張亞娟,王海濱,宋曉艷,聶祚仁

北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院新型功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100124

摘要

針對(duì)選區(qū)激光熔化(SLM)的技術(shù)特點(diǎn),采用低溫噴霧干燥與熱處理相結(jié)合的新方法,制備得到了物相純凈、球形度高、流動(dòng)性好且粒徑分布窄的球形Ni粉。比較分析了噴霧干燥法制備的Ni粉和氣霧化法生產(chǎn)的商業(yè)化Ni粉的顯微組織和激光吸收率及其對(duì)3D打印件組織和性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),噴霧干燥法制備Ni粉的激光吸收率是氣霧化法生產(chǎn)Ni粉的2倍以上;打印過程中形成更寬的熔道,且顆粒熔化后表面張力和顆粒間液橋力均較小,大大減少了金屬粉末打印中極易出現(xiàn)的表面球化現(xiàn)象。噴霧干燥法制備Ni粉打印件的相對(duì)密度達(dá)到99.2%,其顯微組織由細(xì)小的柱狀晶和胞狀晶構(gòu)成,且柱狀晶穿過層間邊界生長,使打印件具有致密的層間結(jié)合。

關(guān)鍵詞：選區(qū)激光熔化;噴霧干燥;球形度;表面粗糙度;激光吸收系數(shù)

鎳基合金如Inconel625、718和Rene41因具有高的抗蠕變性能、抗拉伸強(qiáng)度、耐氧化和耐腐蝕性能等,廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)等的高性能組件[1,2,3]。隨著高端應(yīng)用的發(fā)展,新型裝備對(duì)零部件的形狀、結(jié)構(gòu)和性能提出了越來越高的要求。為應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn),采用3D打印技術(shù)高效制備具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的鎳基合金成為金屬材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4,5]。

為了獲得均勻的鋪粉和致密的打印組織,金屬3D打印工藝要求原料粉末具有高純度、高流動(dòng)性和窄的粒徑分布等特性[6,7,8]。氣霧化法是目前批量制備滿足3D打印要求的金屬及合金粉末的主流方法,但該方法仍然存在幾方面不足,如：粉末顆粒內(nèi)部存在H2、He氣泡,形成空心結(jié)構(gòu);粉末表面吸附的氣體易導(dǎo)致3D打印件內(nèi)部產(chǎn)生熱誘導(dǎo)孔洞,進(jìn)而降低打印件的使用性能[9]。目前已有的關(guān)于鎳基合金快速激光成形過程的研究,主要集中于打印參數(shù)及打印件后處理工藝對(duì)其組織和性能的影響,如發(fā)現(xiàn)打印件中存在較大的殘余應(yīng)力及熱裂紋,通常必須采用后續(xù)熱等靜壓燒結(jié)等處理手段來改善打印件的力學(xué)性能[10,11,12]。前期研究[13,14,15]表明,單組元金屬粉末在粉末床激光加工過程如選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)和選區(qū)激光熔化(SLM)中容易發(fā)生嚴(yán)重的球化現(xiàn)象,難以獲得致密的打印組織。這種現(xiàn)象可能與氣霧化法制備的粉末顆粒具有光滑的表面形貌有關(guān)。

在激光加工過程中,金屬中存在的大量自由電子吸收激光能量會(huì)形成強(qiáng)烈的反射波,而表面光滑的金屬的激光吸收率一般不超過10%,這極大地阻礙了激光對(duì)金屬材料的快速加熱[16]。因此,材料表面的粗糙度是影響其激光吸收率的主要因素之一,不論對(duì)金屬還是非金屬處理都可以通過增加表面粗糙度的方法使材料獲得對(duì)激光功率的多次吸收[16,17],從而明顯提高其激光吸收率。此外,由于激光對(duì)金屬材料的穿透深度較小,表層內(nèi)部粉末主要依靠顆粒表面吸收的激光能量轉(zhuǎn)化為熱量,在粉末床中傳播來實(shí)現(xiàn)顆粒的熔化、凝固以達(dá)到致密化[18]。由Fourier導(dǎo)熱方程[19]：K=-q/gradT,K為材料的導(dǎo)熱系數(shù),q為t時(shí)刻各點(diǎn)的熱流密度,gradT表示t時(shí)刻給定點(diǎn)處的溫度變化率,可知在給定溫度梯度的條件下,熱流的大小正比于材料的導(dǎo)熱系數(shù)。可見,導(dǎo)熱系數(shù)是一個(gè)非常重要的材料性能參數(shù),影響材料內(nèi)部熱流的大小從而直接影響打印件的致密度。因此,提高粉末材料的激光吸收率和導(dǎo)熱系數(shù),將是改善打印件致密性的有效途徑。

