楊光，劉雪東，王琮瑋，王琮瑜，劉大志

1. 河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050018 2. 唐山威豪鎂粉有限公司，唐山 064406

隨著能源資源問(wèn)題的顯著化和對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，越來(lái)越多的鈦合金、鎂合金等輕型合金材料被廣泛應(yīng)用。鎂合金密度只有1.74 g/cm，其密度為鋁的67%、鋼的23%。航空航天發(fā)展水平是國(guó)家科技實(shí)力的重要體現(xiàn)，鎂合金作為金屬結(jié)構(gòu)材料中最輕的一種，具有比強(qiáng)度和剛度高、耐振性和耐沖擊性好、切削加工性能優(yōu)異等特點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)鎂合金材料結(jié)合了可降解材料的優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)用材料上也有較好的應(yīng)用前景。選區(qū)激光熔融(Selective Laser Melting，SLM)是一種有發(fā)展?jié)摿Φ母咝阅?、短流程制造技術(shù)，突破了形狀的制約，目前在成型鈦合金、不銹鋼等金屬材料方面已比較成熟，但鎂合金的成型技術(shù)還處于發(fā)展階段。由于鎂合金中Mg元素的蒸汽壓較高、熔沸點(diǎn)較低，在高能量激光束作用時(shí)極易出現(xiàn)燒損并產(chǎn)生大量煙塵，導(dǎo)致機(jī)器不能長(zhǎng)時(shí)間工作，隨鎂元素的燒損蒸發(fā)，合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都有不同程度的變化，且元素的燒損現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致孔隙率增大，制約了激光增材制造可達(dá)的最大致密度。

謝轍研究表明線能量越大，Mg元素?zé)龘p越嚴(yán)重，但物相種類不隨Mg元素?zé)龘p程度的改變而發(fā)生變化；胡國(guó)文研究表明ZK61鎂合金在激光成型中主要燒蝕元素為Mg元素，在低掃描速度和高搭接率下，元素?zé)g現(xiàn)象較嚴(yán)重；魏愷文等以AZ91D鎂合金為材料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在成型過(guò)程中采用激光體能量密度為55.6 J/mm時(shí)成型試樣的Mg/Al比值最接近粉末原料。由此可見(jiàn)相關(guān)研究少有建立鎂元素?zé)龘p速率與成型工藝參數(shù)之間的分析模型，鮮見(jiàn)對(duì)燒損過(guò)程中突出的煙塵問(wèn)題提出解決方法。對(duì)此本文基于AZ91D鎂合金材料，以理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式進(jìn)行研究。在理論研究方面提出燒損速率與工藝參數(shù)關(guān)系建模方法，首先，通過(guò)ANSYS有限元軟件采用APDL命令流語(yǔ)言進(jìn)行生死單元的運(yùn)用及移動(dòng)熱源的加載，對(duì)鎂合金成型過(guò)程進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬，建立成型過(guò)程中溫度與主要成型工藝參數(shù)之間的關(guān)系模型；其次，結(jié)合氣體動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)理論，闡明鎂元素飽和蒸汽壓與溫度之間的關(guān)系、元素?zé)龘p速率與飽和蒸汽壓之間的定量關(guān)系，并建立溫度與元素?zé)龘p速率之間的解析關(guān)系模型；最終，通過(guò)溫度與工藝參數(shù)的關(guān)系及溫度與元素?zé)龘p速率之間的關(guān)系建立工藝參數(shù)與燒損速率之間的關(guān)系模型，并對(duì)此模型進(jìn)行SLM成型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 鎂合金選區(qū)激光熔融成型燒損關(guān)系模型

針對(duì)鎂合金SLM成型過(guò)程中的元素?zé)龘p行為，燒損速率與工藝參數(shù)關(guān)系構(gòu)建流程如圖1所示。

1.1 溫度與主要工藝參數(shù)之間的關(guān)系模型

選區(qū)激光熔化是一個(gè)快速熔化、冷卻的物理變化過(guò)程，在此過(guò)程中溫度是一個(gè)不可忽略的因素，但溫度分布很難用傳統(tǒng)方法測(cè)量，SLM溫度場(chǎng)模擬為分析溫度變化提供了一個(gè)很好的方案。

