本文激光选区熔化成形所用设备为BLT-S300型激光选区熔化成形设备(见图2),设备装配一台YLR-500-WC型光纤激光器(光斑直径70 μm,波长1.07 mm,最大输出功率500 W),成形幅面为250 mm×250 mm。

实验所用06Cr19Ni10不锈钢粉末各元素质量分数检测结果如表1所示,粉末形貌及粒度分布如图3所示。粉末使用前,将粉末置于真空干燥箱内,进行110 ℃烘干处理,以除去粉末中吸附的水分,防止粉末在铺粉时产生团聚现象,影响铺粉质量。基板材质为不锈钢,成形前对基板表面喷砂毛化。激光选区熔化成形过程中使用纯度为99.999%的氩气作为保护气体,并且始终保证氧含量在0.05%以下。

图2 BLT-S300型激光选区熔化成形设备
Fig.2 Selective laser melting forming equipment of BLT-S300

表1 06Cr19Ni10不锈钢粉末各元素质量分数
Tab.1 Mass fraction for different element of 06Cr19Ni10 stainless steel powder 单位:%

图3 06Cr19Ni10不锈钢粉末形貌和粒度分布
Fig.3 Morphology and particle size distribution of06Cr19Ni10 stainless steel powder

以液体火箭发动机喷注器中的典型喷注孔径φ1.4 mm的小孔为研究对象,设计如图4所示的小孔模型单元,其成形角度(小孔轴线与成形平台夹角)分别为0°、30°、45°、60°、75°、90°。

小孔结构成形工艺参数如表2所示。成形后,沿各成形角度方向将小孔试样块均分为上下两部分。上部分小孔内表面为下表皮,采用下表皮的成形工艺参数; 下部分小孔内表面为上表皮,采用上表皮的成形工艺参数。

图4 不同成形角度小孔模型结构示意图
Fig.4 Schematic diagram of keyhole model in different forming angles

采用激光超景深显微镜观察小孔结构上下表皮的表面形貌并测量其对应的粗糙度,测量精度为0.3 μm,测量3次取平均值。

表2 小孔结构成形工艺参数
Tab.2 Small holes process parameters

随着成形角度的变化(0°～90°),小孔结构下表皮及上表皮的表面形貌呈现不同的变化趋势。不同成形角度下小孔宏观形貌见图5。小孔结构下表皮表面形貌如图6所示。当成形角度为0°～30°时,下表皮区域发生严重的挂渣塌陷现象,表面分布大量大尺寸的挂渣塌陷颗粒(φ200～300 μm); 当成形角度为30°～45°时,表面分布有少量大尺寸挂渣塌陷颗粒及大量小尺寸挂渣塌陷颗粒(φ100～120 μm); 当成形角度达到45°时,小孔结构下表皮的挂渣塌陷颗粒基本消失,分布有飞溅颗粒(φ100 μm)及半熔化金属粉末颗粒; 当角度进一步从45°增大到75°时,表皮分布的飞溅颗粒尺寸及数量进一步减小(70～80 μm); 当成形角度为75°～90°时,表面主要分布为半熔化金属粉末颗粒(φ20～40 μm),飞溅颗粒基本消失。

小孔结构上表皮呈现与下表皮不同的表面形貌,如图7所示。当成形角度为0°时,成形表面光滑,几乎没有黏附的颗粒物,可看到原始的扫描线痕迹^[15-16]; 随着成形角度的增加,小孔表面逐渐开始黏附未完全熔化的金属粉末颗粒,且成形角度越大,黏附的粉末颗粒物越多; 到75°时达到稳定。

图5 不同成形角度下小孔宏观形貌
Fig.5 Macro-morphology of small holes at different forming angles

图6 不同成形角度小孔下表皮表面粗糙度形貌
Fig.6 The morphologyof down-skin surface for small holes at different forming angles

图7 不同成形角度小孔上表皮表面粗糙度形貌
Fig.7 The morphologyof up-skin surface for small holes at different forming angles

小孔结构上、下表皮之所以呈现不同的表面形貌,且其随成形角度的增加,呈现不同的变化趋势,主要是因为SLM成形过程中,不同成形角度上、下表皮的位置及状态不同。对于下表皮,其悬垂结构的生长支撑为部分已成形实体和松装粉末,由于激光深穿透作用,在松装粉末上方的金属溶液在重力和毛细力作用下下垂,产生挂渣塌陷现象^[17]。

