覆膜不锈钢粉末选择性激光烧结成型机理研究Study on Selective L aser Sin tering M echan is m of Po lym er2coated Stain less Steel Pow der
白培康1,3，李明照2，方明伦3，程 军1
(1中北大学材料科学与工程系，太原030051;
2太原理工大学材料科学与工程学院，太原030012;
3上海大学机械与自动化学院，上海200436)
BA I Pei2kang1,3,L IM ing2zhao2,FAN G M ing2lun3,CH EN G Jun1
(1D ep artm en t of M aterials Science and Engineering,
N o rth U n iversity of Ch ina,T aiyuan030051,Ch ina;
2Schoo l of M aterials Science and Engineering,
T aiyuan U n iversity of T echno logy,T aiyuan030012,Ch ina;3Schoo l of M echan ical and A u tom ati on,Shanghai U n iversity,Shanghai200436,Ch ina)
摘要：制备了一种适合于选择性激光烧结快速成型技术的覆膜不锈钢(1C r18N i9T i)粉末材料，应用激光烧结快速成型机对自行开发的覆膜不锈钢粉末进行了烧结成型实验。应用微观分析方法研究了覆膜不锈钢粉末激光烧结成型动态过程，在此基础上建立了覆膜不锈钢粉末的激光烧结成型过程机理模型，当加热温度100℃<T<130℃时，粘性流动为主要的成型机理；当加热温度T>130℃时，可以用熔化 固化机理来描述。
关键词：覆膜不锈钢粉末；选择性激光烧结；快速成型；激光烧结成型机理
中图分类号:TN249;TQ174 文献标识码:A 文章编号:100124381(2005)0820028204
Abstract:A typ e of po lym er2coated stain less steel(1C r18N i9T i)pow der u sed in selective laser sin2 tering techno logy w as p repared1T he laser sin tering exp eri m en ts of po lym er2coated stain less pow der w ere conducted w ith selective laser sin tering m ach ine1T he m ethod of m icro scop ic analysis w as u sed to investigate the dynam ic laser sin tering p rocess of po lym er2coated stain less steel pow der1B ased on the study,the laser sin tering m echan is m m odels of po lym er2coated stain less pow der w ere con struc2 ted1It w as found that the viscou s flow m echan is m cou ld best describe sin tering p rocess w hen the laser sin tering tem p eratu re ranged from100℃to130℃,and m elting so lidificati on m echan is m w hen the tem p eratu re w as above130℃1
Key words:po lym er2coated stain less steel pow der;selective laser sin tering;rap id p ro to typ ing;laser sin tering m echan is m
选择性激光烧结(SL S,Selective L aser Sin tering)快速成型技术是近年来出现的高新技术，利用该项技术可以自动而迅速地从三维CAD模型直接制得形状复杂的金属零件或模具，其制造工艺过程包括：制备有机树脂包覆的金属粉末→激光烧结成型→后处理(脱脂、高温烧结或渗金属)。与传统的粉末冶金及机械加工等制造工艺相比，具有生产周期短，成本低的优势，并且可以灵活地改变设计方案，实现柔性生产。金属粉末的激光烧结成型技术已成为目前快速成型技术领域的研究热点[1,2]。
