Ti合金選擇性激光熔化成型關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、選擇性激光熔化技術(shù)（Selective Laser Melting,SLM）加工過(guò)程中的球化反應(yīng)、裂紋孔隙等缺陷一直是制約該技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的瓶頸。Ti合金的機(jī)械性能優(yōu)良、質(zhì)輕、耐熱耐蝕性能好、生物相容性好，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。本文以Ti6Al4V（TC4）粉末為實(shí)驗(yàn)材料，針對(duì)其在SLM加工過(guò)程中的球化反應(yīng)、裂紋孔隙等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究，以期探究這些問(wèn)題的形成過(guò)程、影響因素及弱化防止措施，具有重要的實(shí)際意義。
　　實(shí)

2、驗(yàn)采用華中科技大學(xué)-武漢濱湖機(jī)電產(chǎn)業(yè)有限公司提供的HRPM-ⅡA型激光快速成型系統(tǒng)，分別對(duì)球化反應(yīng)及孔隙裂紋等問(wèn)題進(jìn)行了研究。得知大尺寸球化現(xiàn)象的產(chǎn)生原因?yàn)槿廴谝簯B(tài)金屬與固態(tài)表面潤(rùn)濕性較差，熔融金屬在金屬液表面張力的作用下收縮成球；小尺寸球化則是由加工過(guò)程中的液體飛濺或高能激光束沖擊熔池形成；隨粉末本身含氧量的增加球化現(xiàn)象逐漸明顯，熔池表面漂浮的白色氧化物的量也隨之增加；顆粒較規(guī)則且含氧量低的球形金屬粉末的成形性能要好于形狀不規(guī)則的水霧

3、化金屬粉末；加工環(huán)境中的含氧量越多球化現(xiàn)象越明顯；在熔池吸收的能量較低掃描速度一定時(shí)，球化現(xiàn)象隨激光功率增大逐漸減弱；當(dāng)熔池吸收能量較高時(shí)球化現(xiàn)象隨激光功率的增大逐漸明顯；當(dāng)功率一定時(shí)，掃描速度越快，激光作用在金屬粉末上的時(shí)間越短，球化現(xiàn)象越明顯；掃描速度過(guò)小會(huì)導(dǎo)致熔池過(guò)燒，加工過(guò)程中的掃描速度至少應(yīng)大于15mm/s；在一定范圍內(nèi)成型面質(zhì)量隨掃描間距的增大逐漸變好，成型面呈現(xiàn)光亮的銀白色金屬光澤；超過(guò)一定限度后隨掃描間距的增大成型面質(zhì)量

4、呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，比較合適的間距為0.08～0.12mm。在系統(tǒng)所帶掃描方式中，跳轉(zhuǎn)變向掃描方式可以減少或防止部分球化反應(yīng)的發(fā)生，成形效果較好。球化現(xiàn)象隨粉層厚度的增加而逐漸加劇，加工時(shí)的最佳粉層厚度為0.06～0.1mm；大尺寸金屬球的存在，導(dǎo)致鋪粉不均勻，成型面實(shí)際高度高于理論高度，鋪粉誤差的累積會(huì)導(dǎo)致成型指標(biāo)不可控，成型面質(zhì)量越來(lái)越差，成形件傾斜變形、破裂甚至損壞鋪粉輥；同時(shí)，球化反應(yīng)會(huì)增加成形件的表面粗糙度，會(huì)有大量孔隙產(chǎn)生，在相鄰

5、金屬球之間的間隙會(huì)夾帶部分未熔金屬粉末，導(dǎo)致所制備出樣品的致密度降低，難以保證零件的精度等。
　　裂紋、孔隙的主要來(lái)源有：球化反應(yīng)、金屬液自身冷卻凝固過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，裂紋擴(kuò)展形成孔隙、熔道搭接不完全或未搭接形成的可控孔隙。在同一加工條件下，球形Ti合金粉末制備的樣件致密度達(dá)86％，明顯高于用棒狀和不規(guī)則形狀Ti合金粉末制備的樣件的73%和53%。但目前條件下制備的金屬樣品致密度還無(wú)法與傳統(tǒng)加工工藝方法制備零件的

6、相比。隨加工環(huán)境中的含氧量增大，成型表面的裂紋數(shù)量逐漸增多，長(zhǎng)度逐漸變大；在一定的掃描速度下，適當(dāng)增加激光功率有助于減少成形件的裂紋及孔隙的出現(xiàn)；隨掃描速度增大最長(zhǎng)裂紋尺寸有逐漸增大的趨勢(shì)；掃描間距過(guò)小時(shí)，成形面的裂紋較多，且裂紋可以在不同熔道之間連接，成形面表面裂紋錯(cuò)綜復(fù)雜；間距過(guò)大沒(méi)有充足的粉末補(bǔ)充熔池，沒(méi)有足夠的金屬液填充相鄰熔道之間的溝壑，容易形成孔隙且熔道上的裂紋很難越過(guò)溝壑與其他熔道上裂紋連接，因此最佳的掃描間距為0.07～