付延英 翟賢超 印雪梅

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽 110015)

GH3625合金激光直接成形工藝

付延英 翟賢超 印雪梅

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽 110015)

文 摘 為了研究工藝參數(shù)對(duì)金屬激光直接成形零件質(zhì)量的影響，通過正交試驗(yàn)的方法對(duì)單道單層GH3625合金激光直接成形工藝進(jìn)行了研究，主要探究了激光功率、掃描速度、送粉速度等參數(shù)對(duì)單道單層成形截面寬度和高度的影響規(guī)律，提出預(yù)測(cè)模型并做了驗(yàn)證。結(jié)果表明，在單道單層成形中，激光功率、送粉速度、掃描速度等工藝參數(shù)對(duì)單道寬度和高度具有不同程度的影響，其中，對(duì)于單道成形寬度和高度來講，掃描速度對(duì)其影響最為明顯。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明借助Minitab軟件得到的線性回歸模型是有效的。

激光直接成形，GH3625合金，正交試驗(yàn)，工藝參數(shù)

0 引言

GH3625合金是以Mo、Nb為主要強(qiáng)化元素的固溶強(qiáng)化型鎳基高溫合金，它具有優(yōu)良的耐蝕性和抗氧化性以及良好的拉伸性能和疲勞性能，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件以及宇航結(jié)構(gòu)部件[1]。金屬激光直接成形技術(shù)(LMDM)是一種無需模具和刀具，直接把CAD模型轉(zhuǎn)化為復(fù)雜金屬零件的先進(jìn)制造技術(shù)[2]。該技術(shù)可直接制造出具有復(fù)雜外形和良好力學(xué)性能的全密度三維實(shí)體金屬零件，具有制造速度快、柔性好、生產(chǎn)周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車船舶、武器裝備、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[3]。

在金屬激光直接成形過程中，激光、金屬粉末及基板相互作用是一個(gè)較為復(fù)雜的物理過程，成形中的工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量起決定性作用[4]。單道單層成形作為其最小的成形制造單元，其特征尺寸的大小直接決定著零件的制造精度，所以研究工藝參數(shù)對(duì)單道單層成形截面尺寸的影響規(guī)律并獲得最佳工藝參數(shù)組合是提高金屬激光直接成形零件精度的基礎(chǔ)。本文對(duì)激光功率、掃描速度、送粉速度等參數(shù)對(duì)單道單層成形截面寬度和高度的影響規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出預(yù)測(cè)模型并做了驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)方法與過程

試驗(yàn)在金屬激光直接成形系統(tǒng)上進(jìn)行,如圖1所示。 基板材料為45#鋼，尺寸為75 mm×150 mm，試驗(yàn)前先將基板打磨拋光，以便去除表面氧化皮層并增加其表面光潔度，然后用丙酮對(duì)其做進(jìn)一步的清洗處理[5]。

粉末材料為GH3625合金球形粉末(表1)，粒徑為50～150 μm，試驗(yàn)前在120℃真空環(huán)境下進(jìn)行干燥處理，以除去粉末中的水分，增強(qiáng)粉末的流動(dòng)性及傳送時(shí)的均勻性。成形過程在基板冷卻系統(tǒng)上進(jìn)行，以保證基板內(nèi)的熱量及時(shí)散去。

圖2為單道單層截面示意圖，圖中w為單道單層成形截面寬度，h為單道單層成形截面高度。

激光直接成形過程中，為避免已成形的單道單層樣件對(duì)未成形樣件的熱影響，一方面控制兩單道間距≥15 mm，成形時(shí)間間隔≥5 min；另一方面，成形過程在基板冷卻系統(tǒng)上進(jìn)行，以保證基板內(nèi)的熱量及時(shí)散去。試驗(yàn)中涉及的工藝參數(shù)如表2所示。本文著重研究激光功率(LP)、掃描速度(SS)、送粉速度(PFR)對(duì)成形截面寬度和高度的影響。

