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0431-81702023
光學工程
純鎢單層鋪粉激光選區熔化/凝固行為

摘要 為了滿足純鎢塊體激光選區熔化致密成型的要求,開展了純鎢基板/粉體單層激光熔化/凝固實驗,探索了參數窗口,觀察了熔滴球化現象,并運用熔滴鋪展/凝固競爭模型解釋了球化機制.純鎢熔滴具有較高的粘度和表面張力,鋪展過程較慢,且鎢的熱導率和熔點較高,凝固過程十分迅速,熔滴來不及完成鋪展而具有快速凝固球化的傾向.增強基板/粉體對激光的吸收有助于提高熔滴峰值溫度并延長凝固時間,從而減弱球化傾向.脈沖激光作用下,相對于掃描速度,調整激光作用時間更加合理.當激光作用時間為300μs時,由于平衡的熔滴體積和溫度梯度,可以形成較為良好的熔化軌跡.

關鍵詞 激光技術;激光材料處理;增材制造;鎢;球化;凝固;潤濕鋪展

1 引 言

     受控核聚變被認為是可以最終解決人類能源及環境問題的最重要途徑之一[1].受控核聚變最可能的實現方式是一種環形磁約束聚變容器—托卡馬克,如我國的全超導托卡馬克(EAST)裝置,國際上著力建設的國際熱核實驗反應堆(ITER)裝置等[2].偏濾器是托卡馬克的關鍵組成部分,可以控制雜質和排除氦灰,更重要地,可以排出邊緣等離子體產生的熱量,從而使內壁上熱負載均勻化,避免熱量局部集中.托卡馬克偏濾器要具備承受穩態熱負荷30MW/m2 的能力熱負荷30 MW/m2 的能力,必須采用帶有內部散熱結構的全鎢偏濾器模塊,因傳統方法無法加工制備,需要研究新型制造工藝[3G5].

      激光選區熔化(SLM)是一種基于粉床鋪粉的增材制造技術[6G7].利用直徑約為100μm 的微束激光快速掃描、熔化預先鋪設的粉體薄層,粉體受激光輻照區域發生熔化/凝固.通過重復逐層鋪粉、逐層熔凝堆積,可以成型任意形狀高致密度三維零件.國內外對鋁合金、鈦合金、不銹鋼、鎳基合金等材料的激光選區熔化成型研究較多且相對成熟[8G11].但對難熔金屬,尤其是鎢,受其熔點、密度、熱導率、熔體張力和粘度等固有物理性能影響,成型過程中熔滴不穩定、球化現象顯著、致密度不高、成型難度較大,國內外報道較少[12].

      為實現托卡馬克全鎢偏濾器模塊增材制造的目標,本文在鎢基板上單層鋪粉,開展了單層激光熔化/凝固實驗,觀察了鎢熔體的鋪展、凝固特性,探索了純鎢激光選區熔化的參數窗口.在此基礎上,研究了純鎢激光成型中的球化現象,并運用熔滴鋪展/凝固競爭模型進行了機制分析,為下一步改進工藝措施、提高純鎢成型致密度提供參考.

2 實驗材料、設備與實驗方法

2.1 實驗材料

       研究使用的鎢基板為軋制純鎢板材,由安泰中科金屬材料有限公司及中國科學院等離子體物理研究所聯合生產提供,鎢純度大于99.9%.純鎢粉體由安泰科技難熔材料分公司提供,為非球形粉體(圖1),粒徑分布d10、d50、d90分別為9.0、19.4、48.2μm(Mastersizer2000 激光粒度儀,英國)[13].

2.2 實驗設備

         實驗設備型號為 Renishaw AM250(英國),配備SPIredPOWER200 W 光纖激光器,波長為1071nm, 光斑直徑為75μm,調制脈沖輸出模式.可以調控的參數有激光功率、掃描行距、光斑點距、激光脈沖作用時間以及掃描策略.由于采用脈沖輸出模式,激光速度可以由光斑點距除以激光作用時間計算得到.

