金属零件选区激光熔化快速成型工艺及实验研究

摘要

选区激光熔化(SLM)是一种新型快速成型(RP)工艺，它从CAD原型出发，利用直径几十微米的高功率密度聚焦激光束，把金属或合金粉末逐层选区熔化，逐层堆积出组织致密、具有冶金结合和良好机械性能的零件。SLM技术多使用光束模式较好的半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器，功率在100W左右，可以达到30～50μm的聚焦光斑，功率密度高达5×10<'3>W／cm<'2>以上。在金属粉末直接快速成型的几种技术中，SLM技术的优势在于：可得到冶金结合的金属件，密度接近100％；制件有较低的表面粗糙度(Rz30-50μm)、较高的的拉伸强度和尺寸精度(<0.1mm)；制件外形不需进一步加工，经抛光或简单表面处理可直接作模具、工件使用。 SLM实验设备DiMetal-240采用了额定功率200W、平均功率100W的半导体泵浦的Nd:YAG激光器，能在工作平面上获得最小直径为50μm的聚焦光斑。该激光器采用高功率阵列半导体激光管代替常规泵浦源，具有效率高、热效应小、结构紧凑及高光束质量输出的优点。 详细说明了SLM数据处理过程，分层制造的一个主要的精度损失就是它所特有的台阶误差，合理的分层处理直接关系到SLM制件的加工效率、表面质量问题，不同的分层方式会对制件表面精度产生不同的影响。 从材料对激光的吸收、材料的熔化和凝固出发，系统分析了SLM成型机理，着重探讨了金属粉末在激光作用下的熔凝过程以及材料特性对成型过程的影响。SLM过程中熔体的凝固是一个动态凝固过程，即随着激光束的连续扫描，熔池不断向前推进，熔池中金属的熔化与凝固同时进行着。从成型的角度来看，材料的熔凝过程越平稳，“飞溅”现象越小，成型效果越好。根据SLM成型机理，在大量实验的基础上，最终在A3钢基板上成功堆积出不同形状的多层铜磷合金试样。 对铜磷试样进行了微观组织和缺陷分析，结果表明：试样内部组织较为致密，但在靠近熔池底部处局部区域容易形成较大气孔缺陷。通过估算孔洞面积占整体面积的比例，可以确定成型件的致密度在95％左右。熔化层表面氧化较小，各层之间可形成很好的冶金结合，试样内部组织主要由大量微米量级的等轴晶与少量枝晶组成。 总结了主要工艺参数对SLM成型的影响、成型过程中的球化和翘曲现象及成因，提出控制球化效应应从材料特性、工艺参数两方面入手。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章选区激光熔化数据处理

第三章选区激光熔化成型机理

第四章金属粉末选区激光熔化实验

第五章选区激光熔化成型多层铜磷试样分析

第六章选区激光熔化工艺中的几个问题探讨

结论与进一步设想

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