粉末激光快速成形與等靜壓復合過程工藝與數(shù)值模擬研究.pdf

1、粉末激光快速成形技術(shù)主要包括選擇性激光燒結(jié)與選擇性激光熔化，它們都具有成形周期短、不需要使用模具，能成形高復雜形狀制件等優(yōu)點，但同時也具有內(nèi)部存在孔隙、強度差、成形大尺寸的完全致密金屬制件比較困難等缺點。等靜壓技術(shù)能夠提高制件的致密度、具有均勻的微觀結(jié)構(gòu)以及沒有成分偏析，但對復雜形狀的制件，金屬包套的制作比較困難。將快速成形與等靜壓技術(shù)結(jié)合，可以取長補短，是快速制造復雜金屬制件的新方法。近年來，國際上已經(jīng)出現(xiàn)了粉末激光快速成形與等靜壓復

2、合過程的相關(guān)報道。選擇性激光燒結(jié)制件密度比較低(38％左右)，需要經(jīng)過脫脂、冷等靜壓、燒結(jié)、熱等靜壓等后處理步驟，過程比較繁瑣。而選擇性激光燒結(jié)制件直接熱等靜壓結(jié)果不理想。雖然選擇性激光熔化制件密度比較高(90％左右)，但對它直接進行熱等靜壓時，要求表面沒有連通的孔隙。因此粉末激光快速成形與等靜壓復合過程研究還處于起步階段。由于等靜壓成形過程中制件的尺寸變化比較大，為了能達到近凈成形(即不需要機加工或極少機加工的工藝)的目的、減小實驗次

3、數(shù)、降低成本，有必要對等靜壓過程進行數(shù)值模擬。關(guān)于這方面的報道也很少，而且數(shù)值模擬結(jié)果不理想。
　　針對以上研究現(xiàn)狀，本文以快速成形方法制造復雜形狀的致密金屬為目的，對快速成形制件的不同后處理方法和致密化機理進行進一步研究，包括選擇性激光燒結(jié)\冷等靜壓\熱等靜壓，選擇性激光燒結(jié)制件的直接熱等靜壓以及選擇性激光熔化制件的熱等靜壓過程。并對這些過程進行了數(shù)值模擬。從而進一步發(fā)展粉末激光快速成形技術(shù)，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。因此，本研究具有比較

4、大的理論和現(xiàn)實意義。
　　首先對選擇性激光燒結(jié)\冷等靜壓\熱等靜壓過程進行研究。由于選擇性激光燒結(jié)制件相對密度比較低，在冷等靜壓中以粉末的重排靠近以及塑性變形機制為主，冷等靜壓后內(nèi)部的大孔隙明顯減少，粒子邊界仍然可區(qū)分。在熱等靜壓前制件的致密度已經(jīng)比較高(90％以上)，所以致密化過程是以塑性變形和擴散蠕變機制為主，熱等靜壓后內(nèi)部孔隙已經(jīng)球化成圓形。通過冷等靜壓實驗獲得了搖實密度下不銹鋼粉末的壓力~密度曲線exp(398.0?? p

5、)105.0/，以及壓力~體積塑性應(yīng)變曲線18.86exp6.41 vpp??，為不銹鋼粉末冷等靜壓數(shù)值模擬提供了重要的材料參數(shù)。提出了初始密度不同，對壓力~密度曲線影響不大的結(jié)論。使用ABAQUS軟件中的Cam-Clay模型以及Drucker-Prager-Cap模型對冷等靜壓過程進行數(shù)值模擬。兩種模型的計算結(jié)果與實驗結(jié)果都比較符合，Cam-Clay模型的誤差在4.0％以內(nèi)，Drucker-Prager-Cap模型的誤差在3.5％以內(nèi)