2.3 實驗方法

      純鎢基板的兩種表面處理方式為:1)打磨拋光;2)可增強激光吸收能力的黑漆處理(主要成分為碳).鋪粉層厚度為30μm,成型艙內經多次抽真空—氬氣回填過程,初始氧含量降至10-4(體積分數)以下.

      采用打磨拋光純鎢基板時,固定激光功率為200 W,掃描間距為50μm,光斑點距為50μm.主要調整激光作用時間為100~900μs,形成17個不同激光作用時間的掃描區域,如圖2所示.

       采用表面黑漆處理純鎢基板時,固定激光功率為 200 W,掃描間距為 50μm.主要調整光斑點距為10~50μm,激光作用時間為250~350μs,形成25個參數不同的掃描區域,如圖3所示.

       純鎢粉體熔化/凝固后的微觀形貌特征采用 TESCAN MIRA3LMH 掃描電子顯微鏡(捷克)觀察.

3 實驗結果與分析

3.1 拋光打磨鎢基板

       激光束輻照于金屬表面時,一般存在較為強烈的反射現象,金屬對激光的反射能力與其所含的自由電子密度有關.自由電子密度越大,電導率越大,反射本領越強.激光成型性能良好的鈦合金,電導率約為2.38×106 S/m,而難以激光成型的鋁、銅、金、鎢等金屬的電導率分別為 3.5×107、5.96×107、4.1×107、1.79×107 S/m(293K),比鈦的電導率高一個數量級,說明這些金屬對激光存在強烈的反射效應.

      圖4為采用拋光鎢基板時激光單層掃描實驗結果,激光功率為200 W,掃描間距為50μm,光斑點距為50μm,激光作用時間為100~900μs,激光掃描速度為0.5~0.06m/s,所有參數下鎢粉熔化、凝固后的形貌類似,均呈明顯球化現象,說明此種實驗條件(基板條件)下不能通過調整激光掃描速度(逐點作用時間)而抑制球化.

      圖5為采用打磨拋光鎢基板時激光單線掃描情況,隨著激光逐點作用時間增長(激光掃描速度降低),球化現象在一定程度上加劇,聚球直徑可達200μm 左右,遠大于初始粉體粒徑,說明純鎢粉體在激光作用下發生了熔化,但熔滴未在基板上很好鋪展反而匯聚成球.這應與打磨拋光純鎢基板表面對激光的強烈反射有關,此時激光功率并未被完全吸收,形成的熔池深度不足以使基板部分重熔而促進熔滴潤濕、鋪展和凝固外延生長,因而熔滴在張力作用下因表面能減少而球化,后文將對此進行詳細討論.

3.2 黑漆處理鎢基板

      為了提高激光吸收率而對鎢基板表面進行黑漆處理,此時單層鎢粉激光熔化/凝固實驗結果如圖6所示.

      1)當光斑點距設置為10μm,激光作用時間為250~350μs,激光掃描速度為0.04~0.028m/s時,熔化表面均出現明顯球化現象,球形顆粒直徑較小,彌散分布.

       2)當光斑點距設置為20μm,激光作用時間為250~350μs,激光掃描速度為0.08~0.057m/s時,熔滴球化現象也較為明顯,但在300μs條件下卻表現出鋪展行為.激光作用時間增加或者減少(偏離300μs)都會減弱熔滴鋪展而加劇球化,這說明熔滴的鋪展行為不僅與激光掃描速度相關,還受控于脈沖模式下的激光作用時間.

       3)當光斑點距設置為30μm,激光作用時間為300μs,激光掃描速度為0.1m/s時,熔滴鋪展情況良好, 形成了明顯的熔化軌跡和較為平整的凝固表面,如圖7(a)所示.偏離這個時間窗口,熔化表面雖未明顯球化,但鼓包現象增多.

       4)當光斑點距設置為40μm,激光作用時間為300μs,激光掃描速度為0.13m/s時,熔滴鋪展情況得到顯著改善,如圖7(b)所示.激光作用時間為325μs,激光掃描速度為0.123m/s時,熔滴鋪展也較好,說明光斑點距增大后激光作用時間調整的容許窗口有所增大.

