环列式多激光束熔丝增材制造工艺特性研究

发布时间：2020-05-13 19:32

【摘要】：空间在轨增材制造被认为是为实现未来深空探索“即造即用”后勤保障模式提供了可能,可大幅缩减进行太空探索成本,因此亟需加快发展该技术。由于空间微重力环境的限制,研究证明高能束熔丝增材制造是未来金属材料空间在轨制造的可行技术。针对目前金属丝材增材制造侧向送丝引起的成形方向性等问题,本文致力于开发环列式多激光束熔丝增材制造,研究其成形工艺特性,掌握关键工艺参数对成形质量的影响规律,为金属丝材增材制造技术发展提供技术支撑。本文以Ti-6Al-4V合金丝材为试验材料,在真空环境下进行了熔覆道和薄壁件成形,研究了其工艺特性与组织性能,优化了工艺参数,并基于此完成三种典型样件的成形。对于单道单层熔覆道,研究表明:环列式多激光束熔丝增材制造技术消除了激光束方向性带来的影响,实现各向同性。扫描速度和激光功率对熔覆道形貌和宽高比的影响较大,宽高比随着扫描速度和激光功率的增大而增大,送丝速度和离焦量的影响较小。单层单道熔覆道中,组织多为针状马氏体?',随着扫描速度的增大,组织中针状?'尺寸减小,随着激光功率、离焦量的增大,晶粒尺寸变大,送丝速度对组织影响较小;随着送丝速度的增大,熔覆道硬度逐渐减小,负离焦时熔覆道的硬度明显小于正离焦时,扫描速度和激光功率对熔覆道硬度影响较小。在单层多道搭接成形中,随着扫描间距的增大,熔覆道未熔合缝隙和轮廓最大高度呈增大趋势,熔覆道交界处存在细小针状?',且交界处硬度明显比熔覆道硬度大。对于单道多层薄壁件,弓字形扫描路径成形的薄壁件长度损失较少。薄壁件一般第1层宽度大于第2层,从第2层开始,各层宽度先增大后逐渐保持不变。薄壁件顶部组织主要为细长的针状马氏体?',中部主要为短小的杆状α交叉形成的网篮组织,底部主要为短棒状α相。由于顶部较多的?'相,硬度高于其它部位;分析了z轴增量和偏移量对薄壁件成形的影响规律,确定了合适的参数。基于以上研究,选择优化后的工艺参数,设计了方框形、圆筒形和倾斜圆筒形三种典型样件的成形。通过设置圆角和重合角度分别解决了成形过程中拐角和熔覆道首尾熔合差等问题,提高成形稳定性,得到形貌较好的样件。
【图文】：

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为未来太空制造打下基础。之后 Karen 等[11]利用 EBF3技2219 铝合金的成形制造，确定了工艺窗口，研究了扫描速度、送丝速率对微观组织、力学性能的影响规律。结果表明 EBF3技术工艺窗口得无缺陷、性能好的成形件，拉伸性能对工艺参数不敏感，在接下了更好进行热管理，需要进一步优化工艺，得到了工艺-组织-性能的omack 等[12]进一步研究了 2219 铝合金 EBF3成形过程中，微观组织对控机制。Matz 等[13]针对 718 合金的 EBF3成形，基于工艺参数和合预测碳化物最大尺寸的模型。Snyder 等[14]将 3D 打印机置于不同重力试验，研究重力加速度对成形精度的影响，结果发现随着重力加速形件的层间距离越小。Gentry 等[15]利用增材制造技术在微重力环境物细胞簇，，并成功制造出非活性结构性的骨质和牙齿珐琅质。目前，失重飞机上进行了短时微重力 EBF3成形试验，观测到电子束熔融金成形过程（如图 1.2 所示），发现微重力条件下表面张力作用对成形响。

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图 1.2 NASA 失重飞机电子束自由成形试验Fig.1.2 Electron beam free-formation test for weightless airplanes by NASA与美国 NASA 一样，欧洲航天局（ESA）也正在积极研究 3D 空间打印技术。2013 年 1 月，ESA 启动了“以实现高技术金属产品的高效生产与零浪费为目标的增材制造项目”（AMAZE 计划）。AMAZE 计划应用领域包括两个方向：（1）快速生产大型零缺陷增材制造金属零件（2m 以上），产品应用于科技含量较高的航空航天、空间站、核聚变等领域。（2）找到适用于太空的金属 3D 打印技术，将 3D 打印机送上国际空间站。未来进一步应用 3D 打印技术，利用月球现成的风化层土壤在月球上制造可供 4 人居住的设施。此外，英国伯明翰大学[16]则采用金属丝材电加热熔化成形技术，其系统示意图见图 1.3，目前该新型 3D 打印机在 ESA微重力模拟中进行了测试，主要是针对铝合金开展打印研究工作。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665;TN249

【参考文献】