選擇性激光熔化成形金屬零件性能研究.pdf

1、選擇性激光熔化成形技術(shù)(SelectiveLaserMelting,SLM)是快速原型及制造(RapidPrototyping&Manufacturing,RP&M)領(lǐng)域最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。該技術(shù)利用高能束激光直接熔化金屬粉末,可成形近全致密的高性能金屬零件。由于可成形傳統(tǒng)加工方法無法加工或多部件拼裝的復(fù)雜結(jié)構(gòu),因此在航空航天、個(gè)性化生物制造及復(fù)雜模具鑲塊等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但是SLM成形影響因素眾多,成形零件的精確控形與控性

2、存在較大難度。為此,本文重點(diǎn)研究SLM成形零件的表面質(zhì)量、尺寸精度及力學(xué)性能,并在SLM成形復(fù)雜模具上進(jìn)行初步研究。主要內(nèi)容包括如下幾個(gè)方面:
　　(1)研究了SLM成形零件的表面粗糙度。通過系列實(shí)驗(yàn),研究了單熔化道尺寸特征,引用形狀系數(shù)F來評(píng)價(jià)熔化道的形狀。揭示了SLM工藝參數(shù)及掃描策略對(duì)單道、單層表面粗糙度的影響規(guī)律。研究表明,熔化道表面粗糙度隨著掃描速度的提高而降低,隨著激光功率的提高先降后升。激光沿一個(gè)方向掃描一次的表面粗

3、糙度最大,用兩倍間距掃描一次,再用正常間距掃描第二次后的成形表面粗糙度最小。研究了成形角度(成形零件側(cè)面與工作平面的角度)、激光功率密度及加工層厚等多因素對(duì)零件側(cè)面表面粗糙度的影響規(guī)律。結(jié)果表明,在成形角度小于60°時(shí),隨著成形角度的增加,表面粗糙度呈大幅降低的趨勢(shì)。在成形角度大于60°,隨著角度的增加,表面粗糙度有所降低,但是變化并不明顯。
　　(2)研究了SLM成形零件的尺寸精度。研究了SLM成形精細(xì)零件的加工性,設(shè)計(jì)了尺寸從

4、0.1-0.45mm厚的薄壁件,分析加工誤差。結(jié)果顯示,由于激光光斑的尺寸接近0.1mm,壁厚越小,其相對(duì)誤差越大。壁厚為0.1mm的零件,其相對(duì)誤差接近99％。當(dāng)壁厚增加到0.4mm時(shí),其相對(duì)誤差只有0.1%。研究了不同工藝參數(shù)時(shí)XY平面及Z軸的成形精度的影響因素,工作平面不同位置的零件的尺寸誤差。利用三維測(cè)量工具對(duì)成形零件的三維尺寸進(jìn)行測(cè)量,并對(duì)比模型進(jìn)行分析。測(cè)試結(jié)果表明,SLM成形金屬零件在Z軸方向存在收縮情況,但其高度方向相對(duì)

5、誤差在1%以內(nèi)。激光熔化粉末后形成致密金屬層,由于粉末體松裝密度較低,導(dǎo)致熔化后的層厚出現(xiàn)明顯降低,該現(xiàn)象經(jīng)過累積,對(duì)Z軸的精度有一定影響,粉末松裝密度越高,鋪粉層厚越小,影響越小。
　　(3)研究了SLM成形零件的致密度。利用田口分析方法,分析了SLM工藝參數(shù)對(duì)零件致密度的影響規(guī)律。結(jié)果顯示,在影響SLM成形致密度的三個(gè)因素中,成形速度影響最大,占43.98%,激光功率影響其次,占34.61%,掃描間距影響較小,僅為19.81%

6、。說明了掃描速度對(duì)成形致密度的影響最大,超過掃描間距的2倍。研究了成形平面的不同區(qū)域內(nèi)SLM零件的致密度變化。在不同區(qū)域內(nèi)零件的致密度表現(xiàn)出一定差異,離平面中心位置近的致密度最高。
　　(4)研究了SLM成形零件的力學(xué)性能。通過成形不同傾斜角度的零件研究了零件的延伸特性變化規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn),熔化道搭接處,即熔池邊界為性能弱區(qū),是降低SLM零件延伸率的重要因素。熔池邊界的空間拓?fù)鋵?dǎo)致SLM零件的拉伸特性產(chǎn)生明顯的各向異性。通過熱處理消

7、除熔池邊界,可大大提高SLM成形件的延伸性能,并減小各向異性特征。研究了不同粉末粒徑分布對(duì)成形性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),平均粒徑為26.36μm的粉末成形性能較好,松裝密度大(松裝密度為0.56)的粉末成形致密度高,為99.1%。
　　(5)研究了SLM技術(shù)成形模具的初步應(yīng)用。利用SLM方法成形隨形冷卻流道模具。模擬和試驗(yàn)表明,SLM成形的隨形冷卻流道模具,其冷卻效率和冷卻均勻性優(yōu)于傳統(tǒng)直流道。
　　綜上所述,本文著重研究了SL