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金属粉末熔化快速成型技术的研究进展(3)

时间: 2011-07-17 20:05 来源: 作者: 点击:

5 选择性激光熔化成型件性能
  SLM成型件性能主要包括残余应力、残余应变、显微组织和机械性能。
  (1)残余应力、残余应变。
  金属粉末在SLM成型过程中,会因温度梯度产生热应变和残余应力,进而影响成形过程。研究结果表明:翘曲、裂纹、热应力、表面粗糙、显微组织等问题主要是因成型过程中激光作用下的快热快冷(淬火)所致。为此,提出了双激光(CO2、Nd-YAG)扫描系统方案。
  (2)显微组织。
  工艺参数会影响SLM成型件的显微组织。如果激光扫描速度快,那么冷却速度也会较快,使显微组织更细,有利于提高SLM成型件的机械性能。
  (3)机械性能。
  SLM成型件的机械性能主要包括强度、硬度、精度和表面粗糙度等。SLM成型件的弯曲强度受激光工作模式的影响,在脉冲及其反冲作用力工作模式下的SLM成型件,其最大抗弯曲强度为630MPa,未经任何处理的成型件表面粗糙度达10μm~30μm。因SLM成型件的相对致密度未达到100%,所以抗弯强度等机械性能会受到一定的影响。

  6 选择性激光熔化成型过程的数值模拟
  SLM成型过程是一个激光束熔化粉末、相变和凝固冶金结合的过程。在SLM成型过程中,粉末在极短(毫秒级)的时间内熔化,温度梯度大,通过试验方法测量其温度动态过程比较困难;而通过有限元法模拟分析并揭示其成型过程,能够为制定合理的工艺参数、减少试验次数、成型高质量零件提供重要的理论指导。

  7 选择性激光熔化成型技术的应用
  选择性激光熔化成型技术可以直接成型金属零件,主要有生物医用零件、散热器零件、超轻结构零件、微型器件等。因此,SLM技术在成型薄壁零件、超轻结构零件方面的研究及应用较多。

  8 选择性激光熔化与热等静压(SLM/HIP)复合成型技术
  SLM成型件内部存在残余应力且致密度仍有待提高,因此其机械性能受到了影响。为提高成型件的综合机械性能,可以采用SLM与热等静压(Hot Isostatic Pressing,HIP)复合成型技术。但是这种针对金属粉末的SLS与HIP相结合的复合成型技术还不成熟,SLS技术难以直接成型致密外壳。为解决这方面的不足,使SLM技术直接成型致密金属外壳来替代包套,从而实现SLM与HIP的复合成型技术,为快速成型技术的应用提供新的发展思路。

  选择性激光熔化技术的发展趋势

  目前我国正在大力发展飞机制造业,选择性激光熔化技术在飞机零件制造上具有不可比拟的优势,不仅可以快速地生产出小批量飞机零件,而且在产品开发阶段可大大缩短样件加工时间,节省大量开发费用。
通过以上的分析,SLM技术的优点总结如下:
  (1)能将CAD模型直接制成终端金属产品,只需要简单的后处理或表面处理工艺。
  (2)适合各种复杂形状的工件,尤其适合内部有复杂异型结构(如空腔、三维网格)、用传统机械加工方法无法制造的复杂工件。
  (3)能得到具有非平衡态过饱和固溶体及均匀细小金相组织的实体,致密度几乎能达到100%,SLM零件机械性能与锻造工艺所得相当。
  (4)使用具有高功率密度的激光器,以光斑很小的激光束加工金属,使得加工出来的金属零件具有很高的尺寸精度(达0.1mm) 以及很好的表面粗糙度值(Ra=30μm~50μm)。
  (5)由于激光光斑直径很小,因此能以较低的功率熔化高熔点金属,使得用单一成分的金属粉末来制造零件成为可能,而且可供选用的金属粉末种类也大大拓展了。
  (6)能采用钛粉、镍基高温合金粉加工解决在航空航天中应用广泛的、组织均匀的高温合金零件复杂件加工难的问题;还能解决生物医学上组分连续变化的梯度功能材料的加工问题。
  由于SLM技术具有以上优点,它具有广阔的应用前景和广泛的应用范围,如机械领域的工具及模具(微制造零件、微器件、工具插件、模具等)、生物医疗领域的生物植入零件或替代零件(齿、脊椎骨等)、电子领域的散热器件、航空航天领域的超轻结构件以及梯度功能复合材料零件等。
  特别是在航空航天领域,应用较多的是典型的多品种小批量生产过程,尤其是在其研发阶段,SLM技术具有不可比拟的优势。有些复杂的工件,采用机加工不但浪费时间,而且严重浪费材料,一些复杂结构甚至无法制造;铸造能解决复杂结构的制造问题并提高材料利用率,但钛和镍等特殊材料的铸造工艺非常复杂,制件性能难以控制;锻造可有效提高制件性能,但需要昂贵的精密模具和大型的专用装备,制造成本很高。而采用SLM方法则可以很方便、快捷地制造出这些复杂工件,在产品开发阶段可以大大缩短样件的加工生产时间,节省大量的开发费用。我国正在全力推进大飞机的研发工作,SLM技术将可以在其中发挥巨大的作用。
  可以说,SLM技术代表了快速制造领域的发展方向,运用该技术能直接成型高复杂结构、高尺寸精度、高表面质量的致密金属零件,减少制造金属零件的工艺过程,为产品的设计、生产提供更加快捷的途径,进而加快产品的市场响应速度,更新产品的设计理念和生产周期。SLM技术在未来将会得到更好、更快的发展。
  但是,由于巨大的市场价值与商业机密,目前SLM技术的发展与推广还存在一些问题。主要是SLM设备十分昂贵,工作效率低;并且由于大工作台范围内的预热温度场难以控制,工艺软件不完善,制件翘曲变形大,因而无法直接制作大尺寸零件,目前还只能制作一些尺寸较小的工件。只有解决以上问题,研发出可靠性和技术指标达到国际先进水平、价格低廉、具有自主知识产权的SLM设备、成型材料和配套的工艺路线等,才能在我国推广这项技术。

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