光头静 ping)技术，美国Los Alamos国家实验室也开发 止不动，在计算机的控制下，数控机床按照所要 出DLF(Directed Light Fabrication)的金属零件 成型金属零件的要求分层，进行各层几何信息 快速成型技术.这两种技术都是采用金属粉末 运动，运动线速度为3mm/s.金属粉末通过与激 作为原料，以大功率激光器作为熔化金属粉末 光头同轴的送粉器送人激光熔池，粉末载气(A) 的能源，可直接由CAD固体模型制造出致密金 流量0.3mh.成型不锈钢金属零件采用激光输 属零件.所研究的材料包括316、304不锈钢， 出功率400W,送粉速率5g/min,扫描速度3mm/ 625、690、718镍基高温合金，工具钢，铼、铱、钽、 s.成型铜合金零件采用激光输出功率600W,送 钨等难熔金属，钛合金等，零件致密度接近 粉速率3.5gmin,扫描速度为3mm/s.为研究成 100%,性能较常规方法略有提高. 型零件的力学性能，采用相同工艺参数制备不 在国家“863”计划支持下，北京有色金属研 锈钢、锡青铜薄壁墙，经线切割加工和表面磨光 究总院建成了金属零件激光快速成型的专用系 制成片状拉伸试样，在AG-50KNE拉伸试验机 统，系统由成型软件、激光器(2kW横流CO,)、 上进行拉伸试验，加载速率为2mm/s,用 4轴数控系统及工作台、同轴粉末输送及保护 JSM-840扫描电镜对拉伸断口进行观察，同时 气氛装置等组成. 分析了薄壁墙中主要元素沿高度方向的分布情 况.金相观察面为薄壁垂直于基板的Y一Z横断 面及平行于基板的X-Z截面.在如图1所示的 收稿日期2001-06-15 席明哲男，32岁，博士生 薄壁上用线切割切取垂直基板的Y方向及平行 *国家“863”计划资助项目(2001A4337020-1) 于基板的X方向的力学性能试样，化学成分分析 国家973”计划资助项目No.G200067205-1)
第 2 4 卷 第 4 期 2 0 20 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e r s iyt o f S c让 n e e a n d eT e h n ol gy B e ij in g V b l . 2 4 N 0 . 4 A u g . 2 020 激光快速成型致密金属零件的研究 席明哲 ” 张永忠 ” 石 力 开 ” 程 晶 2 , l )北京科技大学材料科学与工程学院 , 北京 10 0 0 8 3 2) 北京有色金属研究总院 , 北京 10 0 0 8 8 摘 要 采用激光快速 成型 技术制备出 3 16L 不锈钢薄 壁矩形管和 663 锡青铜 扭 曲薄壁 方管 . 所 成型金 属零件的组织 均匀 、 致 密 ,没有缺 陷 . 沿金 属薄壁 零件 高度 方 向的化 学成分 分析表 明 , 零 件中 的化学成分分布均 匀 , 且与金 属粉末 的化学成分 相 同 , 未发生成分偏析 . 同时 , 激光快 速 成 型的金 属薄壁零件的力 学性能与常规 加工 方法制造 出的零件 相 当 . 使用表 明激光快速成 型 的金属零 件可 以满足 直接使用要 求 . 关 键词 激光 快速成 型 ; 3 16 L 不锈钢 ; 6 63 锡 青铜 分 类号 T H 1 6 ; T G 2 4 ; T P 13 快速成 型技术 (” — R 冬p id rP o ot ytP i ng) 是 在 80 年代后期起 源于 美 国的一种先进制造 技 术 , 是 机械工程 、 计算机辅助设计 (C A D ) 、 数控 技术及材料科学 等技术的集成 , 它能将已 具 电 子模型的设计 , 迅速 、 自动地物化为具有一定结 构 和功能 的原 型 或零 件 . 随着高 功率激光 器的 发展 , 快速成型技术 的最新 发展 方向是能够制 造 出具有使用 性能的 致密金属 零件 , 它 已引起 人们 的 广泛 关注 . 美 国的 S an id a 国家实验室 (sN L ) 、 斯坦福大 学 已开 发出 LNE S `, , (L as er 一 en g ine e er d N et S ha - p in g )技术 , 美国 L os lA am os 国 家实验室 也开发 出 D L F 【2 , o( ir ce et d L i hst Fab ir c iat o n) 的金属零件 快 速成型 技术 这两种技术 都是 采用 金属粉末 作 为原料 , 以大功 率激光器作 为 熔化金属粉末 的能源 , 可 直接 由C A D 固 体模型 制造 出致密金 属零 件 . 所研究 的 材料包括 3 16 、 3 04 不锈钢 , 6 2 5 、 6 9 0 、 7 18 镍 基高温合金 , 工具钢 , 徕 、 铱 、 担 、 钨等 难熔金 属 , 钦合 金等 , 零 件致 密度 接近 10 0% , 性能较常规方法略有提高 . 