1.1.1 鎂合金SLM溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

在鎂合金SLM模擬之前，對(duì)模型做出如下假設(shè)：

1) 鎂合金粉末材料是各向同性的。

2) 激光與金屬粉末的作用時(shí)間極短，忽略金屬熔化過(guò)程中的流動(dòng)作用。

3) 忽略鎂合金的蒸發(fā)氣化現(xiàn)象。

4) 默認(rèn)室溫為293 K。

由于鎂合金粉末顆粒之間存在間隙，粉末狀態(tài)下的熱物性參數(shù)與實(shí)體狀態(tài)下的熱物性參數(shù)存在一定差異，尤其是導(dǎo)熱系數(shù)和密度差異明顯，為此先通過(guò)JMatPro軟件得到AZ91D鎂合金實(shí)體熱物性參數(shù)(如表1所示)，再通過(guò)式(1)和式(2)得到AZ91D鎂合金粉末材料的密度和導(dǎo)熱系數(shù)：

=(1-)

(1)

式中：為孔隙率；為空隙內(nèi)氣相的密度，g/cm；為固相密度，g/cm。

(2)

式中：為金屬實(shí)體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；為粉末孔隙率；為宏觀配位系數(shù)；為粉末顆粒之間的平均接觸半徑；為粉末顆粒平均半徑。

圖1 鎂合金SLM燒損模型Fig.1 Magnesium alloy SLM burning loss model

表1 AZ91D鎂合金實(shí)體狀態(tài)下熱物性參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters of AZ91D magnesium alloy in solid state

SLM成型過(guò)程是一個(gè)局部受熱快速熔化并快速凝固的過(guò)程，粉末在這個(gè)過(guò)程中瞬時(shí)經(jīng)歷了固態(tài)-液態(tài)-固態(tài)的相變過(guò)程，該過(guò)程一定會(huì)產(chǎn)生相變潛熱，采用ANSYS處理相變問(wèn)題常用的熱焓法。

由于模型過(guò)大導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，為減小仿真過(guò)程的運(yùn)算量，對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。模型由鎂合金基板和成型粉末組成，粉末的成型尺寸為1.20 mm×0.51 mm×0.20 mm，共分為4層，每層層厚為50 μm，基板尺寸為1.60 mm×0.91 mm×0.50 mm，網(wǎng)格采用SOLID70類型單元進(jìn)行劃分。為保證成型過(guò)程與實(shí)際相符合，在對(duì)粉末層與基板進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用不同的劃分方式：成型層網(wǎng)格單元?jiǎng)澐州^為細(xì)密，單元尺寸為12.5 μm×12.5 μm×25.0 μm；基板采用自由網(wǎng)格劃分，單元大小為0.1 mm。圖2為模擬模型及網(wǎng)格劃分示意圖。

圖2 鎂合金仿真模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of magnesium alloy simulation model

在SLM成型過(guò)程中，激光束以光斑形式照射在金屬粉末上，考慮到激光加工能量較高、穿透性較強(qiáng)，在模擬時(shí)采用均勻分布的高斯體熱源作為熱源模型，該熱源的特點(diǎn)為熱流在垂直于激光束的表面上呈高斯分布，在深度方向上呈均勻分布，其表達(dá)式為

(3)

式中：為熱效率；為激光功率；為層厚；為光斑半徑；為光斑中心到金屬粉末任意一點(diǎn)的距離。

在仿真過(guò)程中將均勻分布的高斯體熱源以生熱率的形式施加到模型中，高斯熱源簡(jiǎn)化及加載示意圖如圖3所示。

模擬過(guò)程中，假設(shè)高斯熱源在水平面上近似地作用在6×6的單元上，即所作用區(qū)域?qū)挒?.075 mm，與實(shí)際激光光斑直徑保持相同，在最中心的4個(gè)單元上施加的熱流密度為最大值(如圖3(a)所示)，在APDL命令流中通過(guò)循環(huán)語(yǔ)句以一定比例分別向中心之外的4×4單元(如圖3(b)所示)及外圍的6×6單元(如圖3(c)所示)施加熱流密度。模擬激光共掃描8道，掃描間距為0.060 mm，每道寬0.075 mm，每道31步，采用“蛇形”往復(fù)的掃描方式進(jìn)行掃描，其掃描路徑如圖4所示。

