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《华中科技大学》 2010年
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金属粉末选择性激光熔化成形的关键基础问题研究

李瑞迪  
【摘要】:选择性激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)是激光快速成形制造(Rapid Prototyping Manufacturing, RPM)领域中最具发展潜力的技术之一。它基于分层叠加制造原理,通过激光束逐层熔化金属粉末而成形复杂结构金属零件,在此方面与其它常规制造技术相比具有不可替代的优势,已经成为研究热点。但目前SLM研究尚处于起步阶段,研究中涉及的球化、孔隙、物理冶金、材料广泛性等问题都有待于深入探讨。 针对上述背景,本论文首先以AISI316L为代表材料,对SLM过程中球化、孔隙形成及控制、物理冶金机理等普适性理论进行了系统而深入地研究,旨在提高SLM的成形质量,推动该技术的整体进步。在此基础上,本论文还研究了SLM成形稀有金属材料、SLM/热等静压(Hot Isostatic Pressing, HIP)复合技术,为SLM技术开辟新的发展方向。论文主要完成了以下工作: (1)研究了AISI316L粉末SLM球化形成规律以及抑制方法。首先对球化进行了表征与分析,发现主要存在大尺寸球(椭球形,500μm左右)与微尺寸球(球形,10μm左右)两种典型球。前者是熔体润湿性较差造成的,容易产生SLM的工艺缺陷;后者是激光束的冲击能量转化为球体的表面能导致的,由于球体体积小所造成的工艺缺陷可忽略。通过研究粉体特性与成形工艺,揭示了球化现象的主要影响因素,提出了抑制球化的主要方法:采用气雾化法制备金属粉末、从粉体与气氛因素减少熔体氧化、采用高的线能量密度以提高熔体的润湿性、减小切片厚度以降低熔池与润湿面的距离。最后,研究了镍粉激光熔化时球化现象,结果表明其球化规律与AISI316L类似。 (2)研究了SLM成形过程孔隙的类型、形成机理、工艺因素以及控制方法。结果表明水雾化粉末比气雾化粉末的氧含量高且堆积密度低,熔体易产生球化,低的线能量密度与过厚的铺粉层厚也容易导致球化,以上导致球化的因素都会促使孔隙产生。在较高线能量密度下制备的连续熔化道,如果搭接状况不良,也会产生孔隙。通过上述研究,归纳出了孔隙形成的主要因素:球化(不规则孔)、扫描线未搭接(规则孔)、裂纹、未逸出气孔(球形孔)。优化制备致密金属工艺为:(激光功率100-200W、扫描速度90-100mm/s、扫描间距0.1-0.15mm、铺粉层厚20-60μm),上述工艺制备的成形件的相对密度可达96%以上。同时,本研究还可通过调控工艺条件制备孔隙可控的多孔、以及梯度孔隙金属制件。 (3)从物理冶金角度探讨了AISI316L粉末在SLM条件下的组织形成与性能特点。发现激光单熔化道的鱼鳞线处富含氧、硅、碳元素。由于传热作用,靠近激光单熔化道边界处为垂直界面生长的柱状晶,延伸至熔池内部后由于对流作用逐渐变为胞状晶。成形件微观组织主要表现为极细的晶粒与多方向结晶,前者是由于激光的快速凝固所导致,后者是由于SLM线面体复杂扫描方式所导致。微观组织与工艺过程有关:提高熔池温度、延长凝固时间的因素(如高能量密度、厚的粉体厚度、悬臂结构件)会促使组织粗化。SLM制件的力学性能受相对密度控制,96%相对密度下拉伸强度可达654MPa,而78%相对密度下仅为135MPa。 (4)通过成形钨合金与镍合金,研究了SLM成形材料的广泛性,探讨了其相应的成形规律及冶金机制。90W-7Ni-3Fe合金的成形机制为完全熔化/液相烧结共存,其中镍铁粉能全部被熔化以形成Ni-Fe固溶相,而钨颗粒仅为部分熔化。钨合金的激光熔化表现出了良好的成形性。镍基混合粉末的成形中,尚有部分Cr颗粒没有熔化,其余元素大多溶入了Ni的晶格中形成固溶体,晶粒表现出三角形或六边形特征,尺寸约2μm。 (5)探讨了SLM/HIP复合成形技术。相对密度较高的SLM制件,HIP可使其内部的孔隙与裂纹得到闭合,并最终达到全致密化;孔隙较多的SLM制件,HIP则难以提高其相对密度。同时,SLM制件经HIP后,细小晶粒不断合并,使晶粒尺寸由1-2μm增加至100μm左右。 根据以上研究,提出了提高SLM成形质量的方法:尽量减少粉末和成形气氛中的氧含量,同时采用预热系统,使熔体具有良好的润湿性能,进而可提高成形质量。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG665

【引证文献】
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【同被引文献】
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10 李鹏;双零铝箔力学性能的实验研究[D];中南大学;2004年
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