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《华中科技大学》 2006年
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选择性激光烧结间接制造金属零件研究

刘锦辉  
【摘要】: 选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)技术是快速原型与制造(Rapid Prototyping Manufacturing,RPM)领域中极具发展潜力的技术之一。它能够制造任意复杂结构零件,具有其它常规制造技术不可替代的优势。由于金属零件应用领域广且价值高,因而利用SLS技术制造金属零件一直是RPM领域的研究热点。近年来,国际上已出现了SLS技术制造某些合金体系零件的相关报道,但却面临着粉末制备复杂、成本高、成分调节困难等技术难题。而且零件形坯成形机理、工艺及后处理方法的研究有待于进一步完善,因而还无法成为复杂结构高性能金属零件快速制造的简单借鉴。 针对上述背景,本研究以SLS技术间接制造金属零件为目标,结合粉末冶金理论方法研发了独特的SLS用复合金属粉末,分别对粉末的激光成形机理、工艺及形坯后处理方法、工艺进行了系统而深入的研究,并制造出具有复杂结构的金属零件和具有内置随形冷却流道的注塑模具。另外,本研究还将SLS技术与冷等静压(Cold Isostatic Pressing,CIP)和热等静压(Hot Isostatic Pressing,HIP)技术进行复合,用于制造高致密度金属零件,为SLS技术开辟新的发展方向。因此,本研究具有重要的理论和现实意义。 在成形理论方面:本研究应用表面和宏观热力学理论,研究了高聚物/金属复合粉末在激光作用下的成形机理,认为高聚物在激光束的热作用下发生熔化、流动、润湿、铺展和粘结,最终达到相对低能的稳定状态。运用界面理论研究了环氧树脂与金属表面相互作用与界面演变,认为激光作用下两类表面通过氢键相结合。运用激光与物质作用理论,研究了粉末对激光能量的吸收规律,并提出激光扫描作用于粉末的光斑能量考察区和粘结有效区概念。 在成形材料方面:以环氧树脂作为粘结成分,采用混合法研发了以元素粉末为配比成分的铁合金复合粉末,并依据颗粒位置排布关系建立了高聚物含量计算方程,确定其含量为4%左右。通过烧结、浸渗和热处理实验,结合材料的SEM分析和机械性能结果,确定复合粉末配比为Fe8Cu4Ni0.5C,经烧结(1200℃保温1h)、纯铜熔渗(1200℃)及热处理(890℃淬火+200℃回火)后,该合金中含铜合金相为50%左右。合金的机械性能为:屈服强度483MPa,断裂强度546MPa,弹性模量116GPa,延伸率3%,布氏硬度(HB)200。而经过烧结(1200℃保温1h),浸渍环氧树脂(100℃)和固化处理(160℃保温6h)后得到的树脂增强复合材料断裂拉伸强度超过90MPa,硬度(HRC)介于25-35之间。 在成形工艺方面:在充分考虑激光能量传输特性、粉末系统能量吸收与耗散以及铺粉行为的前提下,设计形坯强度和精度正交试验研究了SLS的成形工艺,得到的优化工艺参数为:激光功率为14~15W、扫描速度为2000mm/s、扫描间距为0.1mm、切片层厚为0.1mm、预热温度为53℃。采用优化的成形工艺制造的SLS零件形坯无变形,弯曲强度达2.42MPa,尺寸误差1.5%。 在注塑模具制造方面:本研究应用研发的复合金属粉末并在优化的成形工艺下,成形了具有内置随形冷却流道的注塑模具镶块形坯,模具形坯经脱脂、真空烧结和滴渗液态青铜(或浸渍环氧树脂并固化处理),并经简单机加工后,基本达到注塑模具性能指标。通过实际注射成形,获得了较好质量的塑料零件。 在SLS与等静压技术复合制造方面:本研究采用SLS技术成形零件形坯,而后分别采用CIP和HIP技术对脱脂并低温烧结的形坯进行致密化再成形,在保持零件形状精度的前提下,成功制造了具有复杂结构的致密金属零件。 综上所述,本研究促进了SLS技术向高精度、高性能和高复杂度金属零件的智能化高效成形制造方向的延伸,为SLS技术在制造领域发挥出更大作用而做出了贡献。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TG665

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前7条
1 李瑞迪;金属粉末选择性激光熔化成形的关键基础问题研究[D];华中科技大学;2010年
2 范晖;金属零件叠层模板电沉积成形的基础研究[D];南京航空航天大学;2009年
3 杜艳迎;粉末激光快速成形与等静压复合过程工艺与数值模拟研究[D];华中科技大学;2011年
4 鲁中良;不锈钢粉末选择性激光烧结/等静压复合成形技术研究[D];华中科技大学;2008年
5 闫春泽;聚合物及其复合粉末的制备与选择性激光烧结成形研究[D];华中科技大学;2009年
6 马巧梅;基于半导体激光能量源的直接成型关键技术研究[D];中北大学;2010年
7 王黎;选择性激光熔化成形金属零件性能研究[D];华中科技大学;2013年
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1 陶磊;尼龙6/铜复合粉末选区激光烧结制造塑料模具的研究[D];南昌航空大学;2010年
2 曲兵兵;不锈钢粉末热等静压成形模拟与包套制造工艺研究[D];华中科技大学;2009年
