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316L不銹鋼粉末電子束熔化成形的熔合機制的研究(二)

來源:粉末冶金工業(yè) 瀏覽 252 次 發(fā)布時間:2024-12-30

2.2熔合中期

多次試驗發(fā)現(xiàn),大束流直接熔化粉末會產(chǎn)生局部熔池,熔池凝固時在表面張力的作用下收縮成球形,該球形物遠凸出于成形層表面,影響鋪粉環(huán)節(jié),若加大束流熔化會導致其余區(qū)域發(fā)生過熔現(xiàn)象或溶液流淌導致成形失敗。為了避免此現(xiàn)象,將預熱之后的粉末進行大步距較大點的束流掃描,在此工藝下,局部區(qū)域粉末直接熔接在下一層已成形面上,此時的氣孔收縮率由式(5)計算。


2.3熔合末期


為了有足夠的時間排出沉積層里面的氣孔,仍使用體積收縮模型,通過式(5)計算氣孔收縮率,然后通過式(7)算出燒結(jié)末期電子束填充時長。


孔成孤立狀球體,并由沉積層內(nèi)部運動到表面。因此使用體積擴散系數(shù)來計算,試驗棒料成形的每層粉末燒結(jié)時間為38(s T=0.8TM,TM為熔點溫度)。


3結(jié)果與分析


根據(jù)模型計算出的試驗參數(shù)如表2所示。

表2電子束熔粉參數(shù)


由表2可知,電子束熔粉成形中,顆粒與顆粒之間的熔合在不同的束流和點間距工藝下有不同的表現(xiàn)特征。粉末的熔合是顆粒之間接觸和鍵合的過程,事實上都是由表面張力的推動下來完成物質(zhì)的傳遞。圖5(a)為電子束預熱粉末之后粉末熔合初期的微觀結(jié)構。由5(a)可知,粉末預熱的過程中變成通紅的狀態(tài),但顆粒與顆粒之間接觸面積非常小。對比離散的粉末,預熱后的粉末中微小粒徑的顆粒幾乎完全熔入大顆粒當中,而且顆粒之間呈凝聚態(tài)結(jié)構,因為小顆粒的粉末比表面積大于大顆粒粉末,在粘附力的作用下吸附在大顆粒表面,在預熱的過程中首先產(chǎn)生鍵合頸,再在潤濕作用下完全與大顆粒粉末結(jié)合。而大顆粒粉末之間由于電子束輸入的能量過低不足以完全熔合,不過顆粒與顆粒之間剛剛形成了燒結(jié)頸,將周圍的粉末拉攏過來。圖5(b)為電子束預打印之后的粉末熔合中期的微觀結(jié)構。由圖5(b)可知,隨著電子束輸入能的升高,出現(xiàn)了束斑直徑同樣大小的熔融團,周圍是互相連通的孔洞,因為電子束輸入能升高后束斑所接觸區(qū)域的粉末迅速熔化,在高度方向上與下面的已成形區(qū)相連,在長、寬度方向上熔融團僅僅流動傳質(zhì)引起縮頸相連。一般熔合中期的打印束斑間距選擇1.2倍的束斑直徑,以免熔融團相互貫通出現(xiàn)球化現(xiàn)象。在微觀角度上,粉末堆積形成的多面體空隙隨著熔池溶體表面張力的作用,形成柱狀結(jié)構并且相互連通,因此粉層的體積開始收縮,氣孔不斷地上浮到表面處消失。圖5(c)為電子束填充打印之后粉末熔合末期微觀結(jié)構。由圖5(c)可知,粉層的致密度提高至95%以上,在電子束直接接觸加熱處至四處消散方向出現(xiàn)針狀晶粒。從圖5(a)、(b)看出,熔合成形的初期和中期材料內(nèi)空隙明顯而末期材料內(nèi)的空隙幾乎全部消失。因為粉末熔合末期受到電子束填充密集轟擊,粉層溫度達到上千攝氏度,粉層雖然沒有到達完全液態(tài)(熔粉成形不允許完全流動),但在表面張力和毛細孔管引力的推動下,質(zhì)點不斷地向燒結(jié)頸傳遞,連通的氣孔變成孤立狀空穴。這時在重力和濃度差擴散力作用下,質(zhì)點逐漸沉積在粉層底部,氣孔不斷地消失在表面上。最終隨著溫度降低亞熔融態(tài)的沉積物再次結(jié)晶,由于電子束接觸位置的溫度遠高于其余部位,所以冷卻過程中此處出現(xiàn)板條狀馬氏體晶粒。

(a)熔合初期(粉末預熱后);(b)熔合中期(粉末預打印后);(c)熔合末期(填充打印后)。

圖5粉末熔合成形過程(圖a、b方向為平行沉積層拍照;圖c方向為垂直沉積層拍照)


4結(jié)論


(1)試驗結(jié)果吻合熔粉理論模型,在熔合初期電子束預熱工藝下,離散的粉末微小粒徑的顆粒幾乎完全熔入大顆粒當中,且顆粒與顆粒之間呈凝聚態(tài)結(jié)構。


(2)在熔合中期粉末顆粒在熔池溶體表面張力的作用下形成熔融團,堆積形成的空隙變成柱狀空洞并且相互連通的。


(3)在熔合末期氣孔被排除,電子束接觸位置的周圍出現(xiàn)板條狀馬氏體晶粒,致密度接近理論密度。


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