半导体激光熔覆Ni60粉末的熔覆层成形机理分析

（兰州理工大学有色金属先进加工与再利用省部共建国家重点实验室，甘肃兰州730050）

0 前言

近年来，机械行业对高性能结构件、快速原型制造的需求不断促进着先进激光加工制造技术如激光熔覆、选区激光熔化（SLM，selective laser melting）、金属3D打印的发展。在各种激光加工制造技术中，常见的加工原材料主要是金属粉末和丝材。其中，由于金属粉末具有流动性好、易于精确控制，方便添加合金元素等特点得到广泛应用。对于上述激光加工制造技术而言，控制最终成形是一个十分重要的问题。较为常见的成形问题有裂纹、气孔、球化不铺展等，这些问题将严重影响工件的使用。本研究以激光熔敷过程中粉末的熔化、汇聚、熔合、铺展为重点，研究分析熔覆层的成形机理。

激光束单道扫描粉末后，会形成近半圆柱形的熔化轨迹。然而在某些工艺参数下，液态金属无法铺展，有分裂成一排球面的倾向，称为“球化现象”[1]。解决球化不铺展问题的普遍方法是优化工艺参数或在金属粉末中添加微量的活性元素以降低熔融金属的表面张力来改善铺展[2]。Simchi A.等人分析了扫描间距对激光熔化纯铁粉成形的影响，发现毛细不稳定性是出现球化成形的主要原因，并且球化过程伴随着表面能的减少；减小扫描间距可以改善熔池的流动与凝固行为，使得前序焊道重熔增多以减少球化现象的产生[3]。Kruth J.P.等人研究了铁基复合粉末SLM成形过程中的球化行为，指出激光扫描得到的单道焊缝可以看作是半圆柱体，其长宽比越大、比表面积越大，不利于液态金属的铺展润湿，倾向于形成球形；此外，球化的产生还与基体表面氧化有关，通过高能量激光清除氧化膜可以净化固-液界面，也可以向粉末中添加脱氧剂（如磷铁）以降低表面张力[4]。周鑫等人研究了纯钨单层铺粉激光选区熔化/凝固行为，提出了熔滴铺展/凝固竞争模型来解释球化机制，认为熔滴的铺展过程受毛细力控制，凝固过程受温度梯度控制。纯钨熔滴的粘度和表面张力均较高，导致流动性不好且铺展过程漫长；钨较高的热导率和熔点又使得凝固过程十分迅速，来不及完成铺展便快速凝固球化。增强基体/粉末对激光能量的吸收有利于提高熔体温度、延长凝固时间，弱化球化倾向[5]。

以上研究大多通过表面张力理论来解释球化成形机制，笼统解释为液态金属的铺展由表面张力决定，依靠分析激光功率、扫描速度等工艺参数对成形状态的影响规律，建立工艺参数与成形尺寸的对应规则，并未详细解释成形机理。本研究采用高速摄像机记录激光熔化金属粉末的过程，对粉末熔化过程进行片段化处理，分析各阶段受力、受热以及热传导的变化，以解释各种成形的产生机理，对于针对金属粉末材料的各种激光加工制造技术的工艺参数改进以及精确控制成形都有参考意义。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

选用牌号Ni60的自熔性合金粉末作为熔覆材料，其化学成分如表1所示。将5 mm厚的304不锈钢板切割成40 mm×80 mm的小块作为基体材料，并采用机械打磨去除表面氧化皮，然后用丙酮去除油污，最后用吹风机烘干表面。

表1 Ni60自熔性合金粉末的化学成分%

1.2 试验方法

选择西安炬光科技股份有限公司生产的FLDLight3半导体激光器作为熔覆热源，最大功率为1.5 kW，波长 976±10 nm，光斑尺寸 1 mm×3 mm，焦距275 mm。利用奥林巴斯i-speed 3型高速摄像机高速摄像机以分辨率350×250、1 000帧/s记录粉末熔化过程。

为了便于观察粉末熔化、液态熔体铺展的动态过程，选择从侧面（即与激光光斑长度方向垂直）对准熔化区域拍摄，且摄像机镜头与水平面夹角尽可能小以便能直接从视频中观察到铺展情况。此外，在摄像机旁以同样方向布置北京纽比特科技有限公司生产的HSX-F300型氙灯作为辅助光源照亮整个熔化区域，以改善高帧率下画面亮度过低的情况。整个试验系统布置如图1所示。