3 张福周;镍基高温合金粉末直接激光烧结实验研究[D];江苏大学;2009年
4 洪琴;选择性激光烧结用新型复合尼龙粉末的研究[D];中北大学;2009年
5 陈英;铁基金属粉末激光烧结与等静压复合成形技术研究[D];华中科技大学;2008年
6 何禹坤;基于激光熔化成形同质包套的热等静压近净成形试验研究[D];华中科技大学;2012年
【参考文献】
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【共引文献】
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10 李细章;;滑块斜楔双推板式二次推出机构注塑模的设计[J];工程塑料应用;2009年03期
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6 凌云;贺鹏飞;;剪切增稠液体表观粘度研究[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集(下册)[C];2008年
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9 柴朋军;郝春功;李安猛;;二氨基二苯基砜固化环氧树脂及其性能研究[A];第十七届玻璃钢/复合材料学术年会论文集[C];2008年
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3 李瑞迪;金属粉末选择性激光熔化成形的关键基础问题研究[D];华中科技大学;2010年
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8 许文娇;废弃环氧树脂再生技术及应用研究[D];东华大学;2011年
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1 丁家圆;热处理工艺对高铬白口铸铁组织与性能的影响[D];南昌航空大学;2010年
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【同被引文献】
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1 张建斌,张全福,徐春艳,徐伟;溶剂法制备尼龙1212粉末工艺研究[J];工程塑料应用;2004年01期
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中国重要会议论文全文数据库 前2条
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1 王志坚;装备零件激光再制造成形零件几何特征及成形精度控制研究[D];华南理工大学;2011年
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6 张剑峰;Ni基金属粉末激光直接烧结成形及关键技术研究[D];南京航空航天大学;2002年
7 赵阳培;射流电铸快速成型纳米晶铜工艺基础研究[D];南京航空航天大学;2005年
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10 潘海鹏;快速成型制造中分层处理技术的研究[D];南昌大学;2007年
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1 梁红英;覆膜金属粉末选择性激光烧结快速成型工艺研究[D];华北工学院;2002年
2 程艳阶;选择性激光烧结激光扫描路径的研究与开发[D];华中科技大学;2004年
3 黎志冲;激光烧结的高分子粉末及其成型工艺的研究[D];华中科技大学;2004年
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7 胡汝霞;基于RE/RP直接集成的模型切片处理方法研究[D];江苏大学;2005年
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10 王建宏;选择性激光烧结用复合尼龙粉改性技术研究[D];中北大学;2007年
【二级引证文献】
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 卢建斌;个性化精密金属零件选区激光熔化直接成型设计优化及工艺研究[D];华南理工大学;2011年
2 牛正蕊;金属零件弧焊直接成形控制系统关键技术研究[D];华中科技大学;2009年
3 杨健;激光快速成形金属零件力学行为研究[D];西北工业大学;2004年
4 李啸;等离子熔积成形金属零件数值模拟[D];华中科技大学;2011年
5 范丽娟;基于传热学分析的金属零件缺陷电磁激励红外热成像检测方法[D];华东交通大学;2013年
6 余智明;等离子熔积铣削复合精确成形技术基础研究[D];华中科技大学;2007年
7 姬生钦;激光熔覆直接制造不锈钢零件的工艺与性能研究[D];华中科技大学;2005年
8 李廷忠;等离子熔积成形能量控制建模研究[D];华中科技大学;2006年
9 王新春;叠层模板电沉积直接制造金属零件的研究[D];南京航空航天大学;2008年
10 王成;基于小功率激光烧结的金属零件/模具快速制造工艺研究[D];华中科技大学;2005年
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