兩種典型金屬零部件激光增材制造技術基礎比較研究.pdf

1、激光增材制造高性能金屬零部件技術具有成形結構復雜、成形精度高、成形性能優(yōu)良等特點，是當前復雜精密金屬零部件或大尺寸主承力金屬構件一次性整體成形最具前景的應用技術之一。它不僅是鑄造、鍛造、焊接與機械加工等傳統(tǒng)加工方法的有益補充，而且開啟了一種全新的金屬零件制造模式，具有重要的戰(zhàn)略研究意義。目前，激光增材制造高性能金屬零部件技術主要有兩種典型方法，一種是基于同步送粉的激光熔覆沉積技術(Laser Cladding Deposition,簡稱

2、LCD技術)，另外一種是基于預置鋪粉的激光選區(qū)熔化技術(Selective Laser Melting,簡稱SLM技術)。
　　然而，上述兩種技術因其成形方式與工藝參數(shù)的差別，導致二者在熔池形貌、冷卻速率、凝固組織以及力學性能等若干材料成形基礎方面存在較大差異，這為深入理解高性能金屬零部件激光增材制造技術的成形原理及應用背景帶來了一定的困難。為此，本文將對LCD與SLM技術在上述基礎問題方面表現(xiàn)出來的差異性展開詳細的對比研究，主要

3、研究成果如下：
　　采用大光斑、中光斑、小光斑LCD工藝以及微光斑SLM工藝成形316L不銹鋼單道熔覆層試樣，并由此將激光增材制造技術分為四大工藝類型展開研究。引入熔池的形狀系數(shù)，特別是穿透系數(shù)，來對熔池的形貌變化進行分析。在LCD與SLM不同工藝條件下，熔池形貌與尺寸完全不同，導熱模式與熱影響效應也不同，進而最終影響到合金的組織與性能。尤其是在LCD與SLM工藝中，熔池形貌特征隨歸一化熱焓的變化表現(xiàn)出相互獨立的趨勢，預示著LCD

4、與SLM凝固過程的差異所在。
　　采用LCD與SLM技術大、中、小、微四種不同光斑大小的工藝方案成形316L不銹鋼樣品，測量合金在不同工藝條件下的一次枝晶臂間距大小。通過一次枝晶臂間距與冷卻速率之間的經(jīng)驗關系式，計算出熔池冷卻速率的大小。結果顯示，不同工藝條件下熔池的冷卻速率相差1~4個數(shù)量級，其中，微光斑SLM工藝與大光斑LCD工藝熔池冷卻速率的差異最高達到4個數(shù)量級。能量輸入與熔池形貌的變化是導致冷卻速率出現(xiàn)較大差異的主要原因

5、。
　　冷卻速率大小決定晶粒尺寸大小。在LCD與SLM不同工藝方案成形316L不銹鋼中，柱狀晶寬度、長度及單個柱狀晶的平均體積均隨能量輸入的增加而增加，且柱狀晶的縱橫比也逐漸增大。然而，柱狀晶尺寸隨冷卻速率的變化卻表現(xiàn)出不同的趨勢。在 LCD成形過程中，柱狀晶尺寸與冷卻速率滿足經(jīng)典的λ=a+b/√T(λ代表晶粒尺寸大小，T為冷卻速率，a，b為常數(shù))線性關系，這與傳統(tǒng)的凝固理論相似。而在SLM成形過程中，柱狀晶尺寸與冷卻速率平方根的

6、倒數(shù)卻滿足三次函數(shù)關系，與傳統(tǒng)凝固理論不符合。進一步分析表明，在LCD工藝中，由于冷卻速率與過冷度較小，導致晶粒的形核率與生長速率比值相對較小，再加上熔池散熱方向的單向性等原因，使得LCD工藝比SLM工藝更容易形成粗大的柱狀晶組織。
　　SLM與LCD成形過程中的多重熱循環(huán)過程使合金組織結構變得更加復雜。在高功率SLM成形1Cr18Ni9Ti不銹鋼中，隨著熔池穿透系數(shù)的增加，熔覆層所經(jīng)歷的熱循環(huán)次數(shù)越多，導致液相合金的冷卻速率降低

7、、過冷度減小，根據(jù)柱狀晶的生長機制可知，這將導致柱狀晶尺寸變粗大。同時，多重熱循環(huán)過程還具有多次固溶處理的效果，這使得合金在胞壁區(qū)域的偏析現(xiàn)象減少，合金內(nèi)元素成分更加均勻。同時，在小光斑LCD成形Inconel718合金中，隨著能量輸入的增加，熔池中液相的溫度梯度增加，成分過冷區(qū)減小，合金的組織形貌從樹枝晶轉變?yōu)闃渲?胞晶共存，再轉變?yōu)榘А６?，晶粒?nèi)亞晶界區(qū)域的拉夫斯相逐漸增多，基體內(nèi)的二次沉淀相逐漸減少。
　　組織結構的差

8、異導致SLM成形構件的力學性能優(yōu)于LCD成形構件的力學性能。在LCD與SLM成形316L不銹鋼中，SLM成形樣品的顯微硬度比LCD成形樣品高100 HV左右；SLM成形樣品的最大抗拉強度比LCD成形樣品高180 MPa；SLM成形樣品的屈服強度是鍛件標準的2.5倍，而LCD成形樣品的屈服強度是鍛件標準值的1.5倍。在高功率SLM成形1Cr18Ni9Ti不銹鋼中，隨著熱循環(huán)次數(shù)的增多，由于晶粒尺寸與成分均勻性的雙重變化，樣品的拉伸性能變化