在 国家 “ 8 63 ” 计划支持下 , 北 京有色金属 研 究总院建成了 金属零件激光快速成型 的专用系 统 , 系统 由成型软件 、 激光器 (2 k w 横流 c o Z ) 、 4 轴数 控系统及工作 台 、 同轴粉末输送及保护 气氛装置等组成 . 收稿 日期 2 001 一-6 15 席明哲 男 , 32 岁 , 博士生 * 国家 ` ,8 63 ” 计划资助项 目(2 0 01 A A 3 3 7 0 2 0 一 1) 国家 , 7 3 ” 计划资助 项 目《N O . 2G 0 0 06 72 0 5 一 1 ) 1 实验方法 实验材料为 3 16 L 不锈钢粉末 , 化学成分 (质 量 分数 , % ) : N i 为 12一 14 , C r 为 16一 1 8 , M o 为 2一 3 , eF 为余量 ; 6 63 锡青铜化学成 分 (质 量分数 , % :) S n 为 6 . 2 , Z n 为 5 . 5 , Pb 为 2 . 5 , C u 为余量 ; 粉末 粒 度一 2 0 0 目 . 采用 4 5# 钢加工成 I O0 m m x 5 0 un x l o ~ 的长方形块作 为基板 . 为提高基 板对激光 束的吸收率 , 在基板表面 涂覆增强激光 吸收率 涂层 . 实验采 用 Zk w 横流 C O Z 激光器 , 焦 点光 斑直径为中1 . 0 ~ . 成 型金属零 件时 , 激 光头静 止不 动 , 在计算机的控制下 , 数控机床按照 所要 成型 金属零件 的要求分层 , 进行各层 几何信 息 运动 , 运动线速度为 3 m n 口5 . 金属粉末通过与激 光头同轴的送粉器送人激光熔池 , 粉末载气 (A r) 流量 0 . 3 耐爪 . 成型 不锈钢金 属零件 采用 激光输 出功率 4 0 w , 送粉速率 5 g/ ln in , 扫描速度 3 nI m / 5 . 成型铜合金零件采用激光输 出功率 6 0 w, 送 粉速率 3 . 5 9 /m i n , 扫描速度 为 3 n l n 订5 . 为研究成 型零件 的力学性 能 , 采用相 同工艺参数制备 不 锈钢 、 锡青铜薄壁墙 , 经线切割加工和表面 磨光 制成 片状拉伸试样 , 在 A G 一 S OK N E 拉 伸试验机 上 进 行 拉 伸 试 验 , 加 载 速 率 为 Z m n l 了s , 用 SJ M 一 8 4 0 扫描 电镜对 拉伸断 口 进行观察 , 同时 分析 了薄壁墙 中主要元素沿高度方向的分布情 况 金相 观察 面为薄壁垂直 于基板 的卜 Z 横断 面及平行 于基板 的万一 Z 截面 . 在如图 1 所示的 薄壁 上用线切割切取垂 直基板 的 了方 ` 向及平行 于 基板 的万方 ` 向的力学性能试样 , 化学成分分析 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 04. 015
·442· 北京科技大学学报 2002年第4期 金属薄壁墙 基板 图1成型金属薄壁墙金相观察及力学、成分取样部位 示意图 (a)316L不锈钢薄壁矩形管(b)663锡青铜薄壁扭曲方管 Fig.1 Schematic of the thin wall of metal and the location of mechanics sample cut 图2激光快速成型技术制造的金属薄壁管 Fig.2 The thin wall tube of metal fabricated by laser rapid 沿金属薄壁管的Y方向 prototyping 2实验结果与分析 相组织的形成是由于基板的冷却作用，热量沿 着垂直于基板Y的相反方向上迅速散失，因此温 图2(a)为采用激光快速成型技术制造的矩 度梯度在垂直于基板的Y方向最大，而在平行于 形薄壁管，零件尺寸为45mm×15mm×25mm, 基板的X方向上，则温度梯度很小.因此液态金 壁厚为1mm.图2(b)为663锡青铜薄壁扭曲方 属在冷却凝固过程中具有方向性，由此原因在 管，薄壁扭曲方管横断面尺寸为30mm×30mm, 金属零件中形成枝晶组织 高为180mm,壁厚1.2mm,零件按沿高度方向 图3b)为316L不锈钢薄壁墙平行于基板 每升高1mm扭转1°设计.如图所示，成型的薄 X-Z截面的金相组织.该组织呈现出蜂窝状结 壁金属管形状正确、规整，未发生扭曲变形.同 构，该结构是枝晶组织的横断面的形貌.从图中 时，成型的管件尺寸与设计尺寸完全一致，表明 可以看出，该蜂窝状组织均匀而致密，无缺陷 激光快速成型技术可以制造出形状、尺寸正确， 图3(c)为663锡青铜薄壁墙平行于基板X-Z 并具有复杂形状的金属零件. 截面的金相组织.该金相组织均匀细小的铸态 图3(a)为316L不锈钢薄壁墙垂直于基板 组织，基体组织为α一铜相，黑色小颗粒为铅相， Y-Z截面的金相组织.可以看出，金相组织由枝 并可看出该组织致密、没有缺陷 晶组织组成，且组织致密.形成的枝晶组织方向 图4(a),(b)为316L不锈钢和663锡青铜薄 与基板垂直并且相互平行，同时组织均匀.该金 壁件在垂直于基板的高度方向上的化学成分分 200m 400um 200μm 图3(a),b)316L不锈钢垂直于基板Y-Z截面、平行于基板X-Z截面的组织，（©）663锡青铜平行于基板X-Z截面的组织 Fig.3 Microstructure of Y-Z section (a),X-Z section (b)of 316L SS and X-Z section of 663 copper alloy (c)
