摘要：本文在分析和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地闡述了大功率激光直接燒結(jié)金屬粉末成形金屬件的一些基本特征。這主要包括在激光燒結(jié)成形過(guò)程中的熔池球化特征、熔體流動(dòng)特征，動(dòng)態(tài)凝固組織特征，進(jìn)一步探討燒結(jié)過(guò)程的基本規(guī)律，為金屬粉末的直接激光燒結(jié)成形提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞：激光選區(qū)燒結(jié)，金屬粉末，過(guò)程，特征

自從快速成形技術(shù)誕生以來(lái)，金屬零件的快速制造就成為一個(gè)令人矚目的研究方向[1~3]。其中選區(qū)激光燒結(jié)（SelectiveLaserSintering，簡(jiǎn)稱SLS）技術(shù)因可進(jìn)行金屬零件的快速制造而倍受關(guān)注。到目前為止，人們的研究主要集中在高低熔點(diǎn)二種金屬粉末混合或在金屬粉末中混合某種粘結(jié)劑，用較小的激光功率燒結(jié)成形金屬零件[4~5]，而對(duì)用大功率激光直接燒結(jié)金屬粉末成形金屬件研究較少。本文是在以前研究工作的基礎(chǔ)上[6~7]，從分析燒結(jié)現(xiàn)象入手，弄清金屬粉末激光直接燒結(jié)過(guò)程的基本特征，進(jìn)一步探討燒結(jié)過(guò)程的基本規(guī)律，使人們對(duì)采用大功率激光直接燒結(jié)金屬粉末成形金屬件有一個(gè)比較完整而清晰的認(rèn)識(shí)。

1SLS的基本原理

SLS的基本原理如圖1所示，其工藝過(guò)程是通過(guò)分層切片軟件將CAD模型進(jìn)行分割，形成若干個(gè)簿層平面。燒結(jié)成形時(shí)，首先用鋪粉裝置進(jìn)行鋪粉，然后激光根據(jù)層面的幾何形狀有選擇地對(duì)材料進(jìn)行掃描，使粉末熔化，并粘結(jié)在下層材料上，而未被激光掃描燒結(jié)的粉末則作為零件的支撐體。在完成一層燒結(jié)后，工作臺(tái)下降一個(gè)切片厚度，重新鋪粉、燒結(jié)，重復(fù)這樣的過(guò)程，直到燒結(jié)出整個(gè)零件。2成形過(guò)程特征探討

2.1熔池球化特征

金屬粉末熔化后形成的熔池形狀取決于三種不同物質(zhì)的氣、液、固三相接觸的情況，也可以說(shuō)取決于接觸物質(zhì)之間的界面張力。在三相交點(diǎn)上的液體質(zhì)點(diǎn)，設(shè)其受氣體質(zhì)點(diǎn)的作用力為f1；受液體質(zhì)點(diǎn)的作用力為f2；受固體質(zhì)點(diǎn)的作用力為f3。f1、f2、f3分別指向氣、液、固三相的內(nèi)部，如圖2所示。f1、f2、f3合力的大小、方向取決于熔池所處的位置。在粉末上的熔池，由于粉末是松散的，顆粒之間存在間隙，它們的結(jié)合力較小，使得f1、f2、f3總的合力F指向液體內(nèi)部，如圖2(a)所示，液面與固－液體界面的夾角為鈍角，此時(shí)，界面張力將使液面縮為球狀，熔池形狀是球形。在這種條件下進(jìn)行燒結(jié)成形，由于熔池在多個(gè)方向流動(dòng)力偶的作用下，粘接周圍的粉末,并形成一個(gè)球形熔池。隨著激光移向下一個(gè)熔區(qū)，使得已粘接周圍粉末的熔池冷卻和凝固加快。如果激光作用下的下一熔區(qū)沒(méi)有足夠的粉末材料（因這里的粉末已被前一熔區(qū)粘接走），則不能形成新的熔池。只有移動(dòng)到一定距離以后，才有足夠的粉末材料被熔化，形成一個(gè)新的熔池，這樣重復(fù)形成一個(gè)個(gè)新的球體。因此燒結(jié)線是由一串圓球組成。在基體部分的熔池，由于固體質(zhì)點(diǎn)的作用力f3較大，使得f1、f2、f3總的合力F?指向固體，如圖2(b)所示，液面與固－液體界面的夾角為銳角，界面張力將使液面沿著固體表面張開(kāi)，熔池的形狀在垂直掃描方向上是以扇形形狀出現(xiàn)，而在沿著掃描方向上熔池是連續(xù)的，難以形成單個(gè)球體。整個(gè)熔池形狀是由基體熔化深度所決定的，基體熔化深度越大，熔池的橢圓度越大，越有利于燒結(jié)成形。2.2熔體流動(dòng)特征

在激光燒結(jié)成形過(guò)程中，作用在金屬熔池內(nèi)的流體單元上的力主要是體積力和表面力。其體積力主要是熔池內(nèi)的溫度差(?Τ)和濃度差(?C)所引起的浮力，而表面力主要是熔池表面的溫度差(?Τ)和濃度差(?C)所引起的表面張力差，由于燒結(jié)成形采用的小光斑（d=1mm），熔池中的表面張力占主要作用，在這種情況下，可忽略體積力的作用。

表面張力受熔池表面的溫度變化及溶質(zhì)濃度變化的影響[8]。式中：σ0是一個(gè)與溫度和濃度無(wú)關(guān)的常數(shù)，它是純金屬在熔點(diǎn)時(shí)的表面張力值。顯然，當(dāng)激光作用下的熔池表面存在溫度梯度或溶質(zhì)濃度時(shí)，勢(shì)必產(chǎn)生一個(gè)表面張力梯度?σ/?r，由此引起熔體的對(duì)流驅(qū)動(dòng)力Fσ。表面張力驅(qū)動(dòng)力為：式中：(?σ/?T)*?T為溫度梯度引起表面張力差；(?σ/?c)*?T為濃度梯度引起表面張力差；δ(z)為δ-函數(shù)；H(d?r)為Heaviside函數(shù)。δ-函數(shù)和Heaviside函數(shù)表明熔體對(duì)流驅(qū)動(dòng)力僅存在于熔池表面，它是一個(gè)表面力。

在激光束的作用下，靠近能束光斑中心附近，其熔體的表面溫度最高，而偏離中心區(qū)域越遠(yuǎn)，其表面溫度越低。相應(yīng)地，對(duì)于金屬熔體，其表面張力場(chǎng)的分布規(guī)律為熔池中心表面附近的表面張力值最低，而熔池邊緣附近的表面張力值最高。這樣在熔池中就產(chǎn)生了強(qiáng)制對(duì)流的機(jī)制。在垂直掃描方向