本工作從設(shè)計(jì)研制3D打印用金屬粉末的角度,探索通過調(diào)整和優(yōu)化粉末顆粒的組織來提高打印材料的激光吸收率和導(dǎo)熱系數(shù),從而改進(jìn)打印件性能的可行途徑及其內(nèi)在機(jī)理。以噴霧干燥法制備的球形Ni粉和氣霧化法生產(chǎn)的商業(yè)化Ni粉為打印用材料,利用SLM 3D打印工藝制備Ni塊體材料,分別對(duì)2種粉末的成分、物理特性、微觀結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的打印件的組織和力學(xué)性能進(jìn)行比較分析,研究粉末特性對(duì)3D打印金屬塊體材料組織和性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 球形Ni粉的制備

實(shí)驗(yàn)原料為純度大于99%的Ni粉,平均顆粒尺寸1.2 μm。將Ni粉與一定比例的黏結(jié)劑、分散劑和蒸餾水混合球磨1 h配制成穩(wěn)定分散的料漿。對(duì)料漿進(jìn)行噴霧干燥得到球形Ni粉,利用真空管式爐對(duì)噴霧干燥得到的Ni粉進(jìn)行熱處理,以去除有機(jī)成分同時(shí)增強(qiáng)顆粒的內(nèi)聚強(qiáng)度,得到3D打印用球形Ni粉。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)探索,確定噴霧干燥優(yōu)化工藝為：料漿配比為固含量70%,黏結(jié)劑與分散劑含量分別為1.2%和1%,噴霧過程中轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為13500 r/min,干燥溫度130 ℃。其中,固含量是指粉末與料漿質(zhì)量之比,黏結(jié)劑和分散劑含量分別是料漿中所添加的有機(jī)黏結(jié)劑和有機(jī)分散劑與粉末的質(zhì)量比。噴霧干燥后的熱處理工藝為：加熱到800 ℃保溫2 h后,隨爐冷卻。用作比較研究的商業(yè)化Ni粉由真空感應(yīng)熔煉氣霧化法(vacuum induction-melting gas atomization,VIGA)制備得到。

1.2 打印設(shè)備及工藝

實(shí)驗(yàn)采用EOSINT M280金屬激光快速成型機(jī)及Yb-fibre固體激光器(最高功率為400 W,掃描速率最高可達(dá)7 m/s,配備自動(dòng)水循環(huán)冷卻系統(tǒng)和粉末循環(huán)過濾系統(tǒng))。在粉末床上,控制激光束的運(yùn)動(dòng)軌跡逐層累加獲得一定形狀的實(shí)體材料或構(gòu)件。本工作對(duì)2種粉末采用相同的打印工藝參數(shù),即：激光功率210 W,掃描速率950 mm/s,層厚20 μm,掃描間距90 μm,以316L不銹鋼為基板,預(yù)熱溫度設(shè)置為80 ℃,打印件尺寸設(shè)定為8 mm×8 mm×6 mm。

1.3 組織與性能測(cè)試

采用Ultima IV型X射線衍射儀(XRD)分析粉末和打印件的物相組成,利用Nova NanoSEM 200掃描電鏡(SEM)觀察粉末和打印件的顯微組織。利用線性截距法統(tǒng)計(jì)分析粉末顆粒的粒徑分布。使用QICPIC-RODOS/L動(dòng)態(tài)顆粒圖像分析儀測(cè)定顆粒的球形度,其中球形度定義為顆粒的等效投影圓(與顆粒的投影面積相等的圓)周長與顆粒投影圖像的實(shí)際周長的比率,數(shù)值在0~1之間,其值越大,顆粒形狀越接近球形。采用LEXT OLS400激光共聚焦顯微鏡測(cè)定粉末顆粒的表面粗糙度。使用Hall流量計(jì)測(cè)定粉末的流動(dòng)性與松裝密度。利用PW2403 X射線熒光能譜分析儀(XRF)對(duì)粉體和打印件的成分進(jìn)行測(cè)定,使用G8_GALILEO氧氮分析儀測(cè)定粉體的氧氮?dú)浜俊＠肁rchimedes法測(cè)定打印件的密度。采用FM-700型數(shù)字顯微硬度儀測(cè)定打印件的硬度,載荷49 N,保壓時(shí)間15 s;同時(shí),利用Nano Indenter G200納米壓痕儀在連續(xù)剛度模式下測(cè)定打印件的表面硬度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 粉末的形貌、粒徑分布與顯微組織