对粉末材料的选择性激光烧结成型机理的研究是SL S技术的基础性研究工作之一，目前研究多集中在有机粉末材料的激光烧结成型机理方面，比较一致的看法认为[3]，粘流是有机材料如热塑性树脂(聚碳酸脂、尼龙)粉末的主要烧结成型机理。对金属、陶瓷及其覆膜材料的成型机理研究较少，很少有比较成熟的机理模型来描述其激光烧结成型过程。本工作对覆膜不锈钢粉末的激光烧结成型机理进行了研究。
1 实验部分
111 实验条件
覆膜金属粉末由有机树脂包覆不锈钢颗粒制成，其化学成分见表1。制备工艺方法为:(1)用稀碳酸钠溶液清洗不锈钢粉末表面油脂，再用稀盐酸清洗表面
氧化物，最后用润湿剂进行表面处理;(2)将增滑剂、润湿分散剂、增脆剂以及不同熔点的有机树脂按一定比例在卤代烃中加热溶解制成包覆溶液;(3)将包覆溶液和表面处理后的金属粉按一定比例在双锥回转真空干燥机中混合、烘干、回收溶剂，然后进行冷冻粉碎，经筛分得到一定粒度分布的粉末，一般要求粒度为300目，即最大粒径不超过46Λm 。
表1 覆膜不锈钢粉末材料化学成分
T able 1 Compo siti on of po lym er 2coated stainless steel
Compo siti on M etal 1C r 18N i 9T i
Po lym er
W ax Co llo id Po lystyrene (PS )V o lum e fracti on
%72
12
13
3
112 研究方法
直接对粉末材料的激光烧结成型过程进行观察
比较困难，研究中采用了间接观察的方法。(1)利用精密熔点测定仪观察覆膜不锈钢粉末在不同加热温度下的颗粒形貌变化及互相润湿、连接情况，模拟粉末受热烧结的过程;(2)对覆膜不锈钢粉末进行激光烧结成型实验，通过调节激光束参数(激光功率、扫描速度等)来控制粉末的加热温度，加热温度利用图1所示测温系统测量;(3)将未烧结松散粉末、压实粉末及不同加热温度下的激光烧结试样用导电胶固定在扫描电镜载物圆台上，经喷金后制成电镜试样，利用扫描电镜观察其形貌特征
。
图1 温度测试系统示意图
F ig 11 Schem e of temperature m easuring system
2 粉末及烧结试样表面形貌观察
211 未烧结粉末形貌
在较低的放大倍数下观察未烧结粉末形貌，发现
其形状不太规则，以多角形为主，有部分次圆和少部分圆形及条状。颗粒度也不均匀，以尺寸为几十微米的大颗粒为主，大颗粒之间有较大孔隙，孔隙内填充了大量的尺寸为几微米以下的小颗粒，如图2所示。在较大放大倍数下观察，可以发现大颗粒是由许多小
颗粒通过有机树脂粘结而成的聚集体
。
图2 未烧结粉末微观形貌
F ig 12 M icrogragh of unsintered pow der
212 烧结试样微观形貌
图3为不同激光加热温度下的烧结试样表面微观形貌。由图3a 可以看出，当激光加热温度低于100℃时，颗粒表面无明显变化。当加热温度超过100℃时，颗粒表面有机树脂开始熔化，对颗粒进行润湿，在颗粒之间形成粘结桥，初步起到粘结颗粒的作
用。随着加热温度的进一步升高，有机树脂熔化程度提高，粘度下降，流动性变好，对金属颗粒的润湿性及包覆程度进一步增强。当加热温度超过130℃时，树脂的熔化程度明显增强(见图3b )，这是因为此时加热温度达到了有机树脂中另一组分热熔胶的熔点，促使其熔化，并与另一熔融组分(复合蜡)形成均匀连接相，提高了粘结强度。与此同时，大颗粒内部的有机树脂，也在对小金属颗粒或小金属颗粒聚集体进行浸润与连接，由于表面树脂的流失，大颗粒聚集体对内部小颗粒的约束作用变弱，其形状发生了变化，有点类似“散开的包袱”，如图3c 所示。
聚乙烯蜡的粘性系数(粘度)随温度变化关系可以用式(1)描述[4]:
Γ=Γ0exp [(E h k )(1 T -1 T 0)]
(1)
式中:T 为热力学温度;T 0为初始热力学温度;Γ0为温度T 0下的粘性系数;E h 为材料常数(热激活能);k 为玻尔兹曼(Bo ltz m ann )常数。
随温度的增加，粘度下降。从图3d 可以看出，随温度进一步提高，由于聚乙烯蜡粘度下降，流动性变好，几乎呈流动的液态，向颗粒间隙内渗透，提高了烧结密度。但聚乙烯蜡粘结强度较低，达不到烧结成型所需的金属颗粒间的连接要求；加热温度高，同时带来了烧结试样收缩量大，形状不易控制的缺点。加热温度太高，也会导致有机树脂的碳化、烧损，如图3e 所示，从而影响烧结强度。通常，最高激光加热温度以不超过200℃为宜。
图3 烧结试样表面微观形貌
F ig 13 M icrograph s of sintered samp le
(a )100℃<T <130℃;(b )T =130℃;(c )T =140℃;(d )T =160℃;(e )T =200℃
