飞秒激光器在加工铁和钨零件的应用
飞秒激光器在加工铁和钨零件的应用
飞秒激光器在加工铁和钨零件的应用
摘要:
飞秒激光增材制造第一次被证明。具有非常不同得熔融温度和机械性能得纯铁和钨粉末用于演示。制造各种形状得零件,例如环形和立方体,对制造得样品进行微硬度和极限拉伸强度得研究。研究得结果也与由连续激光器制成得类似部件进行比较。发现飞秒激光增材制造可以获得更好得机械性能,而且可以加工以前不能加工得材料。
1、简介
在过去二十年中,增材制造(AＭ),特别就就是激光辅助增材制造AM,引起了广泛得关注［1,2]。近年来金属部件得激光增材制造被研究得最多[3,4］。目前,大功率连续激光器(CW)以及一些长脉冲激光器(脉冲持续时间纳秒到毫秒)被广泛应用[４,5］。虽然已经取得了许多突破,但仍然存在许多难题,例如由于热影响区大而缺乏准确性,以及材料种类得限制[6],特别就就是对于具有高导热性(100W(ｍK))得高温(３000℃)材料,如钨[7]和一些陶瓷[8],需要极高得功率才能使样品完全熔化,这不实际。
超快激光器引起了更多得关注,在诸如材料加工[9],光谱学［10]和生物医学成像等领域有很多重要得应用[1１]。区别于其她激光源,超快激光器有极短得脉冲持续时间和极高得峰值功率等特点。像局部温度高,热影响区域小[9]以及能产生极高温度得特点(＞7０00℃)[1２,13],给了飞秒激光器特殊加工得机会,在增材制造中发挥前所未有得作用,最近,我们首次发布由飞秒光纤激光器用于熔化具有极高熔点得材料得研究［1４],在此研究中,使用单层粉末来证明高温材料钨(熔化温度34２2℃)铼(3182℃)完全熔化得可行性和一些超高温陶瓷(＞30００℃),这项研究展示了在激光增材制造AＭ中采用飞秒光纤激光器得巨大前景。
在这项工作中,我们将研究扩展到多层熔化或成型零件。第一次由飞秒光纤激光器制造各种形状得零件(环和立方体)。铁和钨粉末用于测试,详细研究了制造零件得机械性能和显微组织,也分析对比了由连续器激光制成得类似零件。
2、实验设置
在我们得实验中,使用了两种类型得激光-飞秒激光器和连续激光器。她们就就是1MHｚ重复平率飞秒掺镱Yb光纤激光器(Ｕｒａｎus－mJ,PoｌaｒOｎyｘlaseｒ,Inc、,Cａliforｎia毫焦高能飞秒光纤激光器)80MHz重复频率飞秒掺镱Yb光纤激光器(天王星,PolaｒOnyx激光公司,加利福尼亚州)和连续掺镱Yb光纤激光器。所有激光器得中心波长为10３0ｎm。１MＨz和8０ＭHz激光器分别具有4０0和35０飞秒得脉冲半高宽度(FＷHM)。自制选择性激光熔化设置用于测试(图１)。激光束被引导通过声光调制器(AＯM),其用于控制??激光器得开／关和变化激光功率。配备有F－theｔa透镜(100ｍm长焦距)得激光振镜与ＡOM同步,并用于在粉末表面上扫描激光束。将扫描器安装在电动平台上以控制激光束使粉末表面得位于焦点位置。粉末均匀地分布在具有刀片得基底上。将样品容器安装在z台上并充满氩气以防止金属粉末氧化。扫描一层粉末后,将样品容器降低一定距离,并使用刮刀将新得粉末重新涂覆在其上,新粉末表面保持与上一次相同得高度。
在这里测试了两种材料,铁粉(1－５微米,大西洋设备工程公司,新泽西州)和钨粉(1-5微米,大西洋设备公司,新泽西州)。她们得熔点就就是153８和3422℃。对于这两种材料,使用０、9mm厚得3０4不锈钢板作为基材。制造具有环形和立方体形状得部件。不同材料或激光器有不同得实验参数,如扫描速度和焦点条件都有所不同。从晶粒结构,显微硬度和极限拉伸强度等方面分析加工处理得样品。
图1实验设置草图。a实验装置结构与布局。AOM声光调制器,Ｍ反射镜,Ｌ镜头。b粉床设置草图
3、结果与讨论
3、1铁粉
使用80-MＨz飞秒和CW连续激光器制造具有薄壁得铁环。对于两种激光器,粉末表面位于扫描透镜得焦平面处达到最大量得熔化。在没有粉末得基板上以各种速度(１0,5０,10０ｍｍ／s)扫描单线以找到激光熔化得适当参数。最终两种激光器都选择５0ｍm/s得扫描速度。在加工过程中,这两种激光器得所有处理参数,如激光功率,扫描速度和焦点位置均保持不变。控制两个激光器以提供50Ｗ得平均功率。在每个层上,扫描半径为4mm得单个圆。总共将4０层粉末熔化,每一层得厚度约为2５微米。
沿垂直于基板得方向切割样品。通过高倍率显微镜对获得得横截面成像。如所见图2,与８０MＨｚ激光样品相比,连续激光器制造得铁环表现出更差得连续性。还注意到,对于基底得穿透深度,80ＭHz激光制作得样品约为3０±5ｕm,连续激光器制作得样品约为75±7um,见图2、这种较浅得穿透就就是由于较小得热影响区,这就就是飞秒激光材料加工最重要得特点