圖3 高斯熱源加載示意圖Fig.3 Gauss heat source loading diagram

1.1.2 鎂合金SLM仿真結(jié)果分析

鎂合金SLM成型是一個(gè)快速成型過(guò)程，經(jīng)后處理分析發(fā)現(xiàn)溫度場(chǎng)特征較為明顯，圖5(a)～圖5(d)分別為首層3、4及第4層22、23位置點(diǎn)在掃描速度為400 mm/s、激光功率為90 W時(shí)的熔池溫度云圖，可看出在SLM成型過(guò)程中熔池溫度場(chǎng)呈橢球形狀，熔池中已熔化成型區(qū)域的溫度梯度小于未掃描區(qū)域，這主要是因?yàn)殒V合金材料熔化區(qū)域的導(dǎo)熱系數(shù)比未掃描區(qū)域粉末的導(dǎo)熱系數(shù)大，光斑中心的熱量更容易向后傳播，從而呈現(xiàn)出不對(duì)稱分布，已掃描一側(cè)溫度明顯高于未掃描一側(cè)溫度。激光光斑中心附近為全局最高溫度，激光光斑作用邊緣的溫度明顯低于激光光斑中心附近的溫度，因此熔池中心和邊緣之間往往會(huì)形成較大的溫度梯度，在成型過(guò)程中，為使粉末之間產(chǎn)生冶金結(jié)合，粉層勢(shì)必要吸收足夠的能量以使道與道之間良好地搭接，因此需將激光光斑作用每道邊緣的溫度控制在鎂合金熔點(diǎn)以上，才能保證粉末之間產(chǎn)生良好的冶金結(jié)合。

由于溫度隨激光束的掃描變化較快，因此選取每道中點(diǎn)作為溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，且首層與基板直接接觸，實(shí)體熱導(dǎo)率大于粉末材料熱導(dǎo)率，首層各道的溫度會(huì)低于其他各層，同時(shí)為避免邊緣效應(yīng)，首道和末道不計(jì)入溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最終以3層18個(gè)點(diǎn)位置(圖4(b)～圖4(d)所示)的平均溫度研究工藝參數(shù)與溫度的影響規(guī)律。

圖4 SLM成型過(guò)程激光掃描路徑Fig.4 Laser scanning path in SLM forming process

圖5 不同位置點(diǎn)熔池溫度云圖Fig.5 Temperature nephograms of molten pool at different positions

1) 激光功率對(duì)溫度的影響

在一定掃描速度下，不同的激光功率會(huì)產(chǎn)生不同的能量密度，進(jìn)而會(huì)對(duì)成型過(guò)程中熔池溫度產(chǎn)生影響，圖6為掃描速度=400 mm/s的條件下激光光斑中心及激光光斑作用邊緣處溫度隨激光功率變化關(guān)系?？煽闯鲈谙嗤瑨呙杷俣认?，熔池溫度隨激光功率的增加呈現(xiàn)出明顯線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。在激光功率為60 W時(shí)，激光光斑中心溫度為1 140 K，激光光斑作用邊緣處溫度為890 K，激光光斑中心和激光光斑作用邊緣處的溫度相差250 K；然而在激光功率為120 W時(shí)，激光光斑中心溫度為1 764 K，激光光斑作用邊緣處的溫度為1 389 K，溫度相差375 K。這主要是因?yàn)榧す鉄嵩闯矢咚狗植?，在掃描速度一定時(shí)隨激光功率增加，對(duì)光斑中心處溫度的影響明顯大于邊緣處，且邊緣處向周圍傳遞的熱量也大于中心處，從而導(dǎo)致隨激光功率增加，中心處與激光作用邊緣處溫度梯度呈增大趨勢(shì)。當(dāng)激光功率為60 W時(shí)，光斑中心的溫度遠(yuǎn)超鎂合金的熔點(diǎn)(924 K)，但激光光斑作用邊緣處的溫度沒(méi)有達(dá)到鎂合金的熔點(diǎn)，在此激光功率下成型會(huì)造成道與道之間不能良好地冶金結(jié)合，因此在掃描速度為400 mm/s的條件下，為保證成型過(guò)程中完美結(jié)合，激光功率應(yīng)高于60 W。

圖6 不同激光功率下溫度變化關(guān)系Fig.6 Temperature change relationship under different laser powers