6、，數(shù)值模擬結(jié)果誤差與以前的研究相比有明顯減小。這是因為選擇性激光燒結(jié)制件收縮比較均勻，并且使用了實驗獲得的材料參數(shù)。粉末的微觀形態(tài)對材料的性質(zhì)有重要的影響。不規(guī)則粉末由于存在粒子取向，與粉床垂直方向的收縮與其它兩個方向不同。而球形粉末的制件各個方向收縮比較均勻。由于橡膠包套剛度小、彈性好，選擇性激光燒結(jié)制件比橡膠包套堅硬，所以包套的形狀隨著制件而變化，對制件的形狀和尺寸的影響都比較小，正是制件和包套剛度的比率控制著壓縮過程中的變形。雖然

7、制件和包套之間的摩擦系數(shù)的增加會導致直徑變大和高度減小，但是對變形量的影響非常小，當摩擦系數(shù)不為零時，它對結(jié)果的影響除了波動并沒有明顯的趨勢。通過正交實驗可以看出，在冷等靜壓過程中硬化參數(shù)是影響數(shù)值模擬結(jié)果最重要的因素。??
　　對復雜形狀制件的冷等靜壓過程進行數(shù)值模擬，與簡單形狀類似，制件的收縮比較均勻，沒有明顯的形狀扭曲。齒輪數(shù)值模擬的誤差比文獻結(jié)果有明顯減小，是因為通過實驗獲得的材料硬化參數(shù)比較準確。對渦輪制件的初始尺寸進行

8、了設(shè)計，首先通過硬化曲線得到最初的初始尺寸，然后通過數(shù)值模擬對初始尺寸進行不斷修正，從而得到與最終形狀比較接近的初始尺寸。
　　由于選擇性激光燒結(jié)\冷等靜壓\熱等靜壓過程比較繁瑣，本研究改進了選擇性激光燒結(jié)制件直接熱等靜壓方法，將玻璃作為充填介質(zhì)，制造出相對密度達90％左右的齒輪制件。制件體積明顯收縮，內(nèi)部的孔隙呈相互不連通的球形，不存在明顯的顆粒邊界。使用ABAQUS順序耦合的熱-應(yīng)力分析方法首次對選擇性激光燒結(jié)制件的熱等靜壓過

9、程進行數(shù)值模擬。通過ABAQUS的CREEP子程序，編寫雙曲正弦蠕變方程，用于熱等靜壓過程的數(shù)值模擬。由于制件體積比較小，熱等靜壓過程升溫、降溫速度比較緩慢，整個制件的溫度梯度比較小，收縮比較均勻。根據(jù)密度~時間變化曲線可以看出，由于制件初始密度比較低，致密化初期以粒子重排靠近機理為主，密度迅速增加，產(chǎn)生一個突變，當相對密度達到0.7左右，致密化速率變得緩慢，這時致密化過程以塑性變形機制為主，當相對密度達到0.9左右時，由于相對密度比較

10、高，致密化過程以擴散蠕變機制為主，致密化速率變得更加緩慢。
　　由于選擇性激光熔化制件不需要脫去高分子材料粘接劑，因此它的后處理步驟是最少的。在直接進行熱等靜壓時，即使制件的初始相對密度比較高(95％左右)，也不能保證熱等靜壓后能達到接近完全致密。制件是否能夠完全致密化與選擇性激光熔化制件內(nèi)部孔隙的大小、分布、是否相互連通以及雜質(zhì)的存在等因素有關(guān)。由于升溫速度緩慢，熱等靜壓過程中的溫度場在各個時刻都非常均勻，可以近似為一個準熱平衡

11、狀態(tài)（或準穩(wěn)態(tài)），因此熱應(yīng)力很小，只有體積收縮而沒有形狀的改變。傳統(tǒng)的粉末加包套的熱等靜壓方法由于制件形狀復雜，再加上包套的影響，制件不僅有體積的收縮，而且還存在形狀的改變。這主要是因為在傳統(tǒng)的粉末加包套的方法中存在包套和型芯，它們是由致密材料組成的，在壓力的作用下，通過包套形狀的變化來使內(nèi)部的粉末材料致密化，由于內(nèi)部粉末材料的流動性好，它的形狀會隨著金屬包套的形狀而改變，因此與傳統(tǒng)熱等靜壓方法相比，沒有使用包套是選擇性激光熔化制件均勻