汽車發(fā)動機(jī)連桿激光3D打印工藝分析汽車發(fā)動機(jī)連桿激光3D打印工藝分析 2017/06/28 激光與紅外2017年第5期摘要：為了研究汽車發(fā)動機(jī)連桿激光3-D打印制造工藝，采用連桿打印試驗(yàn)的方法，建立了連桿3-D數(shù)據(jù)模型，進(jìn)行分層切片處理，掃描S型掃描和輪廓偏移規(guī)劃兩種連桿加工路徑。選用鐵基合金粉末以及相應(yīng)的工藝參數(shù)，在激光3-D打印系統(tǒng)中進(jìn)行連桿打印試驗(yàn)，掃描單層軌跡用時(shí)4min30s4min56s，總用時(shí)4h20min。結(jié)果表明，連桿成形區(qū)底部的金相組織主要是柱狀晶和樹枝晶，中上部是細(xì)小的等軸晶，層間致密搭接，形成良好的冶金結(jié)合；成形連桿顯微硬度為450490HV，屈服強(qiáng)度為754MPa，抗拉強(qiáng)度為1189MPa，延伸率為9%。連桿激光3-D打印成形制坯相比于鍛造、粉鍛制造工藝，減少了工裝成本支出并縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備工時(shí)，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能超過鋼鍛連桿，與國外粉鍛連桿相比差別不大，能滿足連桿制坯要求。關(guān)鍵詞：激光技術(shù)；發(fā)動機(jī)連桿；3-D打?。还に囇芯?；試驗(yàn)引言連桿是活塞式內(nèi)燃機(jī)傳遞動力和轉(zhuǎn)換運(yùn)動的核心零件，連桿在工作中承受著氣體壓力、往復(fù)慣性力等大小、方向周期性變化的交變載荷，因此成形連桿的尺寸精度和機(jī)械性能要求極高。目前，國內(nèi)外大量使用的發(fā)動機(jī)連桿主要采用模鍛錘、熱模鍛壓力機(jī)、電液錘等設(shè)備模鍛成形，美國、德國和日本也有采用粉末鍛造工藝批量生產(chǎn)連桿并實(shí)現(xiàn)裝機(jī)1。然而，汽車行業(yè)競爭的日益激烈要求了汽車包括內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的快速升級換代，但由于連桿模鍛和粉鍛工藝中長達(dá)數(shù)月的模具研制周期以及模具使用的高損耗，都在一定程度上阻礙了內(nèi)燃機(jī)樣機(jī)的開發(fā)速度。激光3D打印技術(shù)是在基于快速原型技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合自動送粉、激光熔覆所發(fā)展起來的一種快速制造技術(shù)2，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（CAD-ComputerAidedDesign，CAD）設(shè)計(jì)模型采用材料逐層堆積的原理成形實(shí)體零件。與傳統(tǒng)模鍛、粉末鍛造工藝相比，激光3D打印具有的無模具、短周期以及快速響應(yīng)能力將更適于技術(shù)快速換代的多品種、變批量零件加工。激光3D打印直接成形金屬零件實(shí)現(xiàn)了形狀、尺寸接近或等同成品，能夠有效減少后續(xù)機(jī)械加工工序和加工量。目前國內(nèi)外眾多學(xué)者對變徑回轉(zhuǎn)體模型3-4、薄壁結(jié)構(gòu)模型5-6的激光3D打印成形工藝參數(shù)控制，以及采用不同粉末配方的激光熔覆層顯微組織和性能7-11進(jìn)行了大量的研究。在金屬零件激光直接快速成形方面，北京航空航天大學(xué)制造出了TA15、TC18、TC21等鈦合金材料的飛機(jī)大型整體主承力構(gòu)件以及A100等超高強(qiáng)度鋼飛機(jī)起落架關(guān)鍵構(gòu)件12，西安交通大學(xué)對激光熔化鎳基合金的沉積凝固過程進(jìn)行了長期研究，并制造出高尺寸精度和高表面質(zhì)量的空心葉輪樣件13。目前，金屬零件激光直接快速成形的研究主要集中于航天、航空、石油、船舶等現(xiàn)代化高端裝備的高性能大型金屬構(gòu)件的生產(chǎn)制造12。