2) 掃描速度對(duì)溫度的影響

在其他工藝參數(shù)一定時(shí)，掃描速度也會(huì)對(duì)熔池溫度產(chǎn)生影響，圖7為激光功率=80 W時(shí)激光光斑中心溫度及激光光斑作用邊緣處溫度隨掃描速的度變化關(guān)系?？煽闯黾す饧庸み^(guò)程中熔池溫度隨掃描速度增加而減小，相同激光功率下，當(dāng)掃描速度為100 mm/s時(shí)光斑中心溫度為1 653 K，激光光斑作用邊緣處的溫度為1 397 K，激光光斑中心和激光光斑作用邊緣處的溫度相差256 K；而當(dāng)掃描速度增加到700 mm/s時(shí)，光斑中心溫度降低到1 191 K，激光光斑作用邊緣處的溫度降低到890 K，溫度相差301 K，這主要是因?yàn)樵诩す夤β室欢〞r(shí)，隨掃描速度增加激光束與成型體作用時(shí)間變短，能量吸收減少，且邊緣處向周圍傳遞的熱量大于中心處，從而導(dǎo)致光斑中心和光斑作用邊緣處的溫度梯度隨掃描速度增加逐漸增大。在掃描速度為700 mm/s時(shí)，激光光斑中心溫度為1 191 K，遠(yuǎn)超過(guò)鎂合金的熔點(diǎn)(924 K)，激光光斑作用邊緣處的溫度為890 K，未達(dá)鎂合金熔點(diǎn)，相鄰兩熔道之間無(wú)法緊密結(jié)合；同時(shí)為減小光斑中心與光斑作用邊緣處的溫度梯度，在激光功率為80 W時(shí)，掃描速度應(yīng)控制在700 mm/s以下。

圖7 不同掃描速度下溫度變化關(guān)系Fig.7 Temperature change relationship under different scanning speed

熔池溫度會(huì)隨激光功率的增加而增大，隨掃描速度的增加而減小，激光功率增加使能量密度相應(yīng)地增大，而掃描速度增加使激光與粉末作用時(shí)間變短，粉末吸收能量減小。為便于分析工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響，初選工藝參數(shù)為激光功率=60～110 W、掃描速度=100～600 mm/s，利用1.1.1節(jié)所建溫度場(chǎng)模型對(duì)所選工藝參數(shù)進(jìn)行模擬，通過(guò)后處理得到所選位置點(diǎn)光斑中心及光斑作用邊緣處溫度。在成型過(guò)程中需吸收足夠的能量以保證鎂合金熔化及道與道之間緊密結(jié)合，因此光斑作用邊緣的溫度需控制在鎂合金熔點(diǎn)(924 K)以上。圖8為不同工藝參數(shù)條件下所選位置點(diǎn)光斑作用邊緣處的平均溫度變化關(guān)系。

圖8底面為鎂合金熔點(diǎn)，可看出當(dāng)激光功率為60 W時(shí)，只有在掃描速度小于350 mm/s時(shí)邊緣溫度能達(dá)到熔點(diǎn)；當(dāng)激光功率為70 W時(shí)，在掃描速度為600 mm/s時(shí)光斑作用邊緣處的溫度已不能達(dá)到鎂合金的熔點(diǎn)(924 K)。在高掃描速度下，只有在高激光功率下邊緣溫度才能達(dá)到熔點(diǎn)溫度，即使功率足夠，掃描速度過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致熔道中容易出現(xiàn)裂紋，且易形成粉末反沖揮發(fā)、飛濺及球化現(xiàn)象，同時(shí)為保證邊緣處能夠良好結(jié)合，應(yīng)將掃描速度控制在500 mm/s以下，激光功率控制在70 W以上。因此通過(guò)溫度場(chǎng)仿真初步得到的工藝參數(shù)為激光功率=70～110 W、掃描速度=100～500 mm/s。

圖8 不同工藝參數(shù)下光斑作用邊緣處溫度變化關(guān)系Fig.8 Temperature change relationship at edge of spot with different process parameters

1.2 溫度與元素?zé)龘p速率之間的關(guān)系模型

元素?zé)龘p速率與飽和蒸汽壓之間存在定量關(guān)系。以魏愷文所作研究為基礎(chǔ)，依據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)理論，合金中某一元素的燒損速率(g·cm·s)可通過(guò)Langmuir方程進(jìn)行計(jì)算，其關(guān)系式為

(4)

飽和蒸汽壓和溫度之間的關(guān)系可通過(guò)式(5)、式(6)計(jì)算，鋅元素和錳元素在合金中相對(duì)含量較低，因此在計(jì)算過(guò)程中忽略鋅元素和錳元素的影響。

