實時混粉梯度材料SLM成型系統(tǒng)構(gòu)建與實驗

吳偉輝，馬耿雄，王 迪,馬旭元，劉林青

(1.韶關(guān)學(xué)院 智能工程學(xué)院， 韶關(guān) 512005；2.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 廣州 510640)

引 言

梯度材料是一種特殊的異質(zhì)材料，是由一種成分、組織或相(或組元)逐漸向另一成分、組織或相(或組元)過渡的材料[1-2]。其通過材料成分或結(jié)構(gòu)的梯度變化，獲得更好的結(jié)合強(qiáng)度及材料性能的漸變過渡[3-4]，因此，在航天航空、生物醫(yī)學(xué)、核工業(yè)等領(lǐng)域具有良好應(yīng)用前景[4-5]。

增材制造技術(shù)通過逐層添加材料制造零件[6]。激光選區(qū)熔化(selective laser melting，SLM)增材制造工藝，具有成型精度高、能成型更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，特別適合于近終端金屬零件的制造[7]。

但是，由于SLM工藝采用粉末床類增材制造原理[8-9]，即成型過程中，每打印一層，總是先供應(yīng)一個層厚的粉末，再通過選擇性熔化粉層實現(xiàn)成型,如此逐層堆積成型，最終獲得增材制造零件。因此，受制于其鋪粉原理，難以在成型過程中按需自由布置所需的不同種類材料，獲得異質(zhì)材料零件[10]。為在SLM成型過程中獲得梯度材料，需解決兩個問題，即如何根據(jù)3維模型材料的空間位置按需自由布置異質(zhì)材料，以及如何提供不同配比的梯度材料成分粉末。

在SLM成型過程鋪入異質(zhì)材料的方法研究方面，當(dāng)前已發(fā)展的主要工藝方法包括：(1)在鋪粉裝置上沿鋪粉刮板平行方向布置多個供粉漏斗，并排供粉，獲得水平異質(zhì)材料零件；或在不同層間采用不同漏斗供粉，獲得垂直異質(zhì)材料零件，這兩種異質(zhì)材料供給方式，不涉及移除每層成型后多余的異質(zhì)粉末材料，僅能制作材料界面為簡單直線形的梯度材料零件，或?qū)优c層間具有梯度成分的零件，還不能實現(xiàn)在零件任意部位自由按需布置梯度材料[11-13];(2)每成型完一個材料區(qū)域，都采用真空吸除成型缸內(nèi)所有粉末，然后鋪入另一種粉末，例如MA等人[14]提出了成型一個材料區(qū)域后采用真空吸附回收成型缸內(nèi)粉末，再送入另一種粉末，接著成型同層內(nèi)另一材料區(qū)域的方法。理論上可在 SLM成型過程中，在同層內(nèi)實現(xiàn)異質(zhì)粉末材料按需預(yù)置，但當(dāng)前的研究僅涉及數(shù)值仿真及系統(tǒng)構(gòu)建，尚未展開具體的工藝實驗研究[15];(3)通過真空吸管吸除上一成型層內(nèi)多余粉末，再通過超聲波送粉噴嘴送入另一種粉末。這是曼徹斯特大學(xué)的學(xué)者[16-17]研制出的一種結(jié)合粉床鋪設(shè)、真空吸管選區(qū)除粉和超聲波噴嘴按點送粉的 SLM 系統(tǒng)，可實現(xiàn)異質(zhì)材料在不同層間或同層內(nèi)不同區(qū)域的自由布置，但是，按點粉末輸送是通過超聲波噴嘴實現(xiàn)的，因此，按點粉末輸送出的粉末因未經(jīng)刮板或輥軸擠壓布置得較為松散，在激光熔凝過程中易出現(xiàn)裂紋和孔隙，且超聲波噴嘴送粉技術(shù)難度大、鋪粉效率亦不高;(4)利用多漏斗供粉+柔性清掃回收粉末原理實現(xiàn)SLM成型過程的異質(zhì)材料粉末鋪設(shè)，該方法在切換不同材料前，先采用柔性刮板，將一層左右厚度的粉末掃除，再鋪入另一種粉末；這種方案具有簡單易實現(xiàn)的優(yōu)點，作者的團(tuán)隊[18]據(jù)此方案研制了異質(zhì)材料零件SLM增材制造系統(tǒng)，并成功實現(xiàn)了異質(zhì)材料零件SLM增材制造。

