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金属3D模型打印技术详解(4)

发布时间:2019-01-22 15:23作者:admin 点击次数:143

  通过粉体材料及SLM工艺优化,包括:

  1,严格控制原始粉体材料及激光成形系统中的氧含量以改善润湿性;

  2,合理调控输入激光能量密度以获取适宜的液相粘度及其流变特性,可有效抑制球化效应及微裂纹形成,进而获取近全致密结构。

  对于以Al合金为代表的轻合金零件激光快速成形,先前绝大多数研究报道是基于SLS半固态烧结成形机制,但因严重的球化效应及孔隙缺陷,故研究进展不大;而SLM技术可望为高性能复杂结构Al合金零件近净成形与快速制造提供崭新的技术途径。Al基合金零件SLM成形具有高难度,是由材料自身特殊物理特性本质所决定的。一方面,,通常低功率CO2激光难以使Al合金粉体发生有效熔化,而要求使用能量密度更高的光纤或Nd:YAG激光,这无疑对激光器性能提出了更苛刻的要求。另一方面,Al合金材料热导率高,SLM模型打印成形过程中激光能量输入极易沿基板或在粉床中传递消耗,导致激光熔池温度降低,熔体粘度增加且流动性降低,故其难以有效润湿基体材料,导致SLM成形球化效应及内部孔隙、裂纹等缺陷。其三,从成形工艺角度,Al合金材料密度较低,粉体流动性差。

  需指出的是,基于SLM/SLRM成形机制,虽能在一定程度上改善激光成形件的致密度和表面光洁度,但因成形过程中粉末发生完全熔化/凝固,故在固液转变过程中将出现明显的收缩变形,致使成形件中积聚较大的热应力,并将在冷却过程中得以释放,使得成形件发生变形、甚至开裂。由于激光选区熔化成形技术成形粉末需求量大,需要在整个成形平面铺设金属粉末,因而不适宜成形贵重的金属;整个成形平台较大,惰性气体保护效果较差,因而也不适宜成形易氧化的金属粉末。

  模型打印

  选区激光熔化技术的优势

  在原理上,选区激光熔化与选区激光烧结相似,但因为采用了较高的激光能量密度和更细小的光斑直径,成型件的力学性能、尺寸精度等均较好,只需简单后处理即可投入使用,并且成型所用原材料无需特别配制。选区激光熔化技术的优点可归纳如下:

  1.直接制造金属功能件件,无需中间工序;

  2.良好的光束质量,可获得细微聚焦光斑,从而可以直接制造出较高尺寸精度和较好表面粗糙度的功能件;

  3.金属粉末完全熔化,所直接制造的金属功能件具有冶金结合组织,致密度较高,具 有较好的力学性能,无需后处理;

  4.粉末材料可为单一材料也可为多组元材料,原材料无需特别配制;

  5.可直接制造出复杂几何形状的功能件;

  6.特别适合于单件或小批量的功能件制造。选区激光烧结成型件的致密度、力学性能较差;电子束熔融成型和激光熔覆制造难以获得较高尺寸精度的零件;相比之下,选区激光熔化成型技术可以获得冶金结合、致密组织、高尺寸精度和良好力学性能的成型件,是近年来快速成型的主要研究热点和发展趋势。

  选区激光熔化技术的研究展望

  (1)实现激光快速成形专用金属粉体材料系列化与专业化。重视粉体材料对改善激光快速成形性能的物质基础作用,深入定量研究适于选区激光熔化成形工艺的粉体化学成分、物性指标、制备技术及表征方法,实现激光快速成形专用金属及合金粉体材料的专业化和系列化。

  (2)深入定量研究金属及合金粉体激光成形冶金本质及其机理。紧扣金属及合金粉体激光快速成形关键科学问题,包括激光束—金属粉体交互作用机理、激光熔池非平衡传热传质机制、超高温度梯度下金属熔体快速凝固及内部冶金缺陷和显微组织调控、金属粉体激光熔化成形全过程及各类型内应力演变等冶金、物理、化学及热力耦合问题,为改善金属及合金粉体激光快速成形组织和性能提供科学理论基础。

  (3)高性能复杂结构金属及合金零件激光控形控性净形制造。以激光快速成形专用高流动性金属粉体设计制备为物质基础,以激光非平衡熔池冶金热力学和动力学行为、激光成形显微组织调控机制、激光成形件内应力演化规律多尺度预测为理论基础,通过粉体设计制备—零件结构设计—SLM成形工艺—组织及性能评价的一体化研究,面向航空航天、生物医药、模具制造等领域应用需求,实现高性能复杂结构金属及合金关键零件激光控形控性直接精密净成形制造。对于金属零件选区激光熔化快速成形的材料、工艺及理论的研究,尚有很多方面未获得本质突破。对于该领域诸多新材料、新工艺、新现象及新理论的深入研究与发掘,是实现激光快速成形技术走向工程应用的基础。

  选区激光熔化技术的研究工作

  大量学者和研究团队对选区激光熔化技术进行了大量的工作。RehmeO等对选区激光熔化成型过程的重要参数进行分析并归类,研究了扫描线长度、扫描间距、层厚、成型方向等参数对零件的致密度和残余应力的影响。KozoOsakada等研究了镍基合金、铁基合金和纯钛材料的选区激光熔化成型特性,分析成型件的热应力分布,通过扫描策略和预热等方法减小热应力,并直接制造出致密度90%以上的金属模具。J.P.Kruth等利用Rayleigh不稳定性原理解释铁基合金的球化现象,并提出利用扫描策略和控制氧含量的方法消除球化,同时研究不同的元素会对激光吸收率、热传导性、熔液的润湿及铺展性、氧含量以及Rayleigh不稳定性等的影响。I.Shishkovsky等对铝锆陶瓷材料的选区激光熔化成型特性进行了分析,研究成型件的组织结构及成份,并发现在空气中成型的零件是具有致密组织结构和规则稳定相分布的。

模型打印

  国内对选区模型打印激光熔化技术的研究工作虽然起步较晚,但至今也取得了很大的进展。主要的研究单位有:华南理工大学、华中科技大学、南京航空航天大学、上海交通大学等高校以及其他一些科研单位。其中华南理工大学在不锈钢、铜合金、镍合金和钛合金等开展了大量的工艺实验,研究了激光功率、扫描速度、扫描间距、扫描策略等对致密度、尺寸精度、内部组织等的影响;华中科技大学也对不锈钢的成型工艺进行了一些探讨,采用正交实验方法优化工艺参数;南京航空航天大学除了对一些常用材料进行研究外,还采用选区激光熔化直接制造复合材料功能件;上海交通大学采用316L不锈钢研究了选区激光熔化成型件的表面质量和内部微观组织,并得到高致密度的功能件。

 

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