316L不锈钢激光熔覆实体成形控形工艺研究

摘要

激光熔覆成形技术作为一种新兴的增材制造技术，广泛的应用在航空、航天、医疗、生物、汽车制造等领域。激光熔覆成形工艺对成形件的尺寸和形状有很大影响，合理控制成形工艺至关重要。目前相关研究主要集中在工艺参数对单道单层熔覆层形状的影响以及搭接率对单层熔覆层形状的影响上，对单层扫描路径和Z轴提升量等其他工艺的研究较少且不深入，且目前研究方法大多集中在实验层面，对数据的需求量很大，实验费时费力，针对不同材料或不同激光熔覆系统的适应性低。因此需要利用仿真和计算对单层扫描路径和Z轴提升量等激光熔覆成形控形工艺进行研究。 本文进行了单层扫描路径选择研究，采用数值模拟方法分析扫描路径对温度场的影响，在激光功率1000W、扫描速度5mm/s、送粉速率0.15g/min、扫描间距1.5mm、基体尺寸40mm×30mm×7mm时，同向熔覆边界处熔池最高温度比反向熔覆低约300℃，异侧熔覆边界处熔池最高温度比同侧熔覆低约500℃。结果表明同向熔覆和异侧熔覆熔池温度更加稳定，反向熔覆和同侧熔覆边界熔池温度过高。熔池温度影响熔覆层高度和宽度，实验对比不同扫描路径下的熔池温度以及熔覆层特征，同向熔覆和异侧熔覆过程中的熔池温度更加适中、稳定，熔覆层表面平整度更高，实验结果与仿真结果基本相符。 进而，进行了离焦量和Z轴提升量选择研究，基于概率学构建了同轴送粉式激光熔覆粉末分布模型，得到了不同离焦量下熔覆高度计算公式并进行实验验证，不同离焦量下熔覆高度计算结果与实验结果基本一致。提出了任意负离焦量和Z轴提升量下多层熔覆成形薄壁件高度的计算方法并进行实验验证，多层熔覆成形薄壁件高度的计算结果与实验结果基本一致。进一步给出了定高度实体件激光熔覆成形时离焦量和Z轴提升量的选择方法。 最后，进行了316L不锈钢实体件的三维实体成形实验，结果表明按照本文提出的控形工艺选择方法选择工艺参数进行316L不锈钢激光熔覆实体成形，可以提高成形件的尺寸精度以及表面平整度，整体上提高成形质量。

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