噴霧干燥法制備得到的球形Ni粉和氣霧化法生產(chǎn)的商業(yè)化Ni粉的形貌、粒徑分布和球形度如圖1所示。由圖1a和b可以看出,2種粉末顆粒均具有較高的球形度。對(duì)粒徑分布及球形度統(tǒng)計(jì)分析可以得到近似一致的結(jié)果,如圖1c和d,粉末顆粒直徑基本在50 μm以下,大部分顆粒的球形度高于0.8。這些參數(shù)非常符合SLM 3D打印設(shè)備對(duì)粉末粒徑和球形度的要求。

由于噴霧干燥法制備的粉末顆粒是由小尺寸顆粒團(tuán)聚而成,其表面形貌和內(nèi)部顯微組織與商業(yè)化Ni粉明顯不同,如圖2所示。可以看出,商業(yè)化Ni粉顆粒表面光滑,顆粒截面顯示內(nèi)部為金屬凝固組織;而噴霧干燥法制備的Ni粉顆粒表面較粗糙,內(nèi)部由大量約1 μm的小顆粒構(gòu)成,顆粒截面顯示內(nèi)部存在一定量的微孔隙。對(duì)2種粉末的流動(dòng)性和松裝密度進(jìn)行測(cè)定,噴霧干燥制備的Ni粉松裝密度和流動(dòng)性分別為3.56 g/cm3和38 s/50 g,略低于商業(yè)化Ni粉(分別為3.71 g/cm3和35 s/50 g)。由于氣霧化法制備的金屬粉末經(jīng)歷了完全熔化、凝固過程,顆粒表面光滑、內(nèi)部結(jié)構(gòu)更致密;而噴霧干燥法制備的Ni粉是在較低溫度下使小尺寸顆粒團(tuán)聚而后在低于熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行熱處理,得到的球形顆粒內(nèi)部基本保持了初始粉末顆粒的微觀組織結(jié)構(gòu)。

2.2 粉末的物相及成分

對(duì)2種粉末的物相進(jìn)行檢測(cè)分析,如圖3所示。可以看出,2種粉末的物相均很純凈,僅含Ni相。金屬及O等元素含量的測(cè)定結(jié)果如表1所示。可以看出,噴霧干燥法制備的粉末O含量較低,這是由于該方法在遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)的溫度下完成致密化過程,而氣霧化法需經(jīng)過高溫熔化,熔體在此階段易發(fā)生氧化。粉末中O含量較高,可導(dǎo)致打印時(shí)成形表面生成較多的氧化膜,不利于熔池的潤濕和鋪展,從而容易導(dǎo)致打印過程中的球化現(xiàn)象[20]。

2.3 打印件的組織和性能

2.3.1 物相分析圖4示出2種Ni粉經(jīng)激光打印后得到的Ni塊體材料的物相檢測(cè)結(jié)果,表明均僅含Ni,無其它雜相。XRF和SEM能譜檢測(cè)確定打印件表面均為Ni元素,這也說明Ni粉中含有的少量O未對(duì)打印件的物相產(chǎn)生影響。

2.3.2 熔道寬度與激光吸收率圖5示出了2種粉末打印件沿著激光成形方向的橫向表面形貌和拋光后的形貌。由圖5a和c可以看出,2種打印件表面均存在多條熔化、凝固后形成的“軌道”,即熔道,但是,熔道的寬度明顯不同。測(cè)量統(tǒng)計(jì)后得到噴霧干燥法制備的Ni粉打印件的平均熔道寬度為86 μm,而氣霧化法制備的Ni粉打印件的熔道寬度為76 μm。這是由于噴霧干燥法制備的Ni粉顆粒表面較粗糙,具有更高的激光吸收率,一方面激光在粗糙表面發(fā)生多次反射而重復(fù)吸收;另一方面,由于表面凹凸不平改變了激光入射角度,從而提高了材料對(duì)激光的吸收率。