(5)

(6)

代入式(4)可得到元素?zé)龘p速率與溫度之間的關(guān)系：

=4375×10·1333×

(7)

=4375×10·1333×

(8)

利用MATLAB軟件擬合鎂元素和鋁元素?zé)龘p速率與溫度之間的關(guān)系如圖9所示，可看出當(dāng)溫度達(dá)到鎂元素熔點(diǎn)(924 K)時(shí)，鎂元素開(kāi)始發(fā)生燒損；當(dāng)溫度達(dá)到鋁元素熔點(diǎn)(933 K)時(shí)，鋁元素未發(fā)生燒損。這主要是由于當(dāng)溫度達(dá)到鎂元素熔點(diǎn)時(shí)，鎂元素蒸汽壓為365 Pa，而鋁元素蒸汽壓為4.45×10Pa，可見(jiàn)鎂元素蒸汽壓遠(yuǎn)大于鋁元素蒸汽壓，因此鎂元素在達(dá)到熔點(diǎn)后便發(fā)生燒損。

圖9 元素?zé)龘p速率與溫度之間的關(guān)系Fig.9 Relationships between element burning rate and temperature

由圖9可以看出當(dāng)溫度超過(guò)1 550 K時(shí)鋁元素開(kāi)始燒損，在溫度小于1 550 K時(shí)主要燒損元素為鎂元素；當(dāng)溫度高于1 550 K時(shí)鎂元素?zé)龘p速率接近直線形式增長(zhǎng)。因此根據(jù)鎂鋁元素?zé)龘p特點(diǎn)將鎂元素?zé)龘p速率分為3個(gè)區(qū)域，如圖10所示。

圖10 鎂元素?zé)龘p速率與溫度之間的關(guān)系模型Fig.10 Model of relationship between burning rate and temperature of magnesium element

當(dāng)溫度低于鎂熔點(diǎn)(924 K)時(shí)鎂元素不燒損，此區(qū)域?yàn)椴粺龘p區(qū)；當(dāng)溫度大于鎂元素熔點(diǎn)(924 K)而小于鋁元素的燒損點(diǎn)(1 550 K)時(shí)只有鎂元素?zé)龘p，且燒損速率相對(duì)較小，此區(qū)域?yàn)榈蜔龘p速率區(qū)；當(dāng)溫度高于1 550 K時(shí)，在成型過(guò)程中鎂元素和鋁元素同時(shí)燒損，且鎂元素?zé)龘p速率隨溫度升高趨近直線形式上升，故此區(qū)域定義為高燒損速率區(qū)。為有效降低燒損，將溫度控制在鎂元素低燒損速率區(qū)，即溫度既應(yīng)大于鎂元素的熔點(diǎn)從而保證良好的冶金結(jié)合，又要防止溫度過(guò)高引起過(guò)度燒損，故成型溫度應(yīng)控制在924～1 550 K。

1.3 工藝參數(shù)與燒損速率之間的關(guān)系模型

元素的燒損速率隨溫度的升高而增大，在掃描速度一定時(shí)，溫度隨激光功率的增加而升高；在激光功率一定時(shí)，溫度隨掃描速度的增加而降低。元素?zé)龘p速率與工藝參數(shù)之間是通過(guò)溫度相關(guān)聯(lián)的，因此通過(guò)溫度場(chǎng)模擬得出溫度與工藝參數(shù)的關(guān)系，進(jìn)而建立元素?zé)龘p速率與工藝參數(shù)之間的關(guān)系。

1.3.1 激光功率與燒損速率的關(guān)系

圖11 不同激光功率下鎂元素?zé)龘p速率Fig.11 Burning rates of magnesium element under different laser powers

圖11為掃描速度=400 mm/s時(shí)不同激光功率下鎂元素?zé)龘p速率變化規(guī)律，可看出當(dāng)掃描速度一定時(shí)，隨激光功率增加燒損速率呈指數(shù)形式增大。當(dāng)激光功率超過(guò)90 W時(shí)，熔池最高溫度已超過(guò)鎂元素熔點(diǎn)，隨著激光功率增大燒損速率增加更為顯著；當(dāng)激光功率超過(guò)100 W時(shí)，燒損速率已經(jīng)達(dá)到高燒損速率區(qū)，鋁元素和鎂元素同時(shí)發(fā)生燒損，因此在掃描速度為400 mm/s的條件下，為保證在成型過(guò)程中有效減少燒損，激光功率不應(yīng)超過(guò)100 W。

