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选区激光熔化成型不锈钢零件特性与工艺研究

王迪  
【摘要】:选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)技术是快速制造领域的重要发展方向,与传统机加工相比,具有可直接成型任意复杂形状金属零件的优势。但由于目前SLM的研究仍处于起步阶段,对其中涉及的粉末熔化成型特性、工艺控制与优化、悬垂结构成型优化及可控多孔结构成型工艺等有待深入探讨。 本文选择不锈钢粉末作为SLM成型工艺研究对象,主要研究以下内容: (1) SLM成型设备优化。为了改善铺粉效果,针对不同的零件几何特征选用不同的铺粉装置,分别采用了预压紧粉末的刮板式铺粉装置和柔性齿弹性铺粉装置进行铺粉,其中预压紧粉末的刮板式铺粉装置适合于无支撑零件、横截面较小零件的精确成型,而柔性齿弹性铺粉装置适用于较少支撑量零件、较大横截面零件和精细零件的成型。为了将激光与金属粉末作用时产生的黑烟、汽化产物及时吹走,在透光镜单侧安装“侧向气嘴”,改善成型室内气流的流向。成型设备优化提高了SLM成型过程稳定性与安全性。 (2)不锈钢粉末SLM成型特性的研究。本研究包括致密度、表面形貌、尺寸精度、微观组织和不同几何特征成型能力几个方面。为了分析成型件能量输入与致密度的关系,首先依据不同成型参数对能量输入的影响,推导出SLM成型过程中激光能量输入公式,探讨了SLM成型致密金属零件需要满足的能量条件,然后通过6因素5水平的正交实验及致密度测量,分析得出能量输入与致密度的关系:随着能量输入的增加,致密度曲线包括直线上升阶段、屈服阶段和不确定阶段。在不同的线能量输入条件下得到六种典型表面形貌:条虫状、过熔状、粒球状、砂散状、网结状与细线状。为了研究SLM成型件的尺寸精度,推算出实际加工层厚、理论层厚、粉末松装密度和成型件密度的关系公式,公式表明:加工层厚随着加工层数累积逐渐变厚,但其趋向一个固定值,且影响Z轴尺寸精度。显微组织分析表明,SLM成型不锈钢零件的微观组织主要由柱状晶与等轴晶组成,晶粒尺寸在0.3μm-1μm之间。为了验证SLM成型典型几何特征的能力,设计了包括薄板、尖角、复杂字体等特征几何体,并采用上述优化的工艺参数进行成型,除悬垂结构外,其它的几何特征成型效果良好。 (3)对不锈钢粉末SLM成型中的单熔道成型、多熔道搭接和多层叠加成型,以及成型过程中的热量累积效应进行研究。针对单熔道成型研究,在不同能量输入条件下得到四种典型形态的熔道,及四种熔道形态的分布区域图,并分析出不同成型条件下的熔道宽度。针对熔道间不同搭接率对成型面的影响进行研究,分析表明不同种类的熔道需采用不同的搭接率,才能获得紧密搭接的成型面。为了减少熔道间搭接缺陷和应力累积,提高层间的结合强度,采用层间错开扫描与正交扫描相结合扫描策略。研究了热量累积效应在多熔道搭接和多层叠加成型中的影响,分析发现理想形态的熔道成型参数逐渐向形态分布区域图右下方偏移,通过简化热量累积模型,推算出多道搭接与多层叠加实验中热量累积值。通过上述的工艺实验,获得了致密的金属零件,经过力学性能测试,拉伸强度与硬度高于铸造件20-25%。 (4)悬垂结构SLM成型工艺的研究。悬垂结构成型过程中容易出现翘曲变形和挂渣现象,使SLM成型件的局部形状精度、尺寸精度变差。为了提高SLM成型悬垂结构的质量,首先从理论上分析影响悬垂结构成型质量的因素和发生缺陷的原因。从工艺上研究成型参数对其成型的影响,分析发现:当倾斜角度和扫描速度变小,激光功率、扫描线长度和加工层数变大情况下,SLM成型悬垂结构容易翘曲变形。通过上述工艺实验,建立了激光功率、扫描速度与临界成型角度的相互关系,其中临界成型角度包括可靠成型角和最小成型角。根据加工参数与临界成型角度的关系,提出通过改变零件的空间位置摆放和控制局部参数的方法改善悬垂结构的成型质量,并成功成型了几个具有典型悬垂结构的零件。 (5) SLM成型多孔结构零件的研究。多孔结构包括不可控多孔结构与可控多孔结构两种,重点探讨可控多孔结构零件的成型工艺。通过设计空间对称结构的单元孔,避免成型过程中挂渣量大而导致单元孔的堵塞,并计算出单元孔几何参数之间的相互关系,将该结构应用于可控多孔结构零件成型。通过调整成型过程中能量输入大小和单元孔的几何参数,减少成型过程中飞溅和粘粉缺陷。经过多次工艺优化,获得最小单元孔线框直径0.1-0.15mm、孔直径0.2-0.25mm、线框倾斜角度45°的可控多孔结构零件,满足了高孔隙率、小孔径与细线框的要求。


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