已有研究[21]表明,激光吸收率取決于激光的反射次數(shù),即與激光的入射角密切相關(guān)。假設(shè)一個(gè)隨機(jī)表面等效于表面輪廓線的波峰全部下折后形成的倒三角,則等效三角形的高(H)為：

$?=4{?}_{\mathrm{a}}?$(1)

式中,Ra為表面粗糙度,N為表面輪廓線的波谷數(shù)。當(dāng)取樣長度為L、入射角為θ時(shí),則：

$\tan ?=\frac{8{?}_{\mathrm{a}}?}{?}$(2)

激光照射到金屬表面上,透過金屬表面的激光幾乎全部被金屬表面吸收,因此單次激光吸收率(δ)就等于激光照射到金屬表面上的透過率(T'),即可由Fresnel公式[22]算出：

$?=?\mathrm{\text{'}}=2\sqrt[]{\frac{2?{?}_0}{{?}_{\mathrm{s}}}}=0.1457\sqrt[]{\frac{?}{?}}$(3)

式中,ks為金屬材料的電導(dǎo)率,ρ為金屬材料的電阻率,ω為入射光的頻率,λ為入射光的波長,ε0為真空中的介電常數(shù)。

圖6分別示出采用噴霧干燥法和氣霧化法制備的Ni粉的表面輪廓線,二者的表面粗糙度分別為0.370和0.103。根據(jù)式(2),分別取多個(gè)顆粒的表面重復(fù)計(jì)算取平均值,得到噴霧干燥法制備Ni粉的激光入射角為1.161°,激光可發(fā)生3次以上的反射,則粉末顆粒對(duì)激光的吸收率(A)為：

$?=?+(1-?)?+\left[1-?-(1-?)?\right]?=?+(1-?)?+{(1-?)}^2?$(4)

由上式計(jì)算得到噴霧干燥法制備Ni粉的激光吸收率為0.534。氣霧化法制備的商業(yè)化Ni粉的激光入射角為0.156°,激光僅能發(fā)生1次反射,則氣霧化法制備Ni粉的激光吸收率等于一次激光吸收率,為0.225。可見,噴霧干燥法制備Ni粉的激光吸收率是氣霧化法制備Ni粉的激光吸收率的2倍多。另一方面,Wang等[23]研究發(fā)現(xiàn),比表面積較大的粉末顆粒在增材制造過程中吸收的激光能量較多。噴霧干燥法制備的Ni粉顆粒表面較粗糙,內(nèi)部存在一定量微小孔隙,比表面積更大,可吸收更多的激光能量。因此,在相同的激光功率下,本工作利用噴霧干燥法制備的Ni粉對(duì)激光能量的吸收更大,使得打印過程中的熔道更寬,利于獲得致密的打印件組織結(jié)構(gòu)。

2.3.3 致密度與顯微組織 通過測(cè)量2種打印件的密度,得到噴霧干燥法制備Ni粉打印件的相對(duì)密度為99.2%,明顯高于氣霧化法制備Ni粉打印件的相對(duì)密度94.8%。從顯微組織(圖5b)也可觀察到,噴霧干燥法制備的Ni粉打印件具有更高的致密性,表面僅含有極少的微小圓形孔隙,這可能是由于打印過程中殘留氣體未及時(shí)釋放所致。氣霧化法制備的Ni粉打印件的表面缺陷較多,存在較多的圓形和不規(guī)則形狀的孔洞,如圖5d所示,其圓形孔洞的尺寸大于噴霧干燥法制備的Ni粉打印件的表面微孔尺寸;不規(guī)則孔隙可能是由于氣霧化法制備的Ni粉的激光吸收率較低,導(dǎo)致一定時(shí)間內(nèi)粉末熔化范圍較小,局部熔液不足以填補(bǔ)孔隙所致。