图1 试验系统示意

2 试验结果分析

2.1 完整的粉末熔化、汇聚、熔合、铺展动态过程

粉末的汇聚、熔合、铺展是一个十分迅速的非常复杂的物理过程，需要对整个成形过程片段化分析。通过分析大量高速视频，可以归纳出一个完整的粉末熔化动态过程包括5个特征行为：①激光辐照在粉末上，粉末开始熔化；②先熔化出许多小球；③小球表面互相接触，直接熔合成稍大的几个球；④在稍大的几个球中，两侧的球向中心区域移动，熔合入中心的球，形成一个大的液态熔体，同时旁边仍不断熔化出新的小球，并不断熔入中心大球；⑤大的液态熔体随着周围小球的不断熔入而长大，最终呈现3种不同形式：a.熔融金属由始至终未能铺展，收缩成球形并凝固；b.熔融金属铺展，但凝固后接触角较大；c.熔融金属快速铺展，最终凝固后接触角较小。5个特征行为对应的高速摄像截图见图2。

图2 完整的粉末熔化、汇聚、熔合、铺展动态过程

2.2 各阶段受力、受热以及热传导形式分析

在仅有半导体激光作为热源的情况下，粉末熔化产生的液态熔体受到重力与表面张力作用。表面张力倾向于使液态熔体收缩成球体以获得最小表面积，达到最小表面能，阻碍液体铺展；重力降低液态熔体重心，倾向于使熔体铺展。

激光辐照在粉末材料上形成特征行为②所描述的体积很小的液态小球。此阶段处在熔化开始不久，熔化区域温度较低。由于液体的表面张力与温度成反比[6]，此时液态熔体的表面张力很大。重力无法克服表面张力，为降低表面能达到更稳定的状态，此时液态熔体会收缩成小球以减小表面积。固态时粉末颗粒间空隙很大，可近似看成点接触，热量传递效率较低。处于下方的粉末与基体由于被遮盖，只能靠上方粉末传热，吸热升温较慢。在液态熔体形成后，激光直接照射在液体表面，除了被反射散失的部分，热量直接被吸收，传热效率显著提高。处于下方的固体粉末与高温的液态熔体直接接触并熔入其中，使液态熔体不断长大。随着液态熔体体积的增大，它们的表面会互相接触。此时根据吉布斯自由能的能量最低原理，表面相互接触的液态小球会相互熔合以减小表面积，降低表面能，出现成形动态过程中的特征行为③。由于光斑中心熔化的粉末量较两侧更多，未熔化的粉末会形成一个碗状，两侧小球在重力作用下会向中心运动直接熔入中心的球，形成一个如特征行为④所描述的大的液态熔体。在粉末层较薄或激光功率较高的情况下，这个液态熔体很快就能接触到基体。在重力作用下，液态熔体开始在基体上铺展，液态熔体与基体的接触将由点接触变为面接触，使得基体温度快速升高，随之降低固-液界面的表面张力，进一步改善铺展。此外，较高的激光功率也使得整个区域温度达到更高水平，降低液-气界面表面张力，改善铺展，出现特征行为⑤B的情况。如果继续提高激光功率，液-气界面与固-液界面的表面张力都将继续降低，接触角也会进一步降低，即特征行为⑤C的情况。然而并非所有的工艺参数下出现特征行为④的液态熔体都能铺展。在预置粉末层较厚或是激光功率较小的情况下，由于粉末熔化量不大，整个液态熔体未能与基体接触，被旁边未熔化的粉末托举。此时重力不大而液-气界面表面张力较大，液态熔体将直接收缩成球形，也即特征行为⑤A所展示的情况。

2.3 各种特殊成形的分析

工件以某一速度移动（即激光以某一扫描速度熔化粉末），光斑不断向前方移动，前方粉末熔化形成液态熔体，后方液态熔体由于距离光斑越来越远，温度逐渐降低不断凝固，形成单道的熔覆层。不同热输入下，上述5个特征行为不一定都会出现，因此形成了不同参数下千差万别的单道熔覆层成形。

激光功率较小且粉末层较薄时，由于热输入小，粉末的熔化量不大，形成的小球体积均很小，所受重力不大。由于温度与表面张力呈负相关，较小的激光功率使得小球的表面张力极高。在极高的表面张力和较小的重力作用下，体积很小的小球无法互相接触，只能收缩成特征行为②中描述的球形。典型的球状成形如图3所示。

图3 100 W半导体激光以2 mm/s扫描0.5 mm厚的Ni60粉末得到的焊缝成形

如果只增加粉末层的厚度而不提高激光功率，则会得到一条小球互相连接而不铺展的焊缝。此时粉末的熔化量略有增加，小球之间得以接触，但由于表面张力仍很高，使其无法熔合形成特征行为④中所描述的大的液态熔体。典型的连结小球焊缝成形如图4所示。