Vol.24 No.4 席明哲等：激光快速成型致密金属零件的研究 ·443… 70 表1激光快速成型零件与常规方法制造零件的性能对比 60 (a)316L不锈钢 Table 1 Tensile properties of metal part by laser rapid % --Fe prototyping compared to that of conventionally processed -◆-Cr 材料 材料状态 /MPa / 40 一Ni -+-Mo 激光快速成型态 30 316L不锈钢 垂直基板Y方向 626 43 平行基板X方向 694 40 20 锻造退火态因 572 63 316不锈钢 10 熔模铸造 517 39 激光快速成型态 260 26 0 4 6 810 12 663锡青铜 金属模 180 Y/mm 砂模向 150 6 100 女小小 80 b)663锡青铜 Pb %/(uZn 'us'qd)m Sn 60 ★…Cu -Zn 40 20 Sn Pb,Zn 0日 0 24681012 1416 Y/mm 图4化学成分沿Y方向分布 Fig.4 Composition distribution along height direction 布，从图中可以看出，激光成型的金属薄壁件的 化学成分分布均匀，并且未发生成分偏析，薄壁 件的化学成分和金属粉的化学成分一致. 表1为由薄壁件制成的拉伸试样与常规加 (b)981728Kw 10Mn HD36 工方法制成的零件力学性能的对比.从表中可 以看出，激光快速成型的金属件的力学性能和 图5激光快速成型金属零件的拉伸断口SEM照片，(a) 由常规方法制成的零件的力学性能相当，表明 663锡青铜，(b)316L不锈钢 Fig.5 SEM morphology of tensile fracture surface for 663 激光快速成型制成的金属零件可满足实际使用 copper alloy (a)and 316L SS(b) 要求.图5为拉伸断口的SEM照片，其韧窝特征 表明，所成型金属零件具有很好的韧性 时保持金属零件中的温度分布均匀.若处理不 影响激光快速成型金属零件的主要工艺参 当，则会出现金属零件与基板不能完全形成冶 数有：激光功率P,W;扫描速度'，mm/s;光斑直 金结合，从而使热量散失不均，造成金属零件中 径D,mm;送粉速率G,gmin及成型前基板的表 温度分布不均，产生热应力使金属零件扭曲变 面处理和预热.在基板表面涂覆增强激光吸收 形，由此造成成型失败.事实上，对不同的材料 率涂层和采用高功率激光束对基板进行预热对 体系，只要材料在单位时间内单位面积上吸收 成型金属零件的质量是很关键的.其目的在于， 的能量超过E=4·P(π·D·),就可以形成熔池， 使所成型金属零件的最初几层与基板形成牢固 进行金属零件的成型.在光斑直径D确定条件 的冶金结合，热量的散失沿垂直向着基板方向， 下，激光功率P与扫描速度V成正比，因此在成型 从而使得成型过程中的激光熔池尺寸稳定，同 对性能要求不高的金属模具时，可采用高功率
·444. 北京科技大学学报 2002年第4期 高速度，减少制造时间.在制备功能型金属零件 Metal Components Using LENS[C].In:Imam M A,De- 时，则需进行试验，寻找最佳P与V的搭配，以获 Nale R,Hanada S,et al eds.Proc PRICM3.The Minerals, 得高性能的金属零件.此外，送粉速率G及均匀 Metals&Materials Society,1998.1581 2 Magee J,Watkins K G,Steen WM.Advances in Laser For- 送粉也是影响金属零件成型非常重要的因素， ming[J].Journal of Laser Applications,1998,10(6):235 3 Xue L,Islam MU,Free-form Laser Consolidation for Pro- 3结论 ducing Metallurgically Sound and Functional Compon- ents[J].Journal of Laser Applications,2000,12(4),160 (1)采用激光快速成型先进技术可制备出组 4 Zhang X D,Zhang H,Grylls R J,et al.Laser-Deposited 织致密、化学成分均匀的金属零件. Advanced Materials.Journal of Advanced Materials, (2)激光快速成型的金属件的力学性能和由 2001,33(1).17 常规方法制成的零件的力学性能相当，表明激 5 Keicher D M,Smugeresky J E,Romero J A,et al.Using 光快速成型制成的金属零件可满足实际使用要 the Laser Engineered Net Shaping(LENS)Process to Pro- duce Complex Components from a CAD Solid Model[J]. 