圖7為2種粉末打印件的縱向表面形貌和拋光后的顯微組織。由圖7a和c可以看出,氣霧化法制備的Ni粉打印件層間存在少量的孔隙,而噴霧干燥法制備的Ni粉打印件層間結(jié)合致密。這是由于噴霧干燥法制備的粉末顆粒內(nèi)部具有微細(xì)亞結(jié)構(gòu),比表面積更大,可吸收更多的激光能量,在相同的激光功率下,熔化深度更大,層間搭接率較高,易于得到致密的組織。由圖7b和d可以看出,拋光后打印件的顯微組織由相互搭接的橢圓形熔池構(gòu)成,呈魚鱗狀。測(cè)量最上層熔池的深度,統(tǒng)計(jì)后得到噴霧干燥法制備的Ni粉打印件的平均熔池深度為64 μm,明顯高于氣霧化法制備的Ni粉打印件的熔池深度54 μm。打印件組織均由細(xì)長柱狀晶和等軸晶構(gòu)成,柱狀晶組織細(xì)小,并有穿過層間界面的現(xiàn)象,等軸晶多存在于熔池邊界,如圖7b和d中箭頭標(biāo)示位置。這是由于打印過程是逐層疊加的成形方式,金屬熔液由熔池底部(先形成固相)向上發(fā)生凝固,因存在較大的溫度梯度而形成柱狀晶。下一層粉末成形時(shí)新的柱狀組織在原來的組織基體上繼續(xù)生長,形成穿過層間邊界的組織形貌。在激光熔化每一層粉末的過程中,縱向熔池底部溫度梯度大,凝固速率小,因此出現(xiàn)平面晶生長;隨著凝固過程的進(jìn)行,溫度梯度和凝固速率的相對(duì)比值減小,結(jié)晶組織從平面晶生長轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶生長。在熔池間的搭接區(qū)晶粒生長方向不同,表現(xiàn)出垂直于熔池曲面生長的特點(diǎn),這是由于激光束的能量呈正態(tài)分布,向外發(fā)散形成熔池邊界;熔池邊界向激光束中心方向的溫度梯度起主導(dǎo)作用,晶粒生長表現(xiàn)出垂直于熔池曲面生長的特點(diǎn)。

2.3.4 表面球化現(xiàn)象 從圖5和7可以觀察到,在打印件表面(激光成形的上表面和側(cè)面)有球形顆粒存在。其中,噴霧干燥法制備的Ni粉打印件的橫向面球化現(xiàn)象不明顯(圖5a)。氣霧化法制備的Ni粉打印件的表面有明顯的球化現(xiàn)象,球化顆粒主要分布在熔道和熔池的邊緣,如圖5c和圖7c。較大尺寸的球形顆粒是由于在激光打印過程中未完全熔化的粉末顆粒黏結(jié)在打印件外表面,打印過程中,熔體與未熔化顆粒之間形成液橋,顆粒間由于表面張力和毛細(xì)壓差的作用而產(chǎn)生毛細(xì)力,從而形成分散的球形顆粒。小尺寸球形顆粒是液態(tài)金屬結(jié)晶過程中由表面張力作用引起的球化現(xiàn)象。

研究表明,表面張力(σ)隨溫度(T)升高呈線性下降趨勢(shì),符合線性方程[24]：

$?=1.8814-3.53068\times {10}^{-4}?$(5)

在表面熱源的作用下,黃國秀等[25]根據(jù)熱傳導(dǎo)微分方程和一維熱傳導(dǎo)方程,得到材料表面溫度T(0,t)為：

$?\left(0,?\right)=\frac{2{?}_0}{?}{\left(\frac{\mathit{at}}{\mathrm{\pi }}\right)}^{\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.}=\frac{2\mathit{EA}}{?}{\left(\frac{\mathit{at}}{\mathrm{\pi }}\right)}^{\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.}=\frac{2\mathit{PA}}{\mathit{vh\epsilon K}}{\left(\frac{?}{{?}^2\mathrm{\pi }}\right)}^{\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.}$(6)

式中,q0為加熱材料吸收功率密度,q0=EA,E為激光功率密度,E=P/(vhε),P為激光功率,v為掃描速率,h為掃描間距,ε為層厚,a為分布因子,a=1/r2,r為激光光斑半徑,t為激光作用時(shí)間,本工作取等長光斑直徑100 μm的激光作用時(shí)間,即t=r/v。