不同配比的梯度材料成分粉末可預(yù)先混合好，再在成型前裝入SLM載粉裝置(梯度材料SLM成型工藝一般采用漏斗)備用，這也是目前多數(shù)梯度材料SLM成型工藝采用的梯度材料成分粉末供給方案[11-13,19]，具有混合均勻性好、節(jié)省制造時間的特點。但因為梯度材料零件模型設(shè)計好后，在成型前，需要耗費較長時間準(zhǔn)備好多種相應(yīng)配比的預(yù)混合粉末，所以想要隨意更變零件梯度材料成分設(shè)計十分困難；同時，為獲得材料成分漸變過渡效果，通常需要4個漏斗以上，并且梯度材料成分漸變過渡越緩慢，需要按比例預(yù)混合好的粉末種類數(shù)及相應(yīng)漏斗的數(shù)量就會越多，導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜及建設(shè)成本增加；此外，如果加上粉末預(yù)混合所需的時間，整個零件的成型效率亦不高。

另一種供給梯度材料成分粉末的方式是在SLM成型過程中實時混合粉末，僅需兩個裝載原始粉末材料的漏斗，通過實時混粉裝置，即可按需混合任意比例梯度成分粉末，大大降低了設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及建設(shè)成本。已有少數(shù)學(xué)者對此展開了研究：DEMIR等人[20]在SLM成型過程中，用兩個漏斗，結(jié)合雙漏斗同步送粉碰撞混合的方式，實現(xiàn)了梯度材料實時混合，成型了Fe/Al-12Si梯度材料零件，證明SLM技術(shù)增材制造梯度材料零件是可行的，但僅能制作層與層間具有梯度成分的零件，還不能實現(xiàn)層內(nèi)按需布置異質(zhì)材料，同時，其研究也沒對混合的效果展開分析；LIU等人[21]給出了一種成分梯度材料零件激光選區(qū)熔化成型過程的粉末材料供給方法，可以實時混合粉末，理論上可獲得任意配比的梯度材料成分，但是，由于該方法采用兩個擺動電機(jī)依次擺動實現(xiàn)實時混合粉末，存在混合時間長、難得到均勻混合效果的缺點。

綜上所述，本文中擬在已有異質(zhì)材料零件激光選區(qū)熔化增材制造系統(tǒng)[18]基礎(chǔ)上，通過增加多重實時混粉裝置，包括同步送粉碰撞混合、錐形聚集混合、氣流混合等多重混合方式，以實現(xiàn)SLM成型過程中，快速實時混合獲得梯度材料成分粉末及成型出梯度材料零件。通過實驗驗證所研發(fā)的系統(tǒng)，并對實驗樣品各區(qū)域的材料混合效果進(jìn)行分析。

1 成型系統(tǒng)的構(gòu)建

多重實時混粉裝置及在SLM成型室上的集成原理如圖1a所示，其實時混粉工作原理可描述如下。

(1)設(shè)置A、B兩個供粉漏斗， 漏斗供粉采用帶單槽的轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)拾取粉末，每回轉(zhuǎn)一次，拾取一槽的粉末。在粉末自兩漏斗流入鋪粉盒過程中，可執(zhí)行同步送粉碰撞混合、錐形聚集混合、氣流混合等幾個混合步驟。

(2)同步送粉碰撞混合：兩條送粉管在垂直方向排成V字型，在兩管相交處有一個V形的缺口，即V形碰撞混粉口。在兩漏斗內(nèi)粉末同步向V形碰撞混粉口送出粉末時，兩束粉末流相互碰撞混合。