在汽車金屬零部件制造領(lǐng)域，激光3D打印技術(shù)應(yīng)用較少。本文選取汽車發(fā)動機(jī)連桿，建立了連桿激光3D打印數(shù)據(jù)模型，并采用該模型在激光3D打印系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)成形，并分析了3D打印成形連桿不同截面的微觀組織和顯微硬度分布。1連桿激光3D打印模型根據(jù)某普及型轎車發(fā)動機(jī)連桿設(shè)計(jì)參數(shù)，建立圖1（a）所示的三維模型并轉(zhuǎn)化為三角形網(wǎng)格（STereoLithography，STL）文件格式，利用三角形面片表征連桿實(shí)體模型表面輪廓，生成三角形面片單元776個(gè)，三角形頂點(diǎn)2328個(gè)。識別連桿模型特征截面及特征線進(jìn)行分層切片處理，確定模型內(nèi)外輪廓尺寸，補(bǔ)償激光3D打印系統(tǒng)采用的直徑1mm圓形激光光斑，連桿模型分層切片結(jié)果如圖1（b）所示。單一片層成形過程就是對內(nèi)外輪廓線包絡(luò)區(qū)域掃描填充的過程。根據(jù)連桿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用如圖2（a）所示的S型掃描和圖（b）所示的輪廓偏移掃描。S型掃描是采用等間距平行線往復(fù)掃描的方式填充輪廓內(nèi)部區(qū)域；輪廓偏移掃描是將單一片層內(nèi)外輪廓線向?qū)嶓w內(nèi)部等距偏移并逐段連接，從而形成填充線。激光3D打印模型的分層切片高度和填充路徑間距等參數(shù)是由連桿的設(shè)計(jì)尺寸（圖3）和3D打印系統(tǒng)工藝實(shí)驗(yàn)決定。連桿3D打印模型切片高度為0.3mm，單層等距掃描，規(guī)劃S型掃描和輪廓偏移掃描填充路徑如圖4所示。掃描路徑坐標(biāo)點(diǎn)不能直接輸入激光3D打印系統(tǒng)控制器執(zhí)行，將路徑代碼與激光功率、掃描速度、送粉速率等相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行組合后輸出控制文件。2連桿激光3D打印工藝試驗(yàn)2.1試驗(yàn)材料試驗(yàn)基體為尺寸300mm200mm20mm的板材，表面進(jìn)行打磨處理以減少激光反射，粉末選用JG-3型Fe基合金粉末。2.2試驗(yàn)設(shè)備主要作用是控制加工系統(tǒng)的運(yùn)動軌跡、激光功率、送粉速率以及監(jiān)控激光實(shí)際功率、冷卻水溫度等各項(xiàng)指標(biāo)；圖（c）為三軸式數(shù)控工作臺，采用廣州數(shù)控GSK980MDc加工設(shè)備，配以激光發(fā)射器、光外側(cè)向同軸送粉頭等裝置；圖（d）為YFL1000-CS大功率光纖激光器，激光束通過光學(xué)元件擴(kuò)束、聚焦，在加工表面形成直徑1mm的圓形光斑；圖（e）為載氣式送粉裝置，圖（f）為循環(huán)水冷裝置。2.3工藝參數(shù)連桿模型的加工軌跡規(guī)劃形成了兩種掃描路徑，S型掃描形成的填充線運(yùn)行軌跡簡單，但由于激光熔化金屬粉末快速凝固形成橢圓形熔道，片層內(nèi)單一方向熔道多次搭接會直接影響成形件的徑向力學(xué)性能，并且填充線方向相同會引起收縮方向應(yīng)力一致，導(dǎo)致表面翹曲程度增加，甚至在填充線方向突變處出現(xiàn)“結(jié)瘤”現(xiàn)象，從而影響成形件的成形精度和表面光滑度。輪廓偏移填充線的掃描方向不斷變化，成形區(qū)域內(nèi)應(yīng)力發(fā)散，能有效減小收縮率，而且成形件內(nèi)外表面輪廓線是一條完整的封閉曲線，以模型主要尺寸確定的內(nèi)外輪廓向成形件內(nèi)部等距偏置規(guī)劃填充路徑，能提高成形件的尺寸精度，減少后續(xù)加工余量。試驗(yàn)選取連桿輪廓偏移掃描路徑。試驗(yàn)表明，激光功率、送粉速率和掃描速度等工藝參數(shù)對熔池形貌以及性能有顯著影響14-15。多道搭接熔覆過程中，每道熔覆層相互影響，熔覆層及其整體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)相對復(fù)雜16。