1.3.2 掃描速度與燒損速率的關(guān)系

圖12為激光功率=90 W時(shí)不同掃描速度下鎂元素?zé)龘p速率變化規(guī)律曲線，可看出當(dāng)激光功率一定時(shí)，隨掃描速度增大熔池溫度降低，元素?zé)龘p速率呈指數(shù)形式減小。當(dāng)掃描速度小于300 mm/s時(shí)，燒損速率隨掃描速度減小的變化趨勢(shì)較為劇烈(當(dāng)掃描速度為300 mm/s時(shí)鎂元素的燒損速率為17.97 g·cm·s，而當(dāng)掃描速度為100 mm/s時(shí)鎂元素?zé)龘p速率為52.96 g·cm·s)且此時(shí)燒損速率已達(dá)高燒損速率區(qū)，鋁元素和鎂元素同時(shí)發(fā)生燒損，而在較慢的掃描速度下成型會(huì)大幅延長(zhǎng)成型時(shí)間、增加成本，因此在激光功率為90 W時(shí)，為有效減少燒損掃描速度應(yīng)在300 mm/s以上。

圖12 不同掃描速度下鎂元素?zé)龘p速率Fig.12 Burning rates of magnesium element at different scanning speeds

1.3.3 燒損速率與工藝參數(shù)的關(guān)系

在高能量密度的激光光斑照射下，鎂合金粉層熔化形成高溫熔池，待熔體溫度達(dá)到熔點(diǎn)溫度后鎂合金蒸汽壓增長(zhǎng)，在蒸汽壓達(dá)到一定值時(shí)，合金粉末形成金屬蒸氣脫離熔池，合金元素?zé)龘p，同時(shí)又需要有足夠的激光能量保證鎂合金能熔化從而與周邊實(shí)體緊密結(jié)合，因此通過(guò)溫度與工藝參數(shù)之間的關(guān)系模型和溫度與元素?zé)龘p速率之間的關(guān)系模型建立工藝參數(shù)與燒損速率之間的關(guān)系模型能為有效減少燒損提供理論依據(jù)。為此對(duì)溫度場(chǎng)仿真得到的工藝參數(shù)窗口進(jìn)行鎂元素?zé)龘p速率計(jì)算，最終建立的三維模型如圖13所示?？煽闯鰭呙杷俣仍降?、激光功率越大，由于能量密度輸入過(guò)高，熔池溫度與合金熔點(diǎn)溫度之間的溫差較大，鎂元素蒸汽壓過(guò)大，燒損速率越大。當(dāng)激光功率大于90 W時(shí)，在掃描速度 100～500 mm/s范圍內(nèi)，鎂元素?zé)龘p速率均較大，均分布在高燒損速率區(qū)，在該范圍內(nèi)成型燒損加劇，煙塵量大，對(duì)成型質(zhì)量及機(jī)器長(zhǎng)時(shí)間工作產(chǎn)生較大影響；當(dāng)激光功率為90 W時(shí)，在掃描速度小于200 mm/s時(shí)，鎂元素?zé)龘p速率也相對(duì)較大。低激光功率、低掃描速度雖然也能有效降低燒損速率，但過(guò)慢的掃描速度會(huì)導(dǎo)致熱能量過(guò)大，容易出現(xiàn)燒結(jié)線結(jié)疤、少量圓形孔隙及材料碳化的現(xiàn)象，且延長(zhǎng)成型時(shí)間、降低制件效率、增加成本。因此綜合成型效率可看出在激光功率為70～90 W、掃描速度為300～500 mm/s區(qū)間內(nèi)鎂元素?zé)龘p速率相對(duì)較小，可有效減少燒損發(fā)生。

圖13 工藝參數(shù)與燒損速率關(guān)系模型Fig.13 Model of relationship between process parameters and burning rate

2 鎂合金SLM成型實(shí)驗(yàn)

成型實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備為雷尼紹AM250激光熔融快速成型機(jī)，根據(jù)模型分析結(jié)果分別對(duì)低燒損速率區(qū)及高燒損速率區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

