摘要：本文在分析和實驗的基礎上，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)成形過程中的熔池球化特征、熔體流動特征，動態(tài)凝固組織特征，進一步探討燒結(jié)過程的基本規(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，過程，特征

自從快速成形技術(shù)誕生以來，金屬零件的快速制造就成為一個令人矚目的研究方向[1~3]。其中選區(qū)激光燒結(jié)（SelectiveLaserSintering，簡稱SLS）技術(shù)因可進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)過程的基本特征，進一步探討燒結(jié)過程的基本規(guī)律，使人們對采用大功率激光直接燒結(jié)金屬粉末成形金屬件有一個比較完整而清晰的認識。

1SLS的基本原理

SLS的基本原理如圖1所示，其工藝過程是通過分層切片軟件將CAD模型進行分割，形成若干個簿層平面。燒結(jié)成形時，首先用鋪粉裝置進行鋪粉，然后激光根據(jù)層面的幾何形狀有選擇地對材料進行掃描，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，工作臺下降一個切片厚度，重新鋪粉、燒結(jié)，重復這樣的過程，直到燒結(jié)出整個零件。2成形過程特征探討

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，也可以說取決于接觸物質(zhì)之間的界面張力。在三相交點上的液體質(zhì)點，設其受氣體質(zhì)點的作用力為f1；受液體質(zhì)點的作用力為f2；受固體質(zhì)點的作用力為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，界面張力將使液面縮為球狀，熔池形狀是球形。在這種條件下進行燒結(jié)成形，由于熔池在多個方向流動力偶的作用下，粘接周圍的粉末,并形成一個球形熔池。隨著激光移向下一個熔區(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。只有移動到一定距離以后，才有足夠的粉末材料被熔化，形成一個新的熔池，這樣重復形成一個個新的球體。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，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，難以形成單個球體。整個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熔體流動特征

在激光燒結(jié)成形過程中，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是一個與溫度和濃度無關(guān)的常數(shù)，它是純金屬在熔點時的表面張力值。顯然，當激光作用下的熔池表面存在溫度梯度或溶質(zhì)濃度時，勢必產(chǎn)生一個表面張力梯度?σ/?r，由此引起熔體的對流驅(qū)動力Fσ。表面張力驅(qū)動力為：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)表明熔體對流驅(qū)動力僅存在于熔池表面，它是一個表面力。

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，其表面溫度越低。相應地，對于金屬熔體，其表面張力場的分布規(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)生了強制對流的機制。在垂直掃描方向