表1 GH3625合金的化學(xué)成分

表2 單道單層成形主要工藝參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)各樣件進(jìn)行測(cè)量，為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，每個(gè)樣件取三處測(cè)量，計(jì)算其均值作為最終測(cè)量結(jié)果。測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 單道單層成形正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2 直觀分析2.2.1 均值及極差計(jì)算

K1LP=x1+x2+x3=2.54+2.20+1.65=6.39

(1)

K2LP=x4+x5+x6=3.07+2.56+2.14=7.77

(2)

K3LP=x7+x8+x9=3.25+2.81+2.58=8.64

(3)

(4)

(5)

(6)

極差：

(7)

表4 單道單層成形正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.2 均值分析

直觀起見，用影響因素作橫坐標(biāo)，結(jié)果的平均值作縱坐標(biāo)，繪制均值主效應(yīng)圖如圖3所示。接下來，結(jié)合圖3具體分析各工藝參數(shù)對(duì)單道成形寬度及高度的影響。

(a) 單道成形寬度

(1)激光功率對(duì)單道成形寬度的影響

單道成形寬度主要受熔池寬度的影響，較大的能量輸入能夠產(chǎn)生較寬的熔池，因此，激光功率的增大會(huì)帶來熔池寬度的增大，激光功率對(duì)單道成形寬度的影響為正相關(guān)關(guān)系。

(2)掃描速度對(duì)單道成形寬度的影響

金屬激光直接沉積增材制造中的線能量密度可以表示為E=LP/SS，其意義為單位時(shí)間單位長度上能量的大小。如前所述，能量輸入越大獲得的熔池寬度越大，單道成形寬度也就越大，而掃描速度與能量密度為負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，單道成形寬度隨著掃描速度的增大而減小。

(3)送粉速度對(duì)單道成形寬度的影響

可以看出，送粉速度對(duì)單道成形寬度的影響甚微，這是因?yàn)?，單道成形寬度主要受激光熔池寬度的制約，送粉速度對(duì)熔池寬度沒有顯著影響，因此送粉速度對(duì)單道成形寬度的影響作用最小。

(4)激光功率對(duì)單道成形高度的影響

成形高度隨激光功率的增大而增高，這是因?yàn)榧す夤β实脑龃髸?huì)造成熔池面積的增大，由此就會(huì)有更多的金屬粉末進(jìn)入到熔池里，這有利于提高單道成形高度；事實(shí)上，激光功率對(duì)單道成形高度的影響是雙重的[6]，當(dāng)激光功率過大時(shí)，會(huì)造成熔池深度的增大，而當(dāng)液態(tài)金屬所承受的表面張力無法與其重力相平衡的時(shí)候就會(huì)沿兩側(cè)向下流出，直到熔池變寬、變淺，以使二者達(dá)到新的平衡狀態(tài)，這樣會(huì)造成單道成形高度變小。

(5)掃描速度對(duì)單道成形高度的影響

掃描速度的增大導(dǎo)致單道成形高度隨之減小，這是由于隨著掃描速度的增大，單位時(shí)間內(nèi)能夠進(jìn)入熔池的金屬粉末數(shù)量會(huì)減少，因此必然會(huì)造成單道成形高度的減小。

(6)送粉速度對(duì)單道成形高度的影響

送粉速度對(duì)單道成形高度的影響恰恰與掃描速度對(duì)單道成形高度的影響相反，這是因?yàn)椋头鬯俣仍龃笾笙喈?dāng)于單位時(shí)間內(nèi)有更多的粉末進(jìn)入熔池，由此造成單道成形高度的增大。

