12CrNi2激光金属直接成形工艺研究及残余应力分析

发布时间：2020-03-26 10:30

【摘要】：激光金属直接成形技术是基于激光熔覆技术以及快速成型理论所形成的一种新型激光增材制造技术。由于其层层堆叠的制造特点可以将传统的三维减材成形转化为二维增材成形。该技术具有加工精度高、经济性好、建模简单、加工周期短等优点,具有极其广泛的研究前景,目前已经被列入“中国制造2025”计划。本课题以激光增材制造核电动力系统凸轮轴为背景,对12CrNi2粉末激光金属直接成形技术进行“控形”、“控性”以及应力分析三方面的研究,获得成形无缺陷并且性能良好的工艺参数,并借助有限元技术与实际测试对其成形试件的残余应力分布进行分析。通过宏观金相分析以及渗透探伤检验,对SUS304不锈钢、Q460E两种基板材料,不同转速的送粉量,不同激光功率参数进行工艺窗口确定。在功率1300W以上获得了无未熔合的成形试件,选用Q460E基板获得了无裂纹的成形试件,选用8g/min的送粉量获得较高层厚,且无缺陷的成形试件。在确定工艺窗口基础上,通过ABAQUS软件有限元分析技术对激光功率、预热温度、扫描速度三种参数增材成形的温度场以及残余应力分布进行了数值模拟,得出了各参数对熔池最高温度、温度梯度、冷却速率、残余应力的影响规律,并指导下一步试验。在确定工艺窗口的基础上各参数成形试件致密度均高于95%,随扫描速度与激光功率增加致密度略有下降。表层组织为贝氏体、马氏体和针状铁素体,里层组织为粒状贝氏体和铁素体。各试件强度均高于12CrNi2国家标准强度790MPa,经综合对比分析1400W,预热150℃、扫描速度8mm/s为最优佳工艺参数,其抗拉强度最高,为911MPa,高出国家标准15%。各试件截面硬度分布从表层至里层有所下降,预热300℃与扫描速度6mm/s两种参数试件硬度下降明显。随激光功率增大、扫描速度降低以及预热温度减少,残余应力值有所增加,试件测试区域纵向应力在176MPa-293MPa之间,横向应力在173MPa-281MPa之间。纵向应力在后端沉积道区域拉应力集中,横向残余应力在试件沿长度方向两侧区域拉应力集中。
【图文】：

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并使用同轴自动化送粉装置的将瞬间被激光熔化的粉末送入熔池区域从而实现粉逡逑末与基板之间的结合，最后通过轨迹运动控制，形成与最终生产零件尺寸接近的近净成逡逑形零件Ｍｉ。图１．２为激光金属直接成形的原理图。逡逑Ｚ逡逑ｘ逦基板逡逑图１．２激光金属直接成形原理图逡逑Ｆｉｇｌ邋．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｌａｓｅｒ邋ｍｅｔａｌ邋ｄｉｒｅｃｔ邋ｆｏｒｍｉｎｇ逡逑激光金属直接成形的工艺流程如下，在建模阶段先使用ＣＡＴＩＡ、Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ等ＣＡＤ逡逑软件进行需求零件的模型设计，而后将其转化为３Ｄ打印的标准格式ＳＴＬ文件并将原有逡逑２逡逑

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逡逑度下材料的屈服强度时就会导致裂纹等缺陷生成［２１］。图１．４为激光金属直接成形试件中逡逑应力导致的裂纹。逡逑图１．４激光金属直接成形的裂纹缺陷逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｃｒａｃｋ邋ｄｅｆｅｃｔｓ邋ｉｎ邋ｌａｓｅｒ邋ｍｅｔａｌ邋ｄｉｒｅｃｔ邋ｆｏｒｍｉｎｇ逡逑针对激光金属直接成形的残余应力问题，基板预热是一种有效的应力调控方式可以逡逑提高金属材料对激光的吸收率、减少温度梯度和冷却速率，对裂纹及显微组织都有良好逡逑的改善［２２］。应力问题一直都是困扰激光增材技术的瓶颈问题，急需深入的对应力应变机逡逑制与影响规律的研究。逡逑（３）冶金缺陷逡逑激光金属直接成形的过程中随基板表面状态、熔池的不稳定波动、工艺参数搭配选逡逑取、扫描轨迹和粉末烘干程度等条件变化，会形成一些不稳定因素导致增材试样层与层逡逑之间、相邻两道的搭接区域、增材层与基板之间形成冶金缺陷，如层间未熔合、搭接区逡逑未熔合、气孔、夹杂等缺陷，最后对零件整体的力学性能产生影响，所以工艺参数的选逡逑择极其重要。逡逑１．３激光金属直接成形技术的国内外研究现状逡逑激光金属直接成形技术从上世纪８０年代初产生雏形，最先由美国Ｓａｎｄｉａ与美国逡逑Ｏｐｔｏｍｅｃ公司合作研发。２０１６年３月
【学位授予单位】：大连交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM623

【参考文献】