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选择性激光熔化制备纯钨材料的成形机理研究

谢琰军  
【摘要】:选择性激光熔化作为一种可精细制备复杂结构的金属增材制造技术已得到广泛重视和大量研究。现阶段由于应用材料少,对相关材料的成形机理认识不足,制约了该技术的广泛应用。本文主要以纯钨为研究对象,针对选择性激光熔化过程的成形机理开展研究。研究了纯钨粉末特性对选择性激光熔化铺粉及熔化成形过程的影响规律,认为铺粉过程主要受粉末流动性和铺粉层厚影响,粉末的高流动性有利于铺粉过程进行,且随层厚增加,铺粉变得连续;铺粉密度(松装密度)影响粉末床层的导热系数,进而影响受激光熔化金属液的高温停留时间,最终对成形样品产生影响。为实现纯钨薄壁件壁厚及表面质量的控制,对纯钨选择性激光熔化过程中的微熔池特性及薄壁件成形机理进行了研究。确定了制备纯钨薄壁件的激光参数范围,分析了纯钨薄壁件的壁厚与激光参数的关系,建立了相应的经验公式,并对相应激光参数下制备样品的表面状态和缺陷进行了分析。研究发现纯钨薄壁件的壁厚随激光功率的增加线性增加,随激光扫描速度的升高呈指数降低;较高的激光功率会导致薄壁交叉的部位出现裂纹;提高激光输入能量密度或激光重熔可以降低样品表面的粗糙度;合理的工艺参数可以避免出现较大的“钨黏附体”;采用熔池凝固收缩原理阐述了激光重熔对壁厚的影响机理。对纯钨块体材料的成形机理进行了研究。研究发现随输入激光能量密度的增加,样品表面变得光滑,内部孔隙减少,密度增加,采用300 W、200 mm/s的激光扫描参数制备出了相对密度为97%的纯钨块状样品;样品内部晶粒随激光输入能量密度的增加方向性变得明显,且晶粒尺寸不断增大;优化激光扫描策略也可减少缺陷产生。对选择性激光熔化TC11和7075合金的成形性能进行了扩展研究,对比分析了纯钨、TC11和7075合金在选择性激光熔化过程中的成形机理及裂纹产生机理。研究发现TC11合金成形过程的主要缺陷为孔隙,且因工艺参数的不同孔隙的形状及产生机理有明显差异;7075合金成形过程的主要缺陷为裂纹,激光工艺参数对裂纹形态及最终样品性能有显著影响;从结晶温度区间,晶粒尺寸、成分、冷却速度和制备过程的拘束度等方面对纯钨、7075合金的裂纹产生机理及TC11合金较好的成形性能进行了分析和阐述。


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