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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。


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