脈沖激光微燒結金屬粉末的關鍵技術研究.pdf

1、現(xiàn)代工業(yè)對微機電系統(tǒng)(MEMS)器件和微細零件需求越來越大，要求也越來越高，特別是對材料的多樣化，結構的復雜化和尺寸的微小化等方面。然而傳統(tǒng)的加工方法如半導體加工技術、LIGA工藝、超精密機械加工以及特種微細加工技術等越來越無法滿足上述要求。激光微燒結技術是“點--線--面--體”的加工過程，能夠無需模具，從三維CAD模型和粉末直接制造形狀復雜、高精度和高空間分辨率及高表面質量的三維微細零件，有望為復雜形狀和結構的微型零件提供一個新的制

2、造方法。本論文對激光微燒結技術的幾個關鍵技術問題進行了研究，獲得了一些有價值的結果。主要研究內(nèi)容和獲得的成果如下：
　　(1)搭建了實驗原型裝置，獲得了激光微燒結所需要的高峰值功率的納秒脈沖激光和微細聚焦光斑。采用Nd:YAG晶體和聲光調(diào)Q晶體獲得了納秒脈沖激光；采用平行平面腔和小孔光闌選模得到了高斯光束；采用開普勒望遠鏡對光束擴束準直后，再用焦距為80 mm的聚焦鏡聚焦得到了直徑大約Φ50～60μm的微細聚焦光斑。
　　(

3、2)建立了刮刀式鋪粉的力學模型，獲得了微細粉末微米級層厚的鋪置方法。通過對鋪粉過程中粉末和刮刀的受力分析得到了實現(xiàn)粉末鋪置的力學條件；分析了影響鋪粉質量的因素及其規(guī)律；根據(jù)微細粉末的特點，指出了微細粉末的鋪置條件，提出了“雙刮刀分步鋪粉”方法，最終實現(xiàn)了平均粒徑為2.36μm Ni粉的5μm粉層厚度的鋪置。
　　(3)對脈沖激光與微細金屬粉末相互作用的過程進行了研究。從理論上分析了納秒脈沖激光作用于單顆金屬粉末和粉層時的激光能量的

4、吸收和傳遞的過程，并與連續(xù)激光作用下的情況對比。結果表明：脈沖激光燒結由于所需功率較低、熱擴散深度較小導致熱影響區(qū)較小，使得成型零件的精度較高；脈沖激光作用下，熔池是周期性變化的，燒結表面粗糙度比連續(xù)激光燒結差，但這可以通過高脈沖頻率和低掃描速度的工藝得到有效改善。
　　(4)對脈沖激光作用下的飛濺種類和形成機制進行了理論和實驗分析。在理論計算推導輻射壓力、粉末顆粒間隙空氣膨脹力、氣化蒸氣反沖壓力、等離子體膨脹壓力等四種作用力的基

5、礎上，分析了各種飛濺產(chǎn)生的主要原因。研究結果表明：熔池飛濺主要是由氣化時的蒸氣反沖力對熔池的沖擊而產(chǎn)生，而粉末飛濺則主要由等離子體膨脹壓力對粉末的沖擊而產(chǎn)生。該理論分析結果也被實驗現(xiàn)象所證實。
　　(5)對脈沖激光微燒結Ni粉進行了實驗研究，獲得了激光峰值功率對成形質量的影響規(guī)律，提出了激光單脈沖平均功率密度的概念，并用該概念很好地歸納了脈沖激光微燒結過程中的實驗現(xiàn)象，最后通過大量實驗獲得了不同脈沖頻率下燒結的工藝窗口。研究結果表

6、明：激光單脈沖平均功率密度主要由激光的峰值功率決定，且隨掃描速度的變化不大。脈沖激光燒結時存在一最佳激光峰值功率，過高的峰值功率會引起嚴重的飛濺導致燒結無法實現(xiàn)，而過低的峰值功率則會產(chǎn)生球化現(xiàn)象，使得成形件密度不高。適當?shù)募す夥逯倒β士梢詫崿F(xiàn)良好燒結，且燒結時產(chǎn)生的氣化和弱等離子體對熔池有保護和壓實效果，能一定程度上減小球化。高頻脈沖激光燒結時工藝窗口較寬，工藝參數(shù)的選擇范圍更大。
　　(6)系統(tǒng)地實驗研究了工藝參數(shù)對燒結線寬和燒

7、結密度的影響。結果表明：較小的鋪粉厚度，較大的激光功率并匹配較大的掃描速度有利于獲得成形良好的窄細燒結線。得到了線寬為60～70μm且有較強強度的燒結線。減小鋪粉厚度有利于提高燒結致密度，但較低的激光功率和掃描間距都不利于獲得高致密度燒結件。定義了“體功率密度”的概念，并將此概念與激光燒結成型性能進行關聯(lián)，發(fā)現(xiàn)可采用體功率密度對工藝參數(shù)進行調(diào)控提高激光微燒結性能。最后本論文在室溫無氣體保護的條件下，采用粒度為2.36μm的Ni粉，得到了