金屬粉末雷射選區燒結過程的特徵探討是系統地闡述了大功率雷射直接燒結金屬粉末成形金屬件的一些基本特徵。這主要包括在雷射燒結成形過程中的熔池球化特徵、熔體流動特徵，動態凝固組織特徵，進一步探討燒結過程的基本規律，為金屬粉末的直接雷射燒結成形提供了依據。
摘要：本文在分析和實驗的基礎上，系統地闡述了大功率雷射直接燒結金屬粉末成形金屬件的一些基本特徵。這主要包括在雷射燒結成形過程中的熔池球化特徵、熔體流動特徵，動態凝固組織特徵，進一步探討燒結過程的基本規律，為金屬粉末的直接雷射燒結成形提供了依據。
關鍵字：雷射選區燒結，金屬粉末，過程，特徵
自從快速成形技術誕生以來，金屬零件的快速製造就成為一個令人矚目的研究方向[1~3]。其中選區雷射燒結（SelectiveLaserSintering，簡稱SLS）技術因可進行金屬零件的快速製造而倍受關注。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劑，用較小的雷射功率燒結成形金屬零件[4~5]，而對用大功率雷射直接燒結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]，從分析燒結現象入手，弄清金屬粉末雷射直接燒結過程的基本特徵，進一步探討燒結過程的基本規律，使人們對採用大功率雷射直接燒結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體將CAD模型進行分割，形成若干個簿層平面。燒結成形時，首先用鋪粉裝置進行鋪粉，然後雷射根據層面的幾何形狀有選擇地對材料進行掃描，使粉末熔化，並粘結在下層材料上，而未被雷射掃描燒結的粉末則作為零件的支撐體。在完成一層燒結後，工作檯下降一個切片厚度，重新鋪粉、燒結，重複這樣的過程，直到燒結出整個零件。2成形過程特徵探討
2.1熔池球化特徵
金屬粉末熔化後形成的熔池形狀取決於三種不同物質的氣、液、固三相接觸的情況，也可以說取決於接觸物質之間的界面張力。在三相交點上的液體質點，設其受氣體質點的作用力為f1；受液體質點的作用力為f2；受固體質點的作用力為f3。f1、f2、f3分別指向氣、液、固三相的內部，如圖2所示。f1、f2、f3合力的大小、方向取決於熔池所處的位置。在粉末上的熔池，由於粉末是鬆散的，顆粒之間存在間隙，它們的結合力較小，使得f1、f2、f3總的合力F指向液體內部，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成形，由於熔池在多個方向流動力偶的作用下，粘接周圍的粉末,並形成一個球形熔池。隨著雷射移向下一個熔區，使得已粘接周圍粉末的熔池冷卻和凝固加快。如果雷射作用下的下一熔區沒有足夠的粉末材料（因這裡的粉末已被前一熔區粘接走），則不能形成新的熔池。只有移動到一定距離以後，才有足夠的粉末材料被熔化，形成一個新的熔池，這樣重複形成一個個新的球體。因此燒結線是由一串圓球組成。在基體部分的熔池，由於固體質點的作用力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，而在沿著掃描方向上熔池是連續的，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，越有利於燒結成形。2.2熔體流動特徵
在雷射燒結成形過程中，作用在金屬熔池內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，由於燒結成形採用的小光斑（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濃度變化的影響。式中：σ0是一個與溫度和濃度無關的常數，它是純金屬在熔點時的表面張力值。顯然，當雷射作用下的熔池表面存在溫度梯度或溶質濃度時，勢必產生一個表面張力梯度?σ/?r，由此引起熔體的對流驅動力Fσ。表面張力驅動力為：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-函式；H(d?r)為Heaviside函式。δ-函式和Heaviside函式表明熔體對流驅動力僅存在於熔池表面，它是一個表面力。
在雷射束的作用下，靠近能束光斑中心附近，其熔體的表面溫度最高，而偏離中心區域越遠，其表面溫度越低。相應地，對於金屬熔體，其表面張力場的分布規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。這樣在熔池中就產生了強制對流的機制。在垂直掃描方向
關鍵字：雷射選區燒結，金屬粉末，過程，特徵
自從快速成形技術誕生以來，金屬零件的快速製造就成為一個令人矚目的研究方向[1~3]。其中選區雷射燒結（SelectiveLaserSintering，簡稱SLS）技術因可進行金屬零件的快速製造而倍受關注。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劑，用較小的雷射功率燒結成形金屬零件[4~5]，而對用大功率雷射直接燒結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]，從分析燒結現象入手，弄清金屬粉末雷射直接燒結過程的基本特徵，進一步探討燒結過程的基本規律，使人們對採用大功率雷射直接燒結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體將CAD模型進行分割，形成若干個簿層平面。燒結成形時，首先用鋪粉裝置進行鋪粉，然後雷射根據層面的幾何形狀有選擇地對材料進行掃描，使粉末熔化，並粘結在下層材料上，而未被雷射掃描燒結的粉末則作為零件的支撐體。在完成一層燒結後，工作檯下降一個切片厚度，重新鋪粉、燒結，重複這樣的過程，直到燒結出整個零件。2成形過程特徵探討
2.1熔池球化特徵
金屬粉末熔化後形成的熔池形狀取決於三種不同物質的氣、液、固三相接觸的情況，也可以說取決於接觸物質之間的界面張力。在三相交點上的液體質點，設其受氣體質點的作用力為f1；受液體質點的作用力為f2；受固體質點的作用力為f3。f1、f2、f3分別指向氣、液、固三相的內部，如圖2所示。f1、f2、f3合力的大小、方向取決於熔池所處的位置。在粉末上的熔池，由於粉末是鬆散的，顆粒之間存在間隙，它們的結合力較小，使得f1、f2、f3總的合力F指向液體內部，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成形，由於熔池在多個方向流動力偶的作用下，粘接周圍的粉末,並形成一個球形熔池。隨著雷射移向下一個熔區，使得已粘接周圍粉末的熔池冷卻和凝固加快。如果雷射作用下的下一熔區沒有足夠的粉末材料（因這裡的粉末已被前一熔區粘接走），則不能形成新的熔池。只有移動到一定距離以後，才有足夠的粉末材料被熔化，形成一個新的熔池，這樣重複形成一個個新的球體。因此燒結線是由一串圓球組成。在基體部分的熔池，由於固體質點的作用力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，而在沿著掃描方向上熔池是連續的，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，越有利於燒結成形。2.2熔體流動特徵
在雷射燒結成形過程中，作用在金屬熔池內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，由於燒結成形採用的小光斑（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濃度變化的影響。式中：σ0是一個與溫度和濃度無關的常數，它是純金屬在熔點時的表面張力值。顯然，當雷射作用下的熔池表面存在溫度梯度或溶質濃度時，勢必產生一個表面張力梯度?σ/?r，由此引起熔體的對流驅動力Fσ。表面張力驅動力為：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-函式；H(d?r)為Heaviside函式。δ-函式和Heaviside函式表明熔體對流驅動力僅存在於熔池表面，它是一個表面力。
在雷射束的作用下，靠近能束光斑中心附近，其熔體的表面溫度最高，而偏離中心區域越遠，其表面溫度越低。相應地，對於金屬熔體，其表面張力場的分布規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。這樣在熔池中就產生了強制對流的機制。在垂直掃描方向