(3)錐形聚集混合：同步送粉碰撞混合后的粉末自流到下部的錐形混粉斗中，依靠圓錐外形，實現(xiàn)粉末的錐形聚集混合。

Fig.1 System structure and workflow

(4)氣流-錐形聚集循環(huán)混合：錐形混粉斗的兩根軸安裝在外混粉腔內(nèi)，一根軸內(nèi)部空心，設(shè)置有氣流通道，軸末端與氣泵出氣口相連通。當(dāng)粉末落入到錐形混粉斗底部后，氣泵啟動，氣流從錐形混粉斗底部向上甩起斗底部的粉末，斗底部粉末顆粒向上運動，在空中相互碰撞實現(xiàn)混合。被拋起的粉末到達(dá)一定高度后在重力作用下沿氣流沖擊力較弱的斗內(nèi)壁面等處下行，補(bǔ)充剛才粉末沖走形成的空隙，接著再進(jìn)一步被拋射到斗上方，如此循環(huán)持續(xù)一小段時間，充分將粉末混合。在被拋起的粉末下落過程中，同樣亦受錐形混粉斗橫截面積逐步縮小的影響，下落過程逐步聚集在一起，因而粉末顆粒又進(jìn)行聚集混合，如此反復(fù)，實現(xiàn)氣流-錐形聚集循環(huán)混合。

(5)上述V形碰撞混粉口所在的兩根管下端插入到一個外混粉腔內(nèi)，外混粉腔用于保證粉末碰撞混合、錐形聚集混合、氣流混合3個粉末混合過程中的氣密性，防止成型室內(nèi)的保護(hù)氣體外溢。

(6)錐形混粉斗的另一根軸通過聯(lián)軸器與外混粉腔外的混粉電機(jī)相連，通過混粉電機(jī)實現(xiàn)錐形混粉斗的翻轉(zhuǎn)及復(fù)位。

(7)外混粉腔下部是一個大集粉斗，用于收集錐形混粉斗翻轉(zhuǎn)后下落的粉末，大集粉斗下部與粉末均布器相連通，進(jìn)行粉末均布處理。粉末均布由粉末均布器[13]實現(xiàn)，可將粉末束整理成與鋪粉刮板相同的寬度，以便鋪粉刮板能將粉末在成型平臺上鋪滿一層。

(8)混粉裝置多處裝有微型振動電機(jī)，在混粉斗翻轉(zhuǎn)朝下時，微型振動電機(jī)啟動，將混粉裝置內(nèi)殘余粉末清除干凈。

激光選區(qū)熔化增材制造多材料零件的難點在于，在同一層內(nèi)，如何自由地布置異質(zhì)粉末材料，其核心問題是：如何在鋪設(shè)一層粉末，選擇性熔化粉末成型后，將同層內(nèi)多余的粉末清除掉，再鋪入另一種粉末。本系統(tǒng)采用柔性清掃回收余粉原理解決此問題，如圖1a所示，其中柔性清掃回收余粉裝置主要包括鋪粉盒、高位柔性刮板、低位柔性刮板、鋪粉平臺、2個安裝在成型室內(nèi)壁上的柔性刮板清潔刷。 兩柔性刮板采用彈性絲材制作。柔性清掃回收余粉原理可描述為：激光選區(qū)熔化金屬粉末成型后，再如同采用毛刷將粉塵越過平面上凸起的小階梯清掃走一樣，低位柔性刮板將同一層內(nèi)多余的粉末繞過已成型的實體清掃回收[22]。

梯度材料零件模型可由各分材料模型裝配而成，其增材制造數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)中由形狀數(shù)據(jù)及材料數(shù)據(jù)組成，分別通過惠普公司圖形語言 (Hewlett-Packard graphics language,HPGL)文件組成的掃描路徑文件、文本格式(text,TXT)的材料文件表達(dá)，數(shù)據(jù)處理過程如下[21]：(1)使各分材料模型的位置與其在梯度材料零件模型中的位置相同；(2)每個分材料模型生成一組掃描路徑，一組掃描路徑可由k個HPGL文件組成(k為梯度材料零件層數(shù))，每個HPGL文件存放一個分材料模型的一個層掃描路徑(如是空層，HPGL文件的數(shù)據(jù)亦為空)；(3)建立一個文本格式文件，文件中存放著多行材料數(shù)據(jù)，一組掃描路徑對應(yīng)一行材料數(shù)據(jù)，例如第2行文字為“Mat02 1∶3”，表示02分材料模型的材料成分由1槽容積的材料A和3槽容積的材料B混合所得；(4)在成型某一層時，SLM增材制造控制系統(tǒng)將逐個搜索該層的新材料區(qū)域掃描路徑，即判斷新的分材料模型在該層的HPGL文件的數(shù)據(jù)是否非空；如果非空，則根據(jù)TXT文件相應(yīng)行的材料數(shù)據(jù)，開始供給、混合及鋪設(shè)粉末；接著調(diào)用該HPGL文件數(shù)據(jù)，控制激光選擇性熔化材料成型。