結(jié)合激光3D打印系統(tǒng)的單道熔覆實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)結(jié)論。2.4試驗(yàn)過程及結(jié)果按照確定的工藝方案，將加工路徑與工藝參數(shù)組合生成控制文件，輸入激光3D打印系統(tǒng)控制器。試驗(yàn)前對基板進(jìn)行預(yù)熱，減小初始打印過程中熔覆層與基板間的溫度梯度，完成對刀后啟動控制程序打印發(fā)動機(jī)連桿。圖6（a）（c）為激光3D打印連桿不同時(shí)刻的形貌，隨著加工過程的推進(jìn)，連桿片層不斷堆積，成形高度增大，整體三維結(jié)構(gòu)逐漸顯現(xiàn)。圖6（d）為激光3D打印連桿，激光掃描單層軌跡用時(shí)為4min30s4min56s，連桿毛坯模型總層數(shù)為50層，打印總用時(shí)4h20min。3成形連桿性能分析3.1試樣的選取制備連桿打印成形后，根據(jù)連桿不同工況下受力狀況的理論分析確定危險(xiǎn)截面，選取如圖7a所示的連桿大頭截面A-A、B-B、E-E，連桿桿身截面C-C、D-D，以及連桿小頭截面E-E制備試樣，采用電火花線切割切取表面積10mm10mm的試樣進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)與性能分析。選用粒度由小到大的金相砂紙進(jìn)行打磨，然后在金相研磨機(jī)上用拋光劑對試樣表面進(jìn)行拋光，采用HV-1000A顯微硬度計(jì)測試其維氏硬度，加載壓力500g，保持時(shí)間5s。拋光后的金相試樣用現(xiàn)配王水（鹽酸和硝酸按照3：1比例混合物）進(jìn)行金相腐蝕，然后立即用水沖洗、無水乙醇洗凈、吹風(fēng)機(jī)吹干，采用金相顯微鏡觀察試樣的微觀組織形貌。在桿身處制備室溫拉伸試樣（GB/T228.1-2010），取樣位置如圖7a所示，試樣標(biāo)距L0=8mm。用Reger電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸時(shí)加載變形速率為0.5mm/min。3.2試樣截面微觀組織及其成因激光3D打印過程熔池內(nèi)傳熱、傳質(zhì)情況復(fù)雜，同時(shí)還伴隨著組織相變的發(fā)生。圖7b為低倍鏡下連桿截面試樣的微觀形貌，可以看出，層內(nèi)、層間熔道相互致密搭接，形成良好的冶金結(jié)合。圖中部分區(qū)域存在少量氣孔，產(chǎn)生的原因主要是合金粉末在激光加工前氧化、受潮或者有的元素在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)，多道搭接過程的搭接率等工藝參數(shù)設(shè)置不合理也會導(dǎo)致孔洞的產(chǎn)生。為了提高成形連桿質(zhì)量，可以采取的工藝措施有優(yōu)化激光加工系統(tǒng)，設(shè)置保護(hù)氣氛，粉末輸送前烘干去濕。圖7c為連桿截面試樣底部的金相組織，可以看出靠近基體的底部組織為柱狀晶，且生長方向與基體結(jié)合面垂直。由金屬凝固理論可知，溫度梯度與凝固速率的比值G/R決定凝固組織的形貌17。連桿堆積初始基體材料溫度較低，熔池主要依靠基體傳導(dǎo)散熱，熔池與基體之間的界面結(jié)合處存在較大的正溫度梯度G，并且溫度梯度和主熱流方向主要沿沉積方向，即垂直于基體結(jié)合面，晶粒長大過程中，與主熱流方向偏差較大的晶粒被淘汰。圖7d為連桿截面試樣中部的金相組織，可以看出底層中部組織為垂直于基體結(jié)合面方向的樹枝晶，由于Fe基合金粉末熔化凝固過程中各種成分的凝固點(diǎn)不同，熔點(diǎn)高的溶質(zhì)元素先凝固，凝固過程伴隨著固液界面前沿溶質(zhì)的再分配，溶質(zhì)濃度發(fā)生變化導(dǎo)致金屬液體凝固溫度的改變，即成分過冷。隨著距固液界面的距離增大，溫度梯度G減小，成分過冷增大，在連桿截面中部形成樹枝晶組織。圖7e為連桿截面試樣中上部的金相組織，為細(xì)小的等軸晶。