金屬Ni的導(dǎo)熱系數(shù)K可轉(zhuǎn)化為等效熱阻(Rt)的求解,由分形模型和顆粒間的傳熱模型,得到等效熱阻[26,27]：

$\frac{1}{?}={?}_{\mathrm{t}}=\frac{2}{{?}^{\raisebox{1ex}{$2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.}{?}_{\mathrm{si}}^{}}+\frac{1}{(1-{?}^{\raisebox{1ex}{$2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.}){?}_{\mathrm{sg}}^{}+{?}^{\raisebox{1ex}{$2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.}{?}_{\mathrm{sr}}^{}+(1-{?}^{\raisebox{1ex}{$2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.}){?}_{\mathrm{sgg}}^{}}$(7)

式中,Ksi為顆粒內(nèi)部導(dǎo)熱系數(shù),Ksr為粗糙表面導(dǎo)熱系數(shù),Ksg為顆粒表面氣膜導(dǎo)熱系數(shù),Ksgg為顆粒間隙氣膜導(dǎo)熱系數(shù)。基于分形結(jié)構(gòu)的粉末顆粒體積占有率(vp)為[26]：

${?}_{\mathrm{p}}={(1+\ln ?\mathrm{\text{'}}/\ln \frac{{?}_{\max }}{{?}_{\min }})}^{\raisebox{1ex}{$3$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.}$(8)

式中,ρ′為堆積顆粒的相對(duì)密度,dmax和dmin分別為堆積顆粒的最大粒徑和最小粒徑。認(rèn)為顆粒內(nèi)部和粗糙表面導(dǎo)熱系數(shù)等同于致密塊體的導(dǎo)熱系數(shù),顆粒間隙氣膜和顆粒表面氣膜的導(dǎo)熱系數(shù)為填充氣體的導(dǎo)熱系數(shù)。由式(5)~(8)計(jì)算得到,噴霧干燥法制備的Ni粉激光加熱熔化液體的表面張力為1.17 N/m,而氣霧化法制備的Ni粉激光加熱熔化液體的表面張力為1.61 N/m。

Rabinovich等[28]推導(dǎo)出固液接觸角為β、顆粒尺寸(等效半徑)為Re的顆粒間液橋毛細(xì)力(F)的計(jì)算公式：

$?=\frac{2\mathrm{\pi }?{?}_{\mathrm{e}}\cos ?}{\left[1+?/\left(2?\right)\right]}+2\mathrm{\pi }?{?}_{\mathrm{e}}\sin ?\sin (?+?)$(9)

$?=\frac{?}{2}\times (-1+\sqrt[]{1+\frac{2{?}_{\mathrm{LB}}}{\mathrm{\pi }{?}_{\mathrm{e}}{?}^2}})$(10)

$?=\sqrt[]{\left(\frac{?}{{?}_{\mathrm{e}}}\right)\times (-1+\sqrt[]{1+\frac{2{?}_{\mathrm{LB}}}{\mathrm{\pi }{?}_{\mathrm{e}}{?}^2}})}$(11)

式中,α為液橋張開角,VLB為液橋體積,D為顆粒間距(即熔道寬度),μ為基質(zhì)吸力。將熔池近似看作半徑為R的球狀區(qū)域,VLB可由球缺公式計(jì)算：

${?}_{\mathrm{LB}}=\mathrm{\pi }{?}_{\mathrm{m}}^2(?-\frac{{?}_{\mathrm{m}}}{3})$(12)

式中,Hm為熔池深度,熔道寬度D即為弦長。打印材料為單質(zhì)金屬的情況下,固液接觸角β為0。由上述公式計(jì)算得到,氣霧化法制備的Ni粉顆粒間的液橋毛細(xì)力為50.01 N/m,噴霧干燥法制備的Ni粉顆粒間的液橋毛細(xì)力為39.9 N/m。由于氣霧化法制備的Ni粉顆粒間液橋毛細(xì)力較大,未熔化顆粒與基體的潤濕性變差,從而在打印件表面產(chǎn)生較嚴(yán)重的球化現(xiàn)象。

2.3.5 打印件硬度圖8給出了測(cè)定的2種粉末打印件的顯微硬度,并與鑄態(tài)金屬進(jìn)行比較。氣霧化法生產(chǎn)的Ni粉打印塊體的顯微硬度為159.26 kg/mm2,而噴霧干燥法制備的塊體顯微硬度為202.10 kg/mm2,相對(duì)于氣霧化粉末提高了26.8%。這是由于氣霧化粉末打印件的致密度較低,且存在較多孔洞等缺陷,導(dǎo)致硬度較低。2種打印件的硬度均高于金屬Ni傳統(tǒng)鑄件的硬度(110~127 HV5)。

