基于光内同轴送粉光粉耦合及高层成形技术的研究

摘要

激光熔覆快速成形LCRM(Laser Cladding Rapid Manufacturing)是激光熔覆技术与快速成形技术的结合，它综合了激光熔覆与快速成形技术的优点，成为目前先进制造技术的一个重要研究方向。目前此项技术中成形所采用送粉方式多为多粉管光外侧向同轴送粉。光外侧向送粉成形有一些不足之处，其激光束与粉末耦合性差，成形件表面较粗糙，热作用效率低，成形高层高精度零件比较困难，金属粉末利用率只能达到20％～30％。本文采用一种新的光内同轴送粉成形工艺，重点对光内送粉的光、粉耦合及高层堆积技术进行研究。 光外送粉与光内送粉的本质区别在于激光光路与金属粉末的耦合方式以及输送变化。本文分析了光内送粉光束与粉末的耦合与输变，并与光外送粉方式进行了比较。分析表明，光内同轴送粉具有光斑能量分布可调，可达到光、粉最佳耦合状态；粉束细小利于精密加工；粉束在垂直下落过程中吸热效果好，激光能量利用率高，粉末飞溅少，环境污染小且粉末利用率大大提高；工件表面未熔颗粒少，利于提高表面质量等诸多优势。 在激光熔覆制造过程中，高功率激光作用下的金属粉末流中存在能量、动量和质量输送物理过程，它们直接决定激光制造零件的尺寸、精度和性能。本文对光粉耦合过程中金属粉末颗粒的温升进行了计算建模，得出粉末颗粒的温升与在光束中运动的时间长短及粉末颗粒大小有关，根据试验时具体参数，计算出了粉末颗粒的温升。 利用研制的光内同轴送粉喷头，辅以适当的层高控制及温度控制方法，进行了高层柱形和锥形薄壁回转件的堆积试验。得到了高度为124mm、厚2.2mm，表面粗糙度近6.3μm的圆柱薄壁件和高度为54mm、厚2.5mm，倾斜角为12.5°的圆锥薄壁件。与光外同轴送粉成形工艺相比，新型送粉喷头的使用性能和工艺性能具有明显的优越性。成形件表面粗糙度低，无未熔化颗粒，表面精度和尺寸糟度都得到很好保证。最后对成形件的力学性能、硬度等进行的测试结果表明：成形件组织致密无缺陷，硬度高且均匀，抗拉性能良好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 LCRM技术简介

1.1.1 LCRM技术原理

1.1.2 LCRM技术的主要特点

1.1.3 LCRM技术的应用

1.1.4 LCRM技术中的关键技术

1.2激光熔覆堆积成形国内外研究现状

1.3激光光外送粉快速成形技术存在的问题

1.4本课题研究的主要内容

第二章激光熔覆快速成形系统

2.1激光熔覆快速成形系统组成

2.1.1实验系统原理

2.1.2激光熔覆成形实验系统组成

2.2激光模式的选用

2.3实验方法

2.4实验材料及工艺参数

2.5本章小结

第三章光内同轴送粉光粉耦合研究

3.1光内同轴送粉光束与粉末的输送与变化

3.1.1光内同轴送粉光束输送的变化

3.1.2光内同轴送粉光斑的变化

3.1.3光内同轴送粉金属粉末的输变

3.1.4金属粉末浓度

3.2金属粉末颗粒温升的研究和计算

3.2.1光内同轴送粉金属粉末颗粒温升模型

3.2.2粉末颗粒温升的计算及分析

3.3本章小结

第四章光内送粉激光快速成形高层薄壁回转体实验研究

4.1前言

4.2单道和斜壁堆积熔覆实验

4.2.1激光功率对单道熔覆质量的影响

4.2.2送粉速率对单道熔覆质量的影响

4.2.3斜壁堆积实验

4.3圆柱薄壁回转体堆积实验

4.3.1圆柱薄壁回转体堆积实验方案

4.3.2圆柱薄壁回转体堆积实验

4.4圆锥薄壁回转体的实验

4.4.1圆锥薄壁回转体的实验方案

4.4.2圆锥薄壁回转体堆积实验

4.5高层薄壁回转体零件堆积的研究与分析

4.5.1 △z对高层薄壁回转体零件堆积的影响及层高控制

4.5.2温度对薄壁回转体堆积的影响及温度控制

4.6粉末利用率的测量

4.7本章小结

第五章激光熔覆快速成形件组织与性能分析

5.1概述

5.2零件表面质量分析

5.3抗拉性能

5.4成形件质量分析

5.4.1成形件宏观质量分析

5.4.2成形件微观金相组织分析

5.5本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

攻读学位期间公开发表的学术论文

致谢