鋁合金熔體微噴射沉積工藝研究

摘 要：針對(duì)鋁合金熔體沉積增材制造中鋁合金液流斷續(xù)隨機(jī)性變化、斷續(xù)形貌等參數(shù)難以控制和預(yù)測(cè)的現(xiàn)存問(wèn)題，采用理論分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)鋁合金液流斷續(xù)過(guò)程中的斷續(xù)形貌及其影響因素脈沖壓力、脈沖頻率等進(jìn)行了研究，揭示了斷續(xù)形貌長(zhǎng)度分布規(guī)律。結(jié)果表明：通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖氣壓和脈沖頻率，可以提高鋁合金液流斷裂的形態(tài)精度和尺寸精度，可為后續(xù)制造過(guò)程提供穩(wěn)定的均勻微滴流。

關(guān)鍵詞：鋁合金熔體；斷續(xù)沉積；脈沖壓力；脈沖頻率；沉積形貌

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.035

鋁合金熔體沉積3D打印技術(shù)是上世紀(jì)90年代初興起的一種新型鋁合金零件快速成型技術(shù)，該技術(shù)基于離散/堆積原理，通過(guò)控制鋁合金熔體沉積軌跡，進(jìn)行逐點(diǎn)、逐層沉積，直至成形出復(fù)雜零件[1]。

目前，對(duì)該技術(shù)的研究主要通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值模擬兩種方法對(duì)進(jìn)行。一方面，采用試驗(yàn)研究的方法探索均勻液滴噴射的機(jī)理。國(guó)內(nèi)北京有色鋁合金研究總院為了探索新型無(wú)鉛焊料在電子封裝上的應(yīng)用[2]，采用連續(xù)式均勻液滴噴射技術(shù)，研究毛細(xì)波動(dòng)對(duì)鋁合金射流斷裂的影響[3]，測(cè)量了鋁合金錫熔體在不同噴嘴直徑下的壓力-速度曲線，并研究了表面波波長(zhǎng)和激振頻率的關(guān)系，制備了均勻焊料顆粒（Sn-4.0Ag-0.5Cu）。目前國(guó)內(nèi)外已有研究多注重鋁合金噴射與熔滴形態(tài)變化的分析，并未結(jié)合鋁合金液流和熔滴速度與脈沖變化進(jìn)行系統(tǒng)研究。通過(guò)研究鋁合金熔體沉積速度和脈沖壓力等物理場(chǎng)的變化，選擇合適的沉積參數(shù)，提高熔滴的精度仍然是均勻熔滴沉積技術(shù)需要解決的重要問(wèn)題。

本文采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，建立了鋁合金熔體斷續(xù)沉積簡(jiǎn)化解析模型，分析了在脈沖壓力作用下鋁合金熔體沉積的影響因素和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

1 鋁合金液流斷續(xù)特性數(shù)值分析

1.1 模型建立及工藝參數(shù)分析

假設(shè)鋁合金熔體液流為不可壓縮的流體，且液流過(guò)程無(wú)熱損失。密度為ρ，表面張力為σ，噴嘴內(nèi)孔為圓形，半徑為D0。以液流軸線為對(duì)稱軸建立坐標(biāo)系，液流方向?yàn)閦正方向。當(dāng)對(duì)液流施加軸向方波脈沖壓力時(shí)，鋁合金液流仍會(huì)保持軸對(duì)稱狀態(tài)，但內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生壓力波動(dòng)。在壓力波動(dòng)與鋁合金表面張力的作用下，鋁合金液流會(huì)產(chǎn)生勁縮、斷續(xù)形態(tài)，逐漸形成直徑為D的圓球，如圖1所示。

1.2 鋁合金液流熔滴斷續(xù)分析

圖2為典型的鋁合金熔體液流沉積形態(tài)演變過(guò)程。由圖可知，整個(gè)過(guò)程可分為鋁合金液流擠出、頸部收縮、熔滴成形及沉積鋪展四個(gè)階段。在鋁合金液流擠出階段，對(duì)熔融鋁合金施加正向壓力，使得坩堝內(nèi)部壓強(qiáng)迅速上升，熔融鋁合金向下運(yùn)動(dòng)，坩堝底部的腔體區(qū)域壓強(qiáng)最大，熔融鋁合金通過(guò)噴嘴擠出，如圖2（b）所示。在頸部收縮階段，脈沖壓力停止加壓，坩堝內(nèi)部整體壓力減小，噴嘴處熔體壓力的陡然減小導(dǎo)致鋁合金液流產(chǎn)生局部頸縮。而噴嘴外部的熔體柱則繼續(xù)下落，鋁合金熔體形狀初步形成，如圖2（c）所示。第三階段為熔滴成形階段，隨著鋁合金熔體下落及腔體內(nèi)熔體的回流，噴嘴內(nèi)鋁合金熔體回流速度逐漸增大。最終，鋁合金熔體脫離空腔內(nèi)液體，形成獨(dú)立鋁合金熔體，斷續(xù)過(guò)程2（d）所示。鋁合金熔體斷續(xù)之后，由于自身表面張力作用，逐漸形成圓球形，如圖2（e-g）。第四階段為鋁合金熔體沉積成形階段，隨著下落進(jìn)行，在鋁合金粘性的表面張力作用下，鋁合金熔體頭部速度逐漸增大，尾部速度逐漸減小。在整個(gè)下落過(guò)程中，鋁合金熔體頭部和尾部的速度差逐漸地減小，最終鋁合金熔體達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)，成為一個(gè)近似圓形的球體，具體如圖2（h）所示。

