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小型化激光熔覆沉积增材制造装置研制

发布时间:2020-05-25 02:55
【摘要】:激光熔覆沉积金属是增材制造技术的主要研究方向之一,在航空航天、军事装备等领域具有广泛的应用前景。对于钛合金等活泼金属的激光熔覆沉积成形,应该避免成形时高温氧化,需要无(低)氧化的成形环境对熔池进行保护。目前具备熔池保护能力的激光熔覆沉积成形设备普遍体积庞大、消耗惰性气体量巨大、气体置换时间长且价格昂贵,不适合实验室工艺研究频繁使用的要求,设计一套小型化的无(低)氧无水的激光熔覆沉积成形装置,及其成形控制系统显得尤为必要。通过比较抽真空和气体置换两种获取低氧和低水成形环境对设备造成的影响,提出将激光熔覆头整体放入成形环境的方案,确定成形室箱体为0.8 m×0.8m×1.3 m的方形结构。然后利用有限元软件分别对成形室箱体厚度进行分析,确定3 mm厚的304不锈钢板和6 mm厚的6061铝板作为箱体材料,2 mm厚的空心方管作为支撑架和悬挂架,实现小型化和轻量化的成形室设计。利用分子筛脱水和铜触媒脱氧原理设计了循环净化器,通过循环净化器降低成形室的水和氧含量,与大型设备相比能够快速实现低氧低水的要求,为激光熔覆沉积活泼金属快速提供惰性气体保护环境。利用四轴运动控制器将运动执行部分和相关控制电路集成,完成了硬件设计,实现三维平台运动和激光、送粉等的控制。利用MFC开发出配套的工艺控制软件,该软件实现了CLI文件格式读取和运动控制代码生成,并能进行扫描路径优化和工艺参数调整。最后,利用该装置进行激光熔覆沉积钛合金实验,当充氩速率为30 L/min,成形室中氧含量值从大气降至0.00%VOL时需要35 min,惰性气氛成形室内成形件的氧含量为0.148%,比在大气下下降了55%,小于原始粉末的氧含量。成形件抗拉强度和屈服强度分别为1 178 MPa和1 105 MPa,延伸率为5.1%;成形件硬度从基板到熔覆层呈增大的趋势,熔覆层的硬度在390 HV左右,基板的硬度在370 HV左右,表明本研究开发的激光熔覆沉积装置能够制备高性能成形件。
【图文】:

激光熔覆,沉积过程


图 1-1 激光熔覆沉积过程工方式,激光熔覆沉积成形技术具有通过激光熔覆沉积制造技术成形的零高,与锻件相当。成本较低。能够快速地加工出零件的复杂的工序流程,只需在成形完成后进制造大尺寸、高性能、批量少的航空术极大依赖于成形设备。设备的成形的精度会直接影响成形零件的精度,制成形的质量。成形设备的研究现状现的前提是以先进设备作为支撑条件体保护装置的是美国 AeroMet 公司,A

惰性气体保护,设备


图 1-2 Huffman 惰性气体保护设备 图 1-3 DMD 惰性气体保护设备国内从 1998 年开始了激光熔覆沉积技术的研究和相关设备的研发[16]。典型表是北京航空航天大学王华明团队自主研制的成套钛合金工艺装备,此系统取动态密封的方式,利用惰性气体进行保护,为 C919 打印出了钛合金隔板风挡窗框等零件,其激光熔覆沉积成形室的尺寸达 4 m×3 m×2 m(图 1-4)。北工业大学黄卫东团队为了适应激光沉积技术的工艺需求,研发了高达 6 m激光立体成形设备(图 1-5),零件加工时成形室气氛中的水氧含量均保持在 5pm 以下;其自主开发的软件通过改变扫描方式、激光功率、扫描速度等关键数,,实现加工工艺参数的规划,并对工艺参数进行监控与记录,提高成形质。江苏永年激光的 LCD-500 设备、北京隆源的 AFS-D600 设备、南京煜宸激的 LDM8060 设备等都采用气体循环净化的方式,相对于成形室抽真空的方式水和氧含量低且对设备没有过高要求。
【学位授予单位】:石家庄铁道大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TG665

【参考文献】

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本文编号:2679445

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