当角度为0°时,下表皮悬垂结构生长支撑完全为松装粉末,故挂渣塌陷最明显,所以表面形成大量挂渣塌陷颗粒物; 随着成形角度的增加,与粉末接触的悬垂结构的面积减小,金属溶液挂渣塌陷现象逐渐减弱直至消失; 当成形角度增加到45°时,已成形实体基本上可支撑熔融的金属熔池,故金属溶液挂渣塌陷现象基本消失,但其部分面积的熔池仍与粉末接触,熔池热量需通过粉末扩散,在室温条件下,金属粉末的有效热导率通常为0.1～0.2 W/mK,仅为实体热导率的1/100～1/1 000^[18],粉末与实体扩散速度的差异,使熔池易产生过热,导致金属液熔池失稳,形成飞溅颗粒黏附在表面,所以分布有大量飞溅颗粒物(φ100 μm); 当成形角度为75°～90°时,熔池下方基本上没有松装的金属粉末,熔池失稳现象消除,飞溅颗粒物消失,而由于激光热源的高斯分布特点,会使部分金属粉末处于半熔状态,附着于已凝固表面,故在表面形成未完全熔化的金属粉末颗粒(20～40 μm)。而对于上表皮,在成形过程中,其有上一层已成形的实体层作为其生长支撑点,熔池内金属溶液不会发生坍塌,也不会由于热量累积导致飞溅,故表面不会生成挂渣塌陷颗粒物和飞溅颗粒物,只分布有由于激光高斯分布而产生的未完全熔化金属粉末。上表皮粉末逐渐恶化主要是因为随着成形角度的增大,表面与周围粉末接触的面积增大,成形过程中熔池及热影响区覆盖的区域增大,故而粉末黏附逐渐恶化。

表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和峰谷不平度^[19],是表征表面质量的重要技术指标。表3为不同成形角度下,小孔结构上、下表皮的表面粗糙度测量值,图8为其变化规律。

从表3和图8中可以看出,上、下表皮粗糙度随角度的变化呈现不同的变化规律。随着成形角度的增加,下表皮的表面粗糙度逐渐降低,到75°时趋于稳定; 上表皮的表面粗糙度逐渐上升,在75°时也趋于稳定。且成形角度在0°～90°范围内,小孔结构上表皮的粗糙度均小于下表皮。

表3 不同成形角度下小孔的表面粗糙度
Tab.3 The surface roughness of keyhole at different forming angles

图8 小孔表面粗糙度随成形角度变化关系
Fig.8 The relation between the surface roughness and the forming angle of keyhole

由此可见,表面形貌的变化对表面粗糙度有较大影响,而表面形貌的变化主要受成形角度的影响。为在SLM成形中获得上、下表皮表面质量均良好的小孔结构,应充分考虑小孔的空间位置摆放,调整小孔的成形角度,使其在75°～90°范围内尽量减小甚至避免大尺寸挂渣塌陷颗粒、小尺寸挂渣塌陷颗粒及飞溅颗粒物等形貌。

精密化学抛光是将零件置于一定的化学溶液中,在特定条件下,对零件基体材料进行腐蚀,达到提高零件表面粗糙度的工艺方法。该工艺具有铣切量均匀、易于控制的特点,特别适用于尺寸精度高、形状复杂的增材制造零件的精密微量铣切。本节以毛细结构这一典型特征结构单元为例,采用精密化学抛光研究化学溶液压力、工艺装备、抛光工艺参数对毛细结构尺寸精度和表面质量的影响。

2.3.1 化铣溶液交换均匀性控制分析

当毛细结构孔径较小时,受结构及溶液流动阻力的影响,毛细结构流道内溶液交换作用弱,化铣一定时间后,化学溶液的浓度出现降低,且各部分存在浓度差,进而会导致化铣抛光不到位或不均匀。为保证整个化铣过程中溶液在毛细结构内均匀流动,消除溶液温差及浓差极化的影响,确保抛光均匀性,需设计循环流动专用化铣工装及设置合适的压力。

本节所用化学抛光溶液为盐酸、硝酸、氢氟酸等混合溶液,比例为4:3:1,化铣溶液交换均匀性试验设置了0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm 这4种孔径,60°、45°、30°这3种成形方向的毛细结构试验件,为保证一定数量子样,确保研究的可靠性,每种方向相同孔径的毛细结构各3个,采用激光选区熔化成形制造,试验件模型示意图见图9。