3 激光烧结成型机理模型的建立
国内外对金属粉末烧结的机理研究比较多，目前
认为主要有以下六种基本烧结机理，即粘性流动、塑性流动、蒸发与凝固、体积扩散、表面扩散及晶界扩散[5,6]。显然，上述几种成型机理并不适合描述覆膜金属粉末的激光烧结成型过程。本工作在分析覆膜金属粉末烧结成型动态过程实验结果的基础上，结合上述烧结成型机理的基本理论，提出了一种机理模型，它可以较好地解释覆膜不锈钢粉末在激光烧结成型过程中的物质迁移方式[7]。
(1)当加热温度超过100℃时，在烧结发生的初始阶段，大颗粒表面有机树脂完全熔化，而其内部树脂熔化量较少，呈半熔化态或因态，粘性流动(vis 2
cou s flow )机理占主导地位，其烧结初期机理模型如图4所示。
图4a 所示为烧结前覆膜金属颗粒的原始接触状态，类似于球形液态树脂的点接触，在表面张力的作用下，颗粒发生类似粘性液体的流动，颗粒从点接触发展到相互聚合，形成烧结颈逐渐长大，如图4b 所示。烧结颈的长大速率可以从弗仑克尔(F renkel )模
型导出:
x 2
a =23(ΧE h
)t (2)式中:x 为烧结颈半径;a 为颗粒半径;Χ为液态树脂的
表面张力;t 为时间。
由于表面张力的减小，驱动球形孔隙随烧结时间增加而减小，其减小速率可由式(3)计算
:
图4 烧结初期机理模型 (a )烧结前;(b )烧结颈形成;(c )烧结颈长大
F ig 14 Sintering m echanis m model at beginning stage
(a )stage befo re sintering ;(b )fo r m ati on of sintering neck ;(c )grow th of sintering neck
d r d t =-34
Χ Γ(3)
式中:r 为球隙孔径;Γ为树脂粘性系数。
由于激光与粉末材料作用的时间比较短，这一过程进行的程度极其有限或根本就没有进行，所以球形孔隙减小很有限，尺寸较大的覆膜金属颗粒之间仍存在较大间隙。
(2)随激光加热温度的提高(T >130℃)，大包覆颗粒内部树脂的熔化量增加，流动性变好，对大颗粒内部的小金属颗粒进行润湿并向大颗粒交界处间隙填充，这个阶段可以用熔化 固化(m elting so lidifi 2cati on )机理来描述。其机理模型如图5所示
。
图5 熔化 固化机理模型
F ig 15 M elting So lidificati on model
这时固相金属小颗粒被熔化的低熔点树脂润湿、
包覆、连接，固2液相混合体的粘性系数Γsl 见式(4): Γsl =Γl [1-(
<s <m
)]-2
(4)
式中:Γl 为液相树脂的粘性系数;<s 为固相的相对体积分数;<m 为临界体积分数。
(3)由于激光加热的特点，粉末材料内部与表层存在温度梯度，图6为实验测量的烧结粉末表层、表层下011mm 处及012mm 处的温度随时间变化曲线。测温的实验条件为：铺粉厚度为012mm ，激光功率为20W ，激光线束长度为30mm ，扫描速度为4mm s 。 从图6可以看出，材料内部与表面较高温度区(T >80℃)存在较大的温度梯度，当表层粉末充分熔化，进行熔化 固化烧结成形时，粉末下部颗粒
才刚好超过熔点，刚刚开始熔化，进行粘性流动机理主导作用下的烧结成形，所以粉末表层与内部的烧结成形过程及机理也是不一致的，要结合激光加热时间及加热温度具体分析。
4 结论
(1)
制备了一种适合于选择性激光烧结成型技术
图6 粉末激光加热温度曲线
F ig 16 L aser heating temperature of pow der
的覆膜不锈钢粉末材料，应用微观分析手段研究了覆膜不锈钢粉末激光烧结成型的机理，建立了其激光烧结成型机理模型。
(2)在烧结发生的初始阶段，当加热温度100℃<T <130℃时，粘性流动(viscou s flow )为主要的成型机理。
(3)当加热温度T >130℃时，熔化 固化(m elt 2ing so lidificati on )为主要的成型机理。
参考文献
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[R ]1武汉：华中科技大学,20021
基金项目：教育部重点科研资助项目(03022)；山西省青年科学基金资助项目(20041025)
收稿日期:2005201211；修订日期:2005204226
作者简介：白培康(1969—)，男，教授，博士后，研究领域为激光快速成型技术，联系地址：山西省太原市中北大学材料科学与工程系
(030051)。
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