對(duì)打印件進(jìn)行納米壓痕測(cè)試,得到2種粉末打印件的納米壓痕硬度,如圖9所示。可見,隨壓入深度的增加,噴霧干燥法制備的Ni粉打印件的納米壓痕硬度下降幅度明顯小于氣霧化法制備的Ni粉打印件的下降幅度,這表明噴霧干燥法制備的Ni粉打印件的內(nèi)部孔隙等缺陷較少。選取相對(duì)穩(wěn)定區(qū)間確定的噴霧干燥法制備Ni粉打印件的平均納米壓痕硬度為4.2 GPa,而氣霧化法制備的Ni粉打印件的平均納米壓痕硬度為3.5 GPa。

在位移-載荷曲線(圖10)中,加載曲線與卸載曲線包圍的面積為壓入塑性功,可由面積大小來判斷材料的塑性性能[29]。計(jì)算得到噴霧干燥法制備Ni粉打印件的壓入塑性功為26.7 kN?m/m2,較商業(yè)氣霧化法制備鎳粉的壓入塑性功23.9 kN?m/m2增大了10%,表明打印件具有更好的塑性。

綜上研究可知,利用噴霧干燥和熱處理相結(jié)合的方法制備的球形金屬Ni粉末的3D打印件比目前氣霧化法生產(chǎn)的商業(yè)化Ni粉末的3D打印件綜合性能更優(yōu),主要?dú)w因于噴霧干燥法制備的粉末顆粒具有較為粗糙的表面結(jié)構(gòu),使激光吸收率增加;同時(shí),表面球化現(xiàn)象較弱,使打印件內(nèi)部孔隙等微觀缺陷顯著減少。本工作建立的制粉方法獲得的金屬粉末,其化學(xué)成分和物理性質(zhì)(松裝密度、流動(dòng)性、粒徑分布等)均能很好地滿足3D打印工藝要求,且粉末顆粒具有獨(dú)特的表面和內(nèi)部微結(jié)構(gòu),可使打印件具有較高的致密度和優(yōu)良的力學(xué)性能。此外,由于粉末制備溫度較低,相對(duì)于氣霧化法,本方法的工藝成本可進(jìn)一步降低,在3D打印金屬粉末的制備技術(shù)領(lǐng)域可望有良好的發(fā)展?jié)摿Α?

3 結(jié)論

(1) 利用低溫噴霧干燥與熱處理相結(jié)合的方法制備得到了球形Ni粉。該方法對(duì)粉末的粒徑、形貌和O含量等可調(diào)控性強(qiáng),顯著提高了細(xì)顆粒球形粉的收得率,且工藝成本較低,在3D打印金屬粉末的制備技術(shù)領(lǐng)域有良好發(fā)展?jié)摿Α?

(2) 噴霧干燥法制備的Ni粉保持了初始粉末的微細(xì)亞結(jié)構(gòu),具有較高的表面粗糙度和比表面積,利于激光的反射和吸收,其激光吸收率是具有光滑表面的氣霧化法制備的商業(yè)化Ni粉的2倍以上。使用噴霧干燥法制備的Ni粉進(jìn)行激光打印時(shí),表面溫度更高,熔化體積更大,表面張力和液橋毛細(xì)力減小,從而可大大改善打印件表面的球化現(xiàn)象。

(3) 噴霧干燥法制備Ni粉的打印件其相對(duì)密度達(dá)到99.2%,明顯高于氣霧化法制備的商業(yè)化Ni粉打印件的致密度。噴霧干燥法制備Ni粉打印件的顯微硬度比氣霧化法制備Ni粉打印件的顯微硬度提高了26.8%。

(4) 噴霧干燥法制備的Ni粉在打印過程中具有更寬的熔道和更大的熔池深度。Ni粉打印件的顯微組織由細(xì)小的柱狀晶和胞狀晶構(gòu)成,其中噴霧干燥法制備Ni粉打印件的柱狀晶穿過層間邊界生長的現(xiàn)象更明顯,較氣霧化法制備Ni粉打印件的層間結(jié)合更致密。

來源--金屬學(xué)報(bào)