2.2.3 極差分析

根據(jù)表4所列極差大小排出各工藝參數(shù)主次順序?yàn)椋?/p>

單道成形寬度w：SS LP PFR

單道成形高度h：SS PFR LP

通過極差分析可以看出，對(duì)單道成形寬度和高度來講，掃描速度對(duì)其影響最為明顯，因此在激光直接沉積增材制造中合理選擇掃描速度至關(guān)重要。

2.3 回歸分析

為便于預(yù)測(cè)不同工藝參數(shù)下金屬激光直接沉積增材制造中單道單層成形寬度和高度，借助Minitab軟件進(jìn)行各因素常系數(shù)的計(jì)算，得到線性回歸模型如下：

w=0.413+0.00187LP-0.207SS-0.0005PFR

(8)

h=0.083+0.00131LP-0.307SS+0.0322PFR

(9)

為了驗(yàn)證上述回歸模型的準(zhǔn)確性，按照表5所示參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果記錄在表中。

表5 線性回歸方程驗(yàn)證

驗(yàn)證結(jié)果顯示，單道成形寬度和高度預(yù)測(cè)值與測(cè)量值相對(duì)誤差分別為1.07%和5.82%，由于金屬激光直接沉積增材制造過程非常復(fù)雜，我們認(rèn)為誤差在8%以內(nèi)均可接受。因此，上述回歸方程是有效的。

3 結(jié)論

通過正交試驗(yàn)的方法就激光功率、掃描速度、送粉速度等參數(shù)對(duì)單道單層成形截面寬度和高度的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，得出以下主要結(jié)論。

(1)在單道單層成形中，激光功率、送粉速度、掃描速度等工藝參數(shù)對(duì)單道寬度和高度具有不同程度的影響，合理設(shè)定工藝參數(shù)對(duì)于成形質(zhì)量的提高意義重大。

(2)通過極差分析可以看出，對(duì)于單道成形寬度和高度來講，掃描速度對(duì)其影響最為明顯，因此在激光直接成形中合理選擇掃描速度至關(guān)重要。

(3)驗(yàn)證結(jié)果表明借助Minitab軟件得到的線性回歸模型是有效的。

[1] MATHEW M D, PARAMESWARAN P, BHANU Sankara Rao K. Microstructural changes in alloy 625 during high temperature creep [J].Materials Characterization, 2008, 59(5): 508-513.

[2] 楊小虎，張安峰，李滌塵，等. 激光金屬直接成形工藝參數(shù)對(duì)形貌自愈合能力的影響[J]. 中國激光，2011, 38(6): 0603023-1-0603023-7.

[3] 葛江波，張安峰，李滌塵，等. 激光金屬直接成形DZ125L高溫合金零件工藝的研究[J]. 中國激光，2011, 38(7): 0703004-1-0703004-7.

[4] 朱剛賢，張安峰，李滌塵，等. 激光金屬制造薄壁零件z軸單層行程模型[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2010, 31(8): 57-60.

[5] 來佑彬，劉偉軍，趙宇輝，等. TA15 粉末激光成形基板應(yīng)力影響因素的試驗(yàn)研究[J]. 稀有金屬材料與工程，2014, 43(7): 1605-1609.

[6] 黃衛(wèi)東. 激光立體成形[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2007.

Laser Metal Direct Manufacturing Process of GH3625 Alloy

FU Yanying ZHAI Xianchao YIN Xuemei

(AECC Shenyang Engine Research Institute，Shenyang 110042)

In order to study the influence of process parameters on the quality of laser metal direct forming parts, the direct forming process of single-track single-layer GH3625 alloy was studied by orthogonal test. The influence of laser power, scanning speed, powder feeding speed and other parameters on the width and height of single-track single-layer forming cross-section was mainly studied. The forecasting model was proposed and confirmed. The results show that the process parameters such as laser power, powder feeding speed, scanning speed and so on are different in influence on forming cross-section. Among them, the influence of scanning speed is the most obvious. The experimental results show that the linear regression model obtained by Minitab software is effective.

Laser metal direct manufacturing, GH3625 alloy, Orthogonal test, Process parameters

2016-10-14

付延英，1986年出生，碩士，工程師，主要研究方向壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail: yyfu86@163.com

TG146.2

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.02.009