[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