圖14為SLM成型鎂合金過(guò)程Mg元素的宏觀燒損情況。由圖14(a)和圖14(c)可看出此時(shí)煙塵量較大，說(shuō)明該參數(shù)位于高燒損速率區(qū)，不利于長(zhǎng)時(shí)間成型；由圖14(b)和圖14(d)可看出此時(shí)煙塵量較小，說(shuō)明該參數(shù)位于低燒損速率區(qū)，能有效降低煙塵產(chǎn)生，減少M(fèi)g元素的燒損。采用能量色散X射線譜儀(EDS)對(duì)各成型試件進(jìn)行成分分析，得到鎂合金試件的能譜圖如圖15所示。

通過(guò)計(jì)算分析獲得試件微區(qū)成分中Mg、Al兩種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示。Al/Mg比例越大，表明試樣中Mg元素的相對(duì)含量越小，即Mg元素?zé)龘p加大。

定義鎂元素相對(duì)燒損率為

=(-)

(9)

式中：為鎂元質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為鎂元素剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由表3可看出=100, 110 W和=200 mm/s時(shí)，Mg元素相對(duì)燒損率明顯大于=85, 90 W和=400 mm/s時(shí)的相對(duì)燒損率，這與Mg元素?zé)龘p速率理論計(jì)算結(jié)果是一致的，同時(shí)也較好地驗(yàn)證了模型的正確性。

對(duì)使用圖14中參數(shù)成型的拉伸試樣進(jìn)行力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，所用鎂合金成型試件如圖16所示，所用設(shè)備為深圳三思縱橫科技有限公司的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為UTM8503，最大拉力為5 kN，最大拉伸速度為10 mm/min。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在高燒損速率區(qū)(=100, 110 W、=200 mm/s)成型的試樣抗拉強(qiáng)度分別為288.7 MPa和285.4 MPa，延伸率為6.01%和6.00%；而在低燒損速率區(qū)，激光功率為85 W、掃描速度為400 mm/s時(shí)試件的平均抗拉強(qiáng)度為324.1 MPa，延伸率為10.12%，較高燒損區(qū)域以=100 W、=200 mm/s成型試樣的抗拉強(qiáng)度提高了12.3%，延伸率提高了68.4%。通過(guò)模擬計(jì)算優(yōu)選出對(duì)其SLM成型的最佳參數(shù)，以此參數(shù)成型的鎂合金的力學(xué)性能得到提升，其主要原因包含以下兩點(diǎn)：首先溫度場(chǎng)模型能保證鎂合金粉末得到足夠的能量，燒結(jié)透徹從而與周邊實(shí)體結(jié)合緊密；其次元素?zé)龘p嚴(yán)重時(shí)，沉積在基體相應(yīng)區(qū)域的粉末被燒壞，在表面留下燒蝕坑，形成宏觀缺陷，通過(guò)在燒損關(guān)系模型所選低燒損速率區(qū)域成型，元素?zé)龘p有所減弱，獲得了沒(méi)有明顯宏觀缺陷的零件，從而提升了鎂合金SLM成型試樣的力學(xué)性能。

圖14 不同工藝參數(shù)下成型狀態(tài)Fig.14 Forming states with different process parameters

圖15 鎂合金成型試樣能譜圖Fig.15 Energy spectrum of formed magnesium alloy sample

表2 不同工藝參數(shù)下試樣成分

表3 不同工藝參數(shù)下Mg元素?zé)龘p程度

圖16 鎂合金SLM成型試樣Fig.16 Magnesium alloy SLM molding sample

3 結(jié) 論

1) 建立了元素?zé)龘p速率與工藝參數(shù)之間的關(guān)系模型，分析發(fā)現(xiàn)燒損速率與激光功率正相關(guān)，與掃描速度負(fù)相關(guān)，當(dāng)激光功率超過(guò)90 W或掃描速度較低時(shí)鎂元素?zé)龘p速率均較大。

2) 在考慮成型效率的前提下，通過(guò)模型分析發(fā)現(xiàn)在激光功率為70～90 W、掃描速度為300～500 mm/s時(shí)燒損速率較小。

3) 對(duì)燒損模型所選窗口進(jìn)行SLM成型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在此窗口下成型煙塵量明顯減少，可有效提高成型試樣的力學(xué)性能，且在激光功率為85 W、掃描速度為400 mm/s時(shí)，試件的平均抗拉強(qiáng)度為324.1 MPa，延伸率為10.12%。