内置流道钛合金成形件SLM成形质量评估与工艺优化研究

发布时间：2020-05-31 12:23

【摘要】：钛合金材料由于其具有耐高温、低密度、比强度高和抗腐蚀性能好等优点,被广泛应用于医疗、建筑和航空等领域,但由于其拥有比较活泼的化学性能,极易在高温状态下发生氧化反应,在切削加工过程中,容易发生粘刀现象,严重影响成形精度。此外对于一些内部结构复杂的成形件,传统加工方式成形困难,尤其是加工完成后内部结构难以进一步处理。选择性激光熔化成形技术作为一种应用较广泛的增材制造方式,具有可成形任意复杂结构、加工工艺简单和设计周期短等独特优势。本文从选择性激光熔化成形理论基础出发,研究扫描策略对成形精度的影响、工艺参数对内置流道钛合金件成形精度的影响以及选择性激光熔化加工工艺参数优化等,最终实现内置流道钛合金成形件SLM成形质量评估与工艺优化研究,主要研究内容如下:1、激光与粉末相互作用机理以及熔池理论研究。介绍了激光在粉末间的能量传递形式、金属材料对激光能量的吸收转化以及激光对金属粉末材料的加热机理,基于金属粉末的熔化与凝固机理分析熔池对流对成形形貌的影响,通过ANSYS模拟仿真分析了激光功率、扫描速度、扫描间距和扫描策略对SLM成形温度场的影响,阐述了选择性激光熔化成形工艺的外延凝固机理。2、扫描策略对成形精度的影响研究。以Ti-6Al-4V钛合金为原材料粉末,分别通过600目筛子筛选和精密烘箱加热得到具有不同流动性的TC4粉末,使用三坐标测量仪结合PolyWorks软件综合评价粉末流动性对样件成形精度的影响,通过成形实验对比分析了常用的三种扫描策略对成形件表面粗糙度、尺寸精度和形位误差的影响,确定了最优扫描策略,为后续工艺参数对内置流道钛合金件成形精度的影响研究提供基础。3、工艺参数对内置流道钛合金件成形精度的影响研究。研究了激光功率、扫描速度和扫描间距对内置流道钛合金成形件不同尺寸内孔成形精度影响,得到尺寸误差、平面度和粗糙度的变化规律以及适宜的工艺参数范围,基于获得的工艺参数范围采用单因素实验法研究了工艺参数对内置流道钛合金成形件3mm内孔道尺寸精度、平面度和粗糙度的影响,进一步缩小SLM成形工艺参数范围,为后续的工艺参数优化提供基础。4、选择性激光熔化加工工艺参数优化研究。基于激光功率、扫描速度和扫描间距对成形件尺寸精度、平面度和粗糙度的影响规律以及响应面回归分析建立的数学模型,以gamultiobj函数为计算工具对优化模型求解,获得选择性激光熔化成形工艺参数的Pareto最优解集,并通过成形具有不同尺寸内孔道的钛合金样件加以验证,为内置流道钛合金SLM成形件的实际加工提供了参考依据。
【图文】：

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第一章绪论第一章绪论1.1 课题背景钛合金作为航空发动机风扇、压气机轮盘和叶片等飞机重要构件的主要材料，它的成形精度是航天飞机卓越工作性能以及长服役年限的重要保障。钛合金与其他金属材料相比，具有强度高、密度小、机械性能好、抗蚀性能好等优点，被广泛应用于医疗、建筑、航空航天和生物工程等领域[1]。目前，欧洲很多国家将钛合金材料应用到航天飞机以及发动机制造中，其中英国、美国等发达国家在航空航天领域使用的钛合金量已经达到钛产量的 50%，随着科技的进一步发展，钛合金材料在飞机整体结构设计中占比逐步增加。这一现象体现了，，钛合金材料在航空航天领域内的应用水平已成为衡量一个国家飞机先进性的重要标志之一[2]。

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kard 博士和德克萨斯大学的 Joe Beaman 博士共同开发提出的，同时他公司，主导 SLS 机器的设计与开发。在 2001 年，该公司被 3D system system 仍是全球领先的研发 SLS 设备的公司[4]。性激光烧结技术使用高功率激光器有选择性的分层烧结成形材料粉末造形成最终样件，原理图如图 1-2。通过电脑预先设计好的三维模型软件将三维模型转化成 N 层二维信息的 STL 文件，SLS 设备根据每先铺好粉末，激光器通过扫描振镜逐步熔化成形材料，完成一层打印移动一层，重复以上操作，最终形成样件。选择性激光烧结技术区别造技术主要体现在成形粉末，选择性激光烧结的成形材料分为添加粘结剂，添加粘结剂的成形材料在成形过程中，温度达到粘结剂的熔点将成形材料粘结在一起[5]。而不添加粘结剂的，通常粉末中含有两种熔点低的材料达到熔点后熔化，而熔点高的材料保持固体形态，随后材料将熔点高的材料粘接在一起最终形成样件。从以上成形的过程来特点是通过粉末熔化粘结成形，导致成形件有大量的孔隙，致密度很进行热等静压处理来提高性能[6]。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V261;TG146.23;TG665

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