求. SPIE,1999,299(3):91 6孙毓超，刘一波，王秦生，金刚石工具与金属学基础 参考文献 M.北京：中国建材工业出版社，1999 1 Schlienger E,Dimos D.Near Net Shape Production of Investigation on the Fully Dense Metal Part by Laser Rapid Prototyping XI Mingzhe",ZHANG Yongzhong",SHI Likai2,CHENG Jing? 1)Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)General Research Institute for Nonferrous Metals,Beijing 100088,China ABSTRACT The rectangle thin wall tube of 316 stainless steel and the contortion thin wall tube of 663 copper alloy are fabricated by Laser Rapid Prototyping.The fabricated metal parts are identical with blue print.The as-formed metal parts are fully dense,homogenous and free of defects.Chemical composition analysis show that the chemical composition distribution of metal parts is uniform and the chemical composition of metal parts is same as that of metal powder.The mechamical properties of the metal parts by Laser Rapid Prototyping are equal to that of the materials by conventionally processed method. KEY WORDS Laser Rapid Prototyping;316L stainless steel;663 copper alloy
北 京 科 技 大 学 学 报 20 0 2 年 第 4 期 高速度 , 减少制造时间 . 在制备功能型金属 零件 时 , 则需进行试验 , 寻找最佳尸与 V的搭配 , 以获 得高性能的金属零件 . 此外 , 送粉速率 G及均匀 送粉也是影响金属零件成型 非常重要的 因 素 . 3 结论 ( l) 采用激 光快速成 型先进技术可 制备出组 织 致密 、 化学成分均匀的 金属零件 . (2 )激光快速成型 的金属 件的力学性能和 由 常规方法制成的 零件的力学性能相 当 , 表 明激 光快速成型 制成的金属零件可满足实际 使用要 求 . 参 考 文 献 1 S e h li e gn er E , D加o s D . N e ar N d s h a P e P or du ct i o n o f M e t a l C o m P o n e in s U s in g L E N S [C ] . I n : Im am M A , D e - N a l e R , H an ad a S , e t a l e d s . P r o e P RI C M 3 . T h e Mi n e r a l s , Me atl s & M at e ir a l s S o e i e ty, 19 9 8 . 