图4 100 W半导体激光以2 mm/s扫描2 mm厚的Ni60粉末得到的焊缝成形

虽然实验中采用激光为矩形光斑的半导体激光器，但是在如图 5所示的台阶形热源分布下，光斑两侧将快速向外部散热，因此能量最集中的仍然是光斑中心，中心熔化的粉末量较两侧更多，形成一个碗状。两侧小球在重力作用下则会向中心移动，在接触到中心小球时，如果表面张力不是非常大，就会熔合以获得更小的表面积，达到更稳定的状态。因此为了使小球能够熔合，形成如特征行为④所描述的大的液态熔体，就需要提高激光功率。

如果激光功率提高的程度不大而粉末层又过厚，大的液态熔体随着周围的不断新熔化的小球的熔入长大，但始终无法接触到基板或近似认为与基板点接触。此时，液态熔体与基板之间热传导缓慢，因而表面张力仍较大，只能收缩成如特征行为⑤A所描述的球形，在一定扫描速度下，就会形成近似圆柱体的焊缝成形，如图6所示。

图5 半导体激光能量分布形式

图6 300 W半导体激光以2 mm/s扫描2 mm厚的Ni60粉末得到的焊缝成形

为了使特征行为④产生的大的液态熔体铺展，需继续提高激光功率。较高的激光功率提供足够的热输入，粉末熔化量、液态熔体的体积明显增大。较大的重力克服表面张力，使得液态熔体与基板的接触方式由点接触变为面接触，将极大提高热传导效率，液态熔体与基板之间的界面张力将降低，熔融金属开始铺展。典型的焊缝成形如图7所示。

图7 1 100 W半导体激光以2 mm/s扫描1 mm厚的Ni60粉末得到的焊缝成形以及横截面

由图7可知，其接触角仍然较大。为了获得理想的铺展，接触角小的焊缝需进一步提高激光功率。在极高的激光功率下，液态熔体与基板之间极快的热传导不但降低液态熔体与基板之间的界面张力，也大大降低了液态熔体自身的表面张力，进一步促进铺展，最终形成接触角极小的焊缝。铺展良好的熔覆层成形如图8所示。

图8 1 500 W半导体激光以2 mm/s扫描1 mm厚的Ni60粉末得到的焊缝成形以及横截面

3 结论

在激光熔覆过程中，熔化的粉末在基板上球化不铺展是常见的一种成形缺陷，严重影响熔覆层性能以及后续工序的进行。本试验通过高速摄像机记录粉末熔化过程，结合激光单道熔化粉末的各种特殊成形分析其成形机理，得出以下结论：

（1）熔融的液态金属在基板表面的铺展主要受表面张力、重力、周边介质（粉末厚度）的影响。其中，表面张力对铺展起阻碍作用，而重力则是促进铺展。完整的粉末熔化、汇聚、熔合、铺展动态过程包括5个特征行为。

（2）在单一激光热源作用下，粉末运动汇聚熔合的驱动力比较单一，只能依靠重力作用在下方粉末呈现倾斜的情况下向中间运动，运动汇聚熔合较为缓慢，需要依赖激光功率的提高来促进熔合汇聚过程的进行。

（3）增大粉末厚度阻碍了液态熔体通过下方未熔化粉末与基体的热传导，增大了液态熔体的表面张力，造成铺展逐渐变差。

[1]Simchi A，Petzoldt F，Pohl H.Direct metal laser sintering：Material considerations and mechanisms of particle bonding[J].International Journal of Powder Metallurgy，2001，37（2）：49-61.

[2]李瑞迪.金属粉末选择性激光熔化成形的关键基础问题研究[D].湖北：华中科技大学，2010.

[3]Simchi A，Pohl H.Effects of laser sintering processing parameters on the microstructure and densification of iron powder[J].Materials Science&Engineering A，2003，359（1-2）：119-128.

[4]Campanelli S L，Contuzzi N，Angelastro A，et al.Capabilities and Performances of the Selective Laser Melting Process[J].2010，206（7）：1221-1231.

[5]周鑫，刘伟.纯钨单层铺粉激光选区熔化/凝固行为[J].中国激光，2016，43（5）：71-77.

[6]Bernardin J D，Mudawar I，Walsh C B，et al.Contact angle temperature dependence for water droplets on practical aluminum surfaces[J].International Journal of Heat&Mass Transfer，1997，40（5）：1017-1033.