2 不同工藝參數(shù)對(duì)熔滴成形實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 脈沖壓力P對(duì)熔滴成形的影響

鋁合金液流斷續(xù)沉積過(guò)程中脈沖壓力的選擇與噴嘴直徑、鋁合金熔體與噴嘴材料的潤(rùn)濕性及熔體加熱溫度等因素有關(guān)。當(dāng)脈沖壓力小時(shí)，鋁合金熔體不會(huì)從噴嘴擠出，此時(shí)必須加大脈沖壓力從而使坩堝內(nèi)壓力增大，能夠使鋁合金熔體克服表面張力從噴嘴擠出形成熔滴；當(dāng)脈沖壓力過(guò)大時(shí)，鋁合金熔體的表面張力不足以克服重力，熔體會(huì)直接從噴嘴流出，此時(shí)需要施加負(fù)壓，即：坩堝中的壓力要小于外界（手套箱）的壓力，才能夠保證鋁合金液流能夠穩(wěn)定的流出并斷續(xù)形成熔滴；熔體溫度對(duì)其粘度有較大的影響，如果鋁合金熔體過(guò)熱，其粘度就會(huì)降低，在較小的脈沖壓力下，鋁合金熔體就會(huì)從噴嘴處流出；坩堝、噴嘴材料與鋁合金的潤(rùn)濕性也是決定熔滴能發(fā)成形的關(guān)鍵因素之一。實(shí)驗(yàn)條件：脈沖頻率30Hz，噴嘴直徑0.4mm，熔體溫度550K，脈沖壓力對(duì)熔滴成形的影響如圖3所示。

從圖3可以看出，脈沖壓力對(duì)鋁合金熔體成形有較大的影響。隨著脈沖壓力增大，熔滴直徑顯著增加。這主要是由于隨著脈沖壓力的增加，坩堝內(nèi)壓力也在增大，從噴嘴處流出的熔體體積增大，熔體的流速增加。

2.2 脈沖頻率f 對(duì)熔滴成形的影響

脈沖頻率對(duì)制件的成形效率有一定的影響，保持其他實(shí)驗(yàn)條件不變：脈沖壓力0.4MPa，噴嘴直徑0.6mm，熔體溫度550K，不同脈沖頻率對(duì)熔滴成形的影響如圖4所示。從圖中可以看出，脈沖頻率對(duì)熔滴成形的尺寸沒(méi)有明顯的影響。但是過(guò)高的脈沖頻率不容易控制，給成形過(guò)程提出更高的要求。

3 結(jié)論

（1）分析了鋁合金液流受脈沖氣壓斷續(xù)為均勻熔滴的行為機(jī)理，建立了鋁合金液流控制方程，研究了在微小雜質(zhì)的干擾下，鋁合金液流易產(chǎn)生偏斜，增大脈沖氣壓減小了鋁合金液流的偏斜角，但僅依靠增大氣壓無(wú)法完全消除局部雜質(zhì)的干擾。通過(guò)凈化裝置，原材料去雜，有效防止了雜質(zhì)對(duì)液流偏斜的影響。

（2）鋁合金熔體成形過(guò)程主要受噴嘴直徑、脈沖壓力和脈沖頻率的影響，通過(guò)改變以上實(shí)驗(yàn)參數(shù)可以獲得不同尺寸熔滴，得出：熔滴直徑是噴嘴直徑的1-2倍，增大脈沖氣壓，鋁合金熔體尺寸明顯增大，而脈沖頻率對(duì)熔滴成形的尺寸沒(méi)有明顯的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]左寒松，李賀軍，齊樂(lè)華等.Sn63-Pb37合金微熔滴沉積成形過(guò)程中缺陷形成機(jī)理研究.稀有鋁合金材料與工程，2013（42）：1596-1600.

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[3]楊觀，齊樂(lè)華，羅俊，曾祥輝，楊方.均勻液滴液流成形中微熔滴關(guān)鍵參數(shù)在線檢測(cè)系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30（03）：590-595.

項(xiàng)目來(lái)源：陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)課題（編號(hào)：Gfy17-02）

作者簡(jiǎn)介：劉偉（1982-），男，湖北麻城人，碩士，副教授，陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械研究所所長(zhǎng)，主要從事機(jī)械專業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作。endprint