激光熔覆快速成形光内同轴送粉斜壁堆积的初步研究

摘要

许多金属零件都有侧壁倾斜的几何特征。本研究针对金属件激光熔覆快速成形过程中斜壁成形无底材支撑的问题，采用光内同轴送粉成形的新工艺堆积斜壁实体，并与传统的光外侧向送粉和多粉路同轴送粉成形工艺进行比较。 通过试验、比较和分析得出：光内同轴送粉成形工艺在一定程度上克服了部分侧向送粉和同轴送粉成形的不足，激光束与粉末几何耦合性好，实现了光、粉、气的一体同轴，单粉束光内同轴正向垂直输送，入光率高，发散小，保护气流对粉末流运动无干扰，成型件表面光洁度高，侧面无未熔化颗粒，尺寸精度高，有利于斜壁的堆积成形。 建立环形光作用下粉末的温升模型，通过计算粉末的温升情况，确定粉末颗粒到达熔池时的状态，以此来选择斜壁成形时的工艺参数，确保得到良好的熔覆质量。 在多模激光束模式下，利用新型光内同轴送粉喷头进行了多次单道熔覆扫描试验，探索了不同工艺参数(激光功率、扫描速度、送粉速度)与熔覆层质量的关系。建立了有关斜壁倾斜角度的理论模型，找到影响倾斜角度的工艺参数以及这些工艺参数与倾斜角度的关系。在此基础上设计并进行无支撑偏移堆积斜壁的试验，试验证明：斜壁的倾斜角度与偏移量、扫描速度成正比，与送粉速度成反比，与理论模型的研究结论基本相符。提出了偏移率的概念，分析了斜壁塌陷的原因以及倾斜极限与偏移率的关系。研究并分析斜壁成形工艺过程特征，包括斜壁内外表面粗糙度不一致、斜壁上下宽度不一致以及斜壁上下厚度不一致等现象，并提出了改进措施。进行无支撑偏移堆积斜壁试验，实验过程中不断修正Z轴增量和激光功率，得到了具有一定倾斜角度和高度，且外观形貌质量好的斜壁结构。 比较了光内、光外送粉方式下斜壁件的成形质量，结果表明：采用光内送粉的方式成形出的斜壁件其倾斜角度已经大于光外送粉方式下的倾斜角度极限值30°，其表面粗糙度小且具有一定的垂直高度。 对单道熔覆层和斜壁实体进行了显微分析与硬度检测，结果发现：涂层与基体以及涂层与涂层之间形成了良好冶金结合；单道熔覆层显微组织致密，无气孔、裂纹等缺陷；斜壁成形件的上中下部组织都有着快速凝固的特征，组织从底部到顶部逐渐变得细密，同一平面上的组织由于采用了偏移堆积的方式，外表面的组织明显比内表面致密；单道熔覆层横截面上硬度分布均匀；斜壁成形件的硬度由熔覆层的表面向基体方向呈递减趋势。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1选题依据及研究意义

1.2快速原型技术发展概论

1.2.1快速原型技术基本原理

1.2.2快速原型技术发展

1.2.3金属快速原型国内外研究进展及现状

1.2.4激光堆积金属斜壁国内外研究现状

1.3本课题的主要研究内容

第二章激光熔覆快速制造技术基础

2.1激光熔覆快速制造技术概述

2.1.1 LCRM技术原理

2.1.2 LCRM中的关键技术

2.2激光熔覆理论基础

2.2.1激光与金属粉末材料的相互作用

2.2.2熔池的传热与传质

2.2.3熔池的凝固与成长

2.3本章小结

第三章光内同轴送粉工艺及温升模型

3.1光内同轴送粉工艺与装置简介

3.2环形光作用下粉末的温升模型

3.3光内送粉方式对成形件质量的影响

3.4本章小结

第四章斜壁堆积实验条件及方法

4.1实验条件

4.1.1实验设备

4.1.2实验材料

4.1.3测试分析装置

4.2激光束焦点位置的选择

4.3工艺参数的初步选择

4.4斜壁堆积成形试验

4.4.1斜壁堆积成形试验方案

4.4.2斜壁堆积成形PMAC程序设计

4.4.3斜壁倾斜角度α的理论模型

4.4.4斜壁实体的性能分析方法

4.5本章小结

第五章光内同轴送粉斜壁堆积试验与结果分析

5.1光内同轴送粉单道熔覆成形试验

5.1.1工艺参数对单道熔覆层形貌的影响

5.1.2工艺参数对单道熔覆层高度和宽度的影响

5.1.3单道熔覆层显微组织及硬度的检测与分析

5.2光内同轴送粉斜壁堆积试验结果分析

5.2.1工艺参数对斜壁倾斜角度的影响

5.2.2斜壁成形时偏移率的选择

5.2.3斜壁实体显微组织及硬度的检测与分析

5.3斜壁实体的缺陷特征分析及改进措施

5.3.1斜壁实体的缺陷特征分析

5.3.2斜壁实体缺陷特征的改进措施

5.4斜壁实体成形实例

5.5光内、光外送粉方式下斜壁件成形结果比较

5.6本章小结

第六章结论与展望

6.1全文总结

6.2后续研究工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