整個梯度材料零件的增材制造過程如圖1b所示。特別地，在采用單一材料成型時(即A和B的材料比中有一項數(shù)值為0)，混粉時間為0s(即不需混粉)，只執(zhí)行供粉動作。

按上述原理研發(fā)的實時混粉梯度材料激光選區(qū)熔化成型系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)集成了500W連續(xù)光纖激光器、多重實時混粉裝置、柔性清掃回收裝置、雙供粉漏斗等。系統(tǒng)最大成型尺寸為80mm×80mm× 80mm，鋪粉厚度可設(shè)為10μm～100μm。

Fig.2 Photo of the gradient material SLM molding system with a device of real-time mixing powders in various ways

2 實驗及結(jié)果分析

2.1 實驗方法

采用自主研發(fā)的梯度材料零件SLM成型系統(tǒng)(見圖2)為成型設(shè)備，展開梯度材料成型實驗，驗證系統(tǒng)的性能。實驗中采用尺寸為50mm×50mm×5mm的304不銹鋼板作為基板。采用經(jīng)磁選法反復(fù)分離提純的4340鋼粉末以及CuSn10青銅粉末作為原始材料，其中4340鋼粉末中Fe，Cu，Sn，Ni，Si 4種元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)w)占比分別為0.9490，0.0008，0.0001，0.0171，0.0025，CuSn10青銅粉末中Fe，Cu，Sn，Ni，Si 4種元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)w)占比分別為0.0005，0.8650，0.1240，0.0006，0.0003[18]。兩種原始材料分別裝入兩個漏斗中，粉末粒徑均為15μm～53μm，球形，4340粉末呈銀灰色，CuSn10粉末呈金黃色。實驗成型過程中，保護(hù)氣體采用體積分?jǐn)?shù)為0.9998的氬氣。

實驗后，對照零件照片、并結(jié)合顯微圖像及 X射線能譜成分分析(設(shè)備型號：蔡司EVO18，牛津OXFORD Inca250X-Max20mm2電制冷能譜儀)，獲得梯度材料零件成型的形貌及成分信息。

2.2 宏觀形貌分析

先成型了兩個具有復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)的梯度材料零件，如圖3所示。可見具有復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)的梯度材料零件也可以打印出來。由圖3a可知，所成型的零件，在水平方向、垂直方向的材料顏色都可呈梯度變化，顯示系統(tǒng)可按比例供給及混合兩種原始粉末，并按零件模型各部分材料信息布置材料及成型，最終獲得梯度材料零件。在圖3b中，是一個在垂直方向具有4個1.5mm厚的梯度材料區(qū)域的法蘭零件，自下而上，各梯度材料區(qū)域內(nèi)的4340鋼/CuSn10青銅材料的預(yù)設(shè)體積比分別為4∶1，3∶2，2∶3和1∶4，由圖3b可知，其4個梯度區(qū)域內(nèi)的顏色變化呈較好的緩慢漸變效果。

Fig.3 Two verification parts of gradient material (main molding parameters:laser power of 170W; powder cleaning times of 5 times; scanning distance of 0.08mm; layer thickness of 30μm;scanning speed of 250mm/s ～450mm/s)

2.3 微觀成型效果分析

為進(jìn)一步考察本梯度材料零件SLM成型系統(tǒng)的成型效果，設(shè)計了如圖4a所示的梯度材料零件3維模型。零件為10mm×10mm×4mm的方塊，在垂直方向，依次設(shè)置有4340鋼(厚1mm)、垂直梯度1(厚1mm)、垂直梯度2(厚1mm)、頂部材料塊(厚1mm)等4個層次的材料過渡；自零件頂面向下1mm范圍的厚度內(nèi)，是頂部材料塊，頂部材料塊在水平方向上，設(shè)置有4340鋼(長4mm×寬4mm)、水平梯度1(長4mm×寬1mm)、水平梯度2(長4mm×寬1mm)、CuSn10青銅(長4mm×寬4mm)4個層次的材料過渡。對水平梯度1的成型材料，采用4340鋼粉與CuSn10青銅粉按體積比為1∶1混合而成；對垂直梯度1的成型材料，采用4340鋼粉與CuSn10青銅粉按體積比為3∶2混合而成；對垂直梯度2或水平梯度2的材料，采用4340鋼粉與CuSn10青銅粉按體積比為1∶3混合而成。因此，該模型可考察成型系統(tǒng)在水平方向以及垂直方向的成型效果。