1 5 8 1 2 M a g e e J , 认恤t k i n s K G , s et e n W M . A Vd an e e s i n L a s e r F o r - m i n g【J ] . J o unr a l o f L a s er A p li e at i o n s , 1 9 9 8 , 10 ( 6 ) : 2 3 5 3 X 能 L , I s l am M U , F er e 一 fo mr L a s e r C o n s o lid a tl o n fo r P r o - d u c ign M aet l l u 堪i e al ly S o un d an d F un e it on al C om P o n - e nst [ J ] . J o unr a l o f L as e r A p li e at i o n s , 2 000 , 1 2( 4) , 1 60 4 z h a n g X n , z h a n g H , G叮l l s R J , at a l . L as e -r D e p o s iet d A vd an c e d M at ier a l s . J o u r n a l o f A vd an e e d M at e ir a l s , 2 0 0 1 , 3 3 ( l ) , 17 5 K e i e h e r D M , Sm u ge er s ky J E , oR m e r o J A , et a l . U s i n g th e L as e r E n g i n e e er d N e t s h aP i n g ( L E N S) P r o e e s s ot P r o - d u e e C o m Pl e x C o m P o n e nst for m a C A D S o li d M o d e l [J ] . 5 P I E , 19 9 9 , 2 99 ( 3 ) : 9 1 6 孙毓 超 , 刘一 波 , 王秦 生 . 金刚石 工具与金 属学基 础 「M ] . 北 京 : 中国建材工业 出版 社 , 19 9 Ivn e s t i g at i o n o n ht e F u lly D e n s e M e t a l P art b y L a s e r R ap i d P r o t o t y P i n g 灯 赫 刀岁六el) , Z月月N G oY n 岁h o ng 2) , `贷才ZL iak i z), C月 E N G iJ 刀才 户 l )初 a t ier al Sic en e e an d助 g in e e r i n g S e h o o l , U S T B ej i n g , B iej i n g 10 0 0 8 3 , hC in a 2 ) Ge n e r a l eR s e acr h hsI tiot 1e of r N o n fe or us M aet l s , B e ij in g l 0 0 0 8 8 , C h i n a A B S T R A C T hT e r e c t an g l e ht in w a ll tu b e o f 3 16 st a in l e s s st e e l an d ht e e Ont ort i o n t h i n w a l1t u b e o f 6 6 3 e o P Pe r a ll o y are af b ir e ate d by L a s er R a P ld P r ot ty Pin g . T h e afb ir e at e d m e t a l Part s ar e id e nt i e a l w iht b l u e P r int . hT e a s 一 of rm e d m e atl Part s ar e ful ly ds n s e , ho m o g e n o u s an d fr e e o f de fe e t s . C h e m i e al e o m P o s it ion an ly s i s s h ow ht at t h e e he m i c a l e o 玫IP o s it o n d l s itr b iut on o f m et a l P art s 1 5 u n ifo n n an d t h e e h e m i e a l e o m P o s it ion o f m e at l P art s 1 5 s am e a s t h at o f m e alt P ow d e r ` hT e m e e h a m i e a l Por P e rt i e s o f ht e m eat l P art s b y L a s e r R a Pld P r o ot yt Pi n g ar e e qu a l ot ht at o f t h e m aet ir al s 勿 e o n v e nt ion a ll y rP o e e s s e d m e ht o d . K E Y W O R D S L a s er R a Pid P r o t o yt Pign : 3 16 L s t a in l e s s s t e e l: 6 6 3 c o PPer a ll o y