供稿人：張益?zhèn)?、楊?qiáng) 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-05-26
激光定向能量沉積技術(shù)作為一種同軸送粉式金屬增材制造技術(shù),以其制造效率高、成形尺寸大等優(yōu)勢在航空、航天、交通等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，在制造過程中，需要一種保護(hù)性氣體來減少沉積材料的氧化以確保成形質(zhì)量，特別是在一些大型部件的制造中，要么保護(hù)氣體消耗量過高，要么處理時(shí)間長，這也為L-DED的制造提出了新的挑戰(zhàn)。Ruiz團(tuán)隊(duì)[1]開發(fā)了一種非對稱噴嘴，為一些易氧化材料產(chǎn)生局部保護(hù)氣體提出了一種更有效的方法。
圖1 不同噴嘴配置方案：(a)無保護(hù)性 (b)全保護(hù)性 (c)非對稱
連續(xù)同軸噴嘴是該研究團(tuán)隊(duì)參考之前的設(shè)計(jì)開發(fā)的，用于L-DED過程中注入非反應(yīng)性材料的粉末，如不同類型的鋼材、工具鋼、不銹鋼或鎳基合金。在這個(gè)初始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)為噴嘴添加了一個(gè)外錐，提供額外的同軸保護(hù)氣體流。這個(gè)額外的氣體供應(yīng)增加了在應(yīng)用于鈦合金等反應(yīng)性材料的制造時(shí)熔池周圍的保護(hù)區(qū)域，如圖1(b)。最后，如圖2(c)所示，他們設(shè)計(jì)了一個(gè)非對稱的外錐，帶有一個(gè)90°的槽，這個(gè)設(shè)計(jì)會阻斷額外保護(hù)氣體的流動(dòng)，通過這種方式，可以直接將保護(hù)氣體引導(dǎo)到材料沉積區(qū)域，提高了效率的同時(shí)還減少了保護(hù)氣體的消耗。
隨后該團(tuán)隊(duì)對非對稱配置的保護(hù)氣體對氧氣濃度的影響進(jìn)行了研究，并用此方法對Ti6Al4V合金進(jìn)行沉積，如圖3所示。結(jié)果表明樣品A(無保護(hù)性)呈現(xiàn)出棕色到淺銅色，甚至可以檢測到藍(lán)色區(qū)域，這種著色表明材料受到了較差的保護(hù)，另一方面，在樣品B(非對稱保護(hù))中，得益于通過非對稱保護(hù)噴嘴提供的額外保護(hù)氣體，結(jié)果明顯更好，表面得到了完全的保護(hù)，呈現(xiàn)出明亮的銀色，這說明表面氧化程度較低，材料質(zhì)量得到了更好的保證。
圖2 實(shí)驗(yàn)測試氧濃度方案示意圖
圖3 (a)使用非保護(hù)性噴嘴得到的樣品 (b)使用對稱保護(hù)噴嘴得到的樣品
確保了單層沉積的氧化質(zhì)量之后，該團(tuán)隊(duì)提出了利用非對稱保護(hù)噴嘴進(jìn)行多層樣品沉積。為此，他們沉積了一個(gè)30x30x10 mm3的樣品，并將該樣品進(jìn)行切割、金相制備，用Kroll試劑進(jìn)行蝕刻。結(jié)果如圖4所示，未檢測到金屬的氧化，并且觀察到編織網(wǎng)籃狀結(jié)構(gòu)。
圖4 (a) 截面的金相組織圖 (b) 微觀結(jié)構(gòu)圖 (c) 編織網(wǎng)籃狀結(jié)構(gòu)
該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的非對稱噴嘴的方法提高了定向能量沉積中易氧化材料的表面質(zhì)量，對其進(jìn)一步發(fā)展有著重要意義。