Fig.4 3-D model and sample photo of a gradient material part

圖4a所示模型每種顏色的塊體都代表一種材料成分，可設(shè)計為一個單獨的零件模型，總的梯度材料零件3維模型通過幾種顏色的塊體零件模型裝配而成。按前面所述，由各個顏色塊體零件模型生成掃描路徑數(shù)據(jù)HPGL格式文件，并創(chuàng)建材料信息TXT格式文件后，即可獲得整個梯度材料零件的增材數(shù)據(jù)[18]。

實驗開始前，在梯度材料零件SLM成型系統(tǒng)中設(shè)置的相關(guān)實驗參數(shù)如表1所示。

Table 1 SLM experimental process parameters for producing the gradient material part

成型件照片如圖4b所示，其材料分布基本與圖4a的模型圖相一致：底部為深色的4340鋼，然后過渡到垂直梯度1、垂直梯度2(顏色逐漸變淡)；在頂部，分布著處于同一水平面的4340鋼、水平梯度1、水平梯度2和CuSn10青銅幾種材料區(qū)域，顏色同樣逐漸變淡。

按圖4b所示的剖切位置示意點劃線，對成型零件進(jìn)行了剖切，制成金相試樣并通過掃描電鏡獲得了圖5所示的一個帶清晰水平梯度及垂直梯度形貌的掃描電鏡照片。由該照片的顏色不同可知，在水平方向及垂直方向，材料的成分的確依次按梯度分布。

為考察粉末混合的均勻性，在圖5剖面的水平梯度1區(qū)域內(nèi)部(不靠近兩種材料區(qū)域邊界)、垂直梯度1區(qū)域內(nèi)部(不靠近兩種材料區(qū)域邊界)，各隨機(jī)選取4個不重疊的160μm×160μm的微細(xì)區(qū)域，對每個區(qū)域內(nèi)的主要元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)作能譜儀(energy dispersive spectrometer,EDS)分析，以考察粉末混合效果，所得的數(shù)據(jù)如表2及表3所示。元素分布的離散程度可用變異系數(shù)體現(xiàn)[23-24]，由表2、表3可知，采用10s～15s的單層平均混合時間混合后，8個微區(qū)內(nèi)的主要元素變異系數(shù)最大不超過0.59，因此，各微區(qū)內(nèi)的粉末元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)離散程度小，達(dá)到較好的混合均勻性。

Table 2 Average mass fraction of main elements in selected micro zones in horizontal gradient region 1 of the Fig.5

Table 3 Average massfraction of main elements in selected micro zones in vertical gradient region 1 of the Fig.5

Fig.5 Asection micrograph of the part and position and direction of EDS line scanning (horizontal dotted line: horizontal line scanning; vertical dotted line: vertical line scanning; dotted line: color boundary)

3 結(jié) 論

本文中研發(fā)了實時混粉梯度材料SLM成型系統(tǒng)，并采用該系統(tǒng)展開了梯度材料成型實驗驗證，對實驗結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析。

(1)系統(tǒng)可方便自由地按需在水平及垂直方向添加成分漸變材料，獲得具有復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)的梯度材料零件。

(2)在SLM成型過程中，實時混粉裝置成功執(zhí)行了同步送粉碰撞混合、錐形聚集混合、氣流混合等多重混粉動作，可方便獲得成分漸變過渡緩慢的梯度材料。

(3)對成型零件不同方向的兩個梯度材料區(qū)域的微區(qū)EDS成分分析表明：采用10s～15s的單層平均混合時間混合后，各微區(qū)內(nèi)的主要元素變異系數(shù)最大不超過0.59。因此，各微區(qū)內(nèi)的粉末元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)離散程度小，達(dá)到較好的混合均勻性，基本實現(xiàn)快速實時混粉效果。