連桿多層堆積成形的部分已經(jīng)具有了較高的溫度，并且在連桿成形上部，熱量通過熱傳導(dǎo)、熱輻射以及空氣對流等多種方式散發(fā)，溫度梯度與凝固速率的比值G/R逐漸減小，成分過冷極大，在固液界面前沿生成許多沿各個(gè)方向生長的晶核，晶粒自由生長形成細(xì)小的等軸晶。由于成分及組織分布不均會在熔覆層內(nèi)部形成組織應(yīng)力和相變應(yīng)力，影響成形連桿質(zhì)量，在后續(xù)工序中會配套相應(yīng)的熱處理工藝，消除內(nèi)應(yīng)力。3.3力學(xué)性能對成形連桿不同截面試樣的分層高度方向上和單層軌跡內(nèi)取點(diǎn)測試了維氏硬度，以結(jié)合面中心為原點(diǎn)，沿縱向和橫向每間隔0.5mm選取有限個(gè)點(diǎn)，硬度分布曲線如圖8所示?？芍?，顯微硬度從結(jié)合區(qū)-連桿打印區(qū)呈梯度分布，結(jié)合區(qū)顯微硬度較低，F(xiàn)e基合金粉末中添加了大量Cr、Si等元素，激光加熱熔化合金粉末生成金屬化合物，進(jìn)入熔池迅速擴(kuò)散并凝固形成硬質(zhì)點(diǎn)，造成連桿打印區(qū)顯微硬度大幅度提高。連桿打印區(qū)的顯微硬度由低到高、再由高到低不斷變化，是由于在激光按照加工軌跡成形每一層時(shí)，使已經(jīng)凝固成形的上一層熔池發(fā)生部分重熔，相互間形成冶金結(jié)合，成形部分熱傳導(dǎo)使縱向上分別形成回火區(qū)和重熔區(qū)，顯微硬度逐漸降低。單層軌跡內(nèi)顯微硬度值變化不大、較為均勻，穩(wěn)定在450490HV。由于激光3D打印成形精度較高，其形狀、尺寸接近成形連桿，配套后續(xù)銑削、磨削等機(jī)械加工工序，提高連桿的幾何精度和表面質(zhì)量。目前，以超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金為基體的涂層刀具的銑削硬度可達(dá)510HV18，且成本較低，采用高速銑削工藝能夠?qū)す?D打印連桿進(jìn)行高效的后處理。室溫拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)e基粉末激光3D打印連桿的屈服強(qiáng)度為754MPa，抗拉強(qiáng)度為1189MPa，延伸率為9%。將獲得的激光3D打印連桿的硬度、拉伸性能與模鍛、粉鍛連桿的性能進(jìn)行比較，如表3所示。連桿模鍛工藝常用材料有調(diào)質(zhì)鋼40Cr、35CrMo，非調(diào)質(zhì)鋼36MnVS4、C70S619；粉鍛工藝通常采用3Cu5C、3Cu6C、3Cu7C等Fe-C-Cu系合金粉末20?？梢钥闯?，F(xiàn)e基合金粉末激光3D打印連桿的硬度稍高，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及延伸率與3Cu7C粉末鍛造連桿相當(dāng)。4結(jié)論（1）選用Fe基合金粉末、激光功率1000W、掃描速度1000mm/min、送粉速率15g/min的工藝參數(shù)，采用輪廓偏移掃描規(guī)劃的連桿加工路徑，在激光3D打印系統(tǒng)中進(jìn)行連桿激光3D打印試驗(yàn)，得到成形連桿，掃描單層軌跡用時(shí)4min30s4min56s，連桿激光3D打印成形總用時(shí)4h20min，相比于鍛造、粉鍛制造工藝，減少了模具制造成本和周期。（2）激光3D打印成形連桿層間致密搭接，形成良好的冶金結(jié)合。連桿成形區(qū)底部由于與基體存在較大的溫度梯度，金相組織主要是柱狀晶，隨著距固液相的距離逐漸變大，溫度梯度減小，成分過冷增大，中部形成樹枝晶組織，連桿成形上部晶粒自由生長成細(xì)小的等軸晶。（3）測試激光3D打印連桿各方向的顯微硬度，由于激光成形過程中熔池重熔的原因，顯微硬度在分層方向上出現(xiàn)規(guī)律性波動。對比激光3D打印連桿與傳統(tǒng)制造工藝成形連桿的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度高于鋼鍛連桿，與粉鍛連桿相差不大。結(jié)果表明，激光3D打印連桿經(jīng)過后續(xù)配套的銑削、磨削等機(jī)械加工工序后，提高成形連桿的幾何精度和表面質(zhì)量，能達(dá)到連桿制造的要求。