       5)當光斑點距設置為50μm,激光作用時間為250~350μs,激光掃描速度為0.2~0.14m/s時,幾乎都可以形成較為明顯的熔化軌跡,熔滴鋪展良好,如圖7(c)所示,這與圖4所示的情況形成明顯對比.但是當激光作用時間小于300μs時,由于激光掃描速度相對較快,在鎢基板上形成了較大熱裂紋,這也是后續鎢塊體成型中需要著重解決的問題.

      這對應于熔滴在激光作用下可以達到的峰值溫度.只有在對激光有效吸收的前提下,調整其他激光參數才有作用;2)激光作用時間,對應于熔滴在激光作用下處于峰值溫度的時間和體積大小,這也將直接影響熔滴鋪展行為.由于所用激光為調制脈沖輸出,熔滴的鋪展、凝固對單個光斑作用下的激光作用時間更敏感.如圖7所示,在相同的激光作用時間(300μs)下,采用不同的掃描點距30、40、50μm,對應不同的掃描速度0.1、0.13、0.16m/s,表面熔化質量均較優,說明熔滴鋪展行為的調控不僅需要考慮掃描速度,而且要綜合平衡選擇光斑點距和激光作用時間.

 

4 討 論

        激光選區熔化的物理過程為:激光輻照金屬粉末形成熔滴,熔滴在同種材料的基板上潤濕鋪展(同源潤濕)并凝固[14G15],形成搭接良好的相鄰熔化軌跡和熔化層,層層堆積形成致密體.但是在實際成型過程中,熔滴的鋪展行為相當復雜,鋪展過程既是毛細驅動力與慣性阻力競爭,也是鋪展與高溫度梯度下的快速凝固競爭.

      首先討論毛細驅動力與慣性阻力競爭.假設熔滴在等溫基板上鋪展,其鋪展行為可用無量綱數 We(韋伯數,用于描述驅動力)和Z(奧內佐格數,用于描述鋪展阻力)進行分析[16],其表達式為

式中α為熱擴散系數,T0 為熔體溫度,Tf 為液固相線溫度(無間隔),Tt 為基板溫度,其值為288K.不同熔體溫度T0 下,純鎢熔滴的凝固時間τsoli 如圖8(c)所示. 可見,由于鎢熔體本身的高密度、高張力和高粘度, 其鋪展動力學行為受限,鋪展速度較慢,鋪展所需時間較長.此外,由于鎢的熔點、熱導率極高,激光熱源移走后熔滴凝固速度極快,凝固所需時間遠遠小于鋪展所需時間.經計算,尺寸為100μm 的熔滴完全鋪展需要時間為86.3μs,如果 T0 接近沸點時其凝固時間為 46μs,如果 T0 在鎢熔點附近時其凝固時間僅為7.6μs,說明液滴未完成鋪展已經凝固,且液滴底部寬度小,呈明顯的球化.

5 結 論

       激光選區熔化中,熔滴的鋪展過程受毛細力控制,與表面張力、粘度等材料本征特性有關;熔滴的凝固過程受溫度梯度控制,與熔體/基底溫度差、材料熱導率有關.純鎢熔滴粘度和表面張力較高,流動性不佳,鋪展過程較慢;同時鎢又具有較高的熱導率和熔點(熔體/基底溫度差),因此凝固過程十分迅速,鎢熔滴來不及完成鋪展即具有快速凝固球化的傾向.

      在拋光基板上,由于強烈反射作用使有效吸收激光能量較低,熔滴峰值溫度較低,激光輻照結束后鎢熔滴將迅速凝固,球化傾向更加顯著.經表面黑漆處理的基板由于激光能量吸收較為理想,通過綜合調整激光點距和激光作用時間可以抑制鎢熔滴球化現象。

      激光作用時間可以作為調控純鎢成型質量的關鍵參數,針對本文所用的設備、初始原材料和實驗條件, 最佳值為300μs左右.激光作用時間小于300μs,激光速度過快,能量輸入不足致使熔滴快速凝固球化;激光作用時間大于300μs,能量輸入較高,激光熔池/熔滴體積增大,在慣性力和自身粘性力作用下熔滴鋪展速度進一步降低,加劇球化傾向.


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