图9 毛细结构试验件
Fig.9 Capillary structure test piece

基于毛细结构试验件结构特征,设计引流板状工装(工装中央区域开2 mm的横槽、直径10 mm的孔及4个直径5 mm的螺纹孔,通过螺栓将试验件与产品相连,通过管将电动泵与工装相连)。泵的输出压力是影响毛细结构试验件化铣效果的关键参数。当入口压力较小时,化铣溶液不能有效填充毛细结构内流道,导致溶液无法均匀流出,而入口压力过大时,溶液流道速度过快,影响化学溶液与试验件表面的化学反应效果。为研究溶液压力对毛细结构试验件化铣效果的影响规律,设置了0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa 这4种不同入口压力,对毛细结构试验件进行化铣,观察化铣溶液流道效果、化铣后的表面质量并测量分析化铣后孔径变化。

图 10为不同压力下化铣溶液的流动效果图。从图 10中可以看出,0.1 MPa、0.2 MPa压力下,部分毛细结构位置未看到流动溶液; 0.3 MPa、0.4 MPa压力下,全部毛细结构都可看到均匀流动的化铣溶液。这表明0.1 MPa、0.2 MPa压力较小,难以实现化铣溶液的均匀流动; 0.3 MPa、0.4 MPa压力可实现化铣溶液的均匀流动。

图 10 不同压力下试验件化铣溶液流动效果
Fig.10 Flow effect of chemical wash solution for test piece under different pressures

为确定0.3 MPa、0.4 MPa压力下的化铣效果,采用塞棒测量毛细结构试验件中0.9 mm孔的孔径,孔径去除量见表4。测量完成后进行剖切,采用电镜观察化铣表面,见图 11～图 12。从表4及图 11～图 12中可看出,相较0.4 MPa压力,0.3 MPa压力下的毛细结构化铣去除量较大,且表面质量高。在0.3 MPa压力下,化铣溶液的流量测量结果为1.5～2.2 g/s; 0.4 MPa压力下,溶液流道速度过快(流量>2.5 g/s),影响了溶液与毛细结构内表面的化学反应。

表4 不同压力下毛细结构化铣去除量
Tab.4 Removal of capillary structured milling under different inlet pressure

图 11 0.3 MPa入口压力下化铣后流道4处位置表面形貌
Fig.11 Surface morphology of flow channel in four position when the inlet pressure is 0.3 MPa

图 12 0.4 MPa入口压力下化铣后流道4处位置表面形貌
Fig.12 Surface morphology of flow channel in four position when the inlet pressure is 0.4 MPa

基于上述分析可知,通过设计导流工装及入口压力工艺试验,获得了0.6～0.9 mm范围内不同构型毛细管的最优溶液流速工艺参数。

2.3.2 化铣工艺参数分析

在最优流速工艺参数基础上,本节研究不同化铣时间对毛细结构表面的影响规律。图 13、图 14分别为不同化铣时间下毛细结构特征形貌图及表面三维图。从图 13中可以看出,化铣时间由1 min增加至4 min,结构表面粗糙度逐渐改善; 当化铣时间为4 min时,结构表面质量最好; 而随着化铣时间进一步增加,圆孔孔径大于理论模型值,对尺寸精度产生了较大影响。通过表5可得,当化铣时间为4 min时,圆孔直径尺寸误差绝对值最小,表面粗糙度也得到了明显改善。

图 13 不同化铣时间下圆孔结构特征形貌图
Fig.13 Morphological map of circular hole structure features under different chemical milling time

图 14 不同化铣时间下圆孔表面三维图
Fig.14 Three-dimensional image of circular hole surface under different chemical milling time

表5 化铣时间与圆孔孔径误差、表面粗糙度的关系
Tab.5 Relationship between chemical milling time, aperture error and surface roughness of circular hole

2.4 液流试验验证

基于前文中对异形毛细结构表面质量以及表面光整技术的研究,采用激光选区熔化成形技术完成了异形毛细喷注器的一体化制备,并进行了液流试验(见图 15),目标值为流量100 g/s时,压降为(0.20±0.04)MPa。

图 15 SLM成形异形喷注器液流试验图
Fig.15 Test chart of liquid flow for special-shaped spray injector made by SLM

通过液流试验数据(见表6)可得,当孔径为0.9 mm时,激光选区熔化成形毛细结构喷注器液流压降及均匀性均符合使用要求。

表6 不同模型孔径下喷注器液流实测值
Tab.6 Measurement of liquid flow in injector under different model apertures