增材制造316L不锈钢成型工艺及性能研究
发布时间：2021-07-06 01:09
不锈钢具有耐腐蚀性和良好的机械性能,广泛应用于汽车、建筑、医疗器械以及军事领域。采用传统的减材制造方式有着成本高、制造周期长、材料利用率低等缺陷。随着制造业的发展,增材制造利用堆积原理,将激光扫描和快速成型结合,可以实现316L不锈钢的复杂结构零件成型。目前针对应用增材制造的方法加工316L不锈钢板料的研究较少,而板料是金属成形的重要组成部分,316L不锈钢增材制造板料具有着重要的研究价值。由于使用增材制造技术成型的316L不锈钢存在着残余应力、球化、裂纹、孔隙等问题,往往成型性能比较差。为了更好地分析和解决上述问题,本文针对316L不锈钢的板材成形性能,通过分析工艺参数对316L不锈钢板料的性能影响,开展了如下研究:通过调整增材制造的工艺参数,以填充激光功率、扫描速度、扫描间距为变量,制备了多组的316L块体不锈钢,并根据成形情况,发现扫描间距过小时,会降低材料制备的成功率。通过线切割将增材制造的316L不锈钢块体切割成单向拉伸、剪切拉伸、平面应变拉伸和U型弯曲的试件,并进行静态拉伸试验,通过处理试验数据分析材料力学性能与制造工艺之间的关系,发现随着填充激光功率的增加,材料的力学性能...
【文章来源】：北方工业大学北京市
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
16L不锈钢材料传统制造不锈钢的方法主要是采取真空或者惰性气氛进行粉末冶金烧结[13]
第一章绪论5位于液面以下一定距离，激光系统的照射使得表面光敏材料的液体迅速凝固，然后承物台向下移动一段距离使得液体将固化部分的表面完全覆盖，通过反复光固化达到成形目的。掩膜光刻法如图1-2(b)所示，与直接光刻法原理基本一样，区别在于承物台位于液面上方位置，激光系统通过透镜照射到承物台下方的液面，然后将承物台上移，重复光固化过程，从而实现3D打印成型。在SLA过程中，光源和光敏液体材料这两项是必备要素，很大程度上，光敏材料限制了波长在一定范围的光源。SLA一般采用液体树脂作为材料，有着很大的优势，他可以打印任意的传统工艺难以加工的复杂零件，并且未加工的树脂重复利用率为100%。同样，SLA存在着很多局限，液体树脂成型后的性能目前比不上传统的工业塑料，且在使用过程中容易出现试件收缩，试件老化等问题，而且液体光敏树脂材料的价格高昂，制造过程中会产生刺激性气体。目前，SLA在部分小型零部件生产应用较多。(a)(b)图1-23D立体光刻技术2)喷墨印刷技术(Ink-jetPrinting)喷墨技术在1878年由Lord提出，原理如图1-3所示，液体粘合剂通过喷头将其喷出，然后滚轮将粉末送达承物台，通过粘合的方式，一层一层重复粘结，达到打印成型的目的。喷墨印刷技术所用的打印材料一般是固体粉末颗粒如陶瓷、聚合物或者玻璃等等[38-40]，颗粒尺寸一般在50-100μm[41]，喷墨印刷技术的时间成型率很高，且可以实现彩色打印，无需后处理环节，但是由于使用粘合剂进行成型，导致印刷的试件强度小，并且精度比SLA技术低。
第一章绪论6图1-3喷墨印刷技术3)选择性激光烧结/熔化技术(SLS/SLM)选择性激光烧结/熔融技术是目前金属3D打印的重要手段，诞生于20世纪80年代[42]，起初使用的是低熔点非金属粉末烧结，经过了一段时间的发展，1986年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校提出了高熔点粉末直接融化，并申请了专利，1988年，自主研发成功了世界上第1台SLM设备，它使用30～51μm的预置粉末材料，通过精细聚焦光斑达到快速熔化的效果，这种方式能直接获得任何形状的金属工程零件[43]。致密度十分接近100%，尺寸精度误差不超过20～50μm，表面粗糙度仅为20～30μm[44-45]。选择性激光烧结/熔融技术仍然是基于固体粉末的技术，它以高密的激光能量作为热量，在极短的时间内快速融化金属粉末，然后冷却快速成型。原理图如图1-4所示，在激光工作前，首先在承物台铺上一层粉末，然后通过激光使得粉末快速融化，未烧结部分的粉末仍然呈松散状态，在一层成型结束后，承物台下降，送粉台上升，通过滚轮将粉末运输到承物台，再重复之前的烧结过程，如此循环往复，直到加工结束。金属粉末打印一般在真空或者惰性气氛的环境中完成，这样能够防止金属在高温条件下和氧气等其他气体发生化学反应[46-47]。选择性激光烧结/熔融技术有着许多优点：1)选材广泛，包括塑料，陶瓷，金属等等[48-50]；2)未烧结粉末可以循环使用，利用率高；3)大功率激光烧结，成型速度快，提高了生产效率。同样选择性激光烧结/熔融技术存在着许多缺点，比如在金属成型过程中，需要用到高功率的激光，设备成本高，消耗大；成型的零件尺寸受到机器尺寸和扫描范围的制约，构件的成型尺寸有限；制备前需要设计支撑结构，并且打印完毕后成品一般需要热处理来消除残余应力。
【参考文献】：
期刊论文
[1]3D打印技术研究现状和关键技术[J]. 张学军,唐思熠,肇恒跃,郭绍庆,李能,孙兵兵,陈冰清. 材料工程. 2016(02)
[2]3D打印金属材料研究进展[J]. 郑增,王联凤,严彪. 上海有色金属. 2016(01)
[3]3D打印技术在现代外科领域的应用[J]. 史爱华,张洪科,刘仕琪,姜楠,汤博,杨丽斐,吕毅. 临床医学研究与实践. 2016(02)
[4]金属零件3D打印技术的应用研究[J]. 曾光,韩志宇,梁书锦,张鹏,陈小林,张平祥. 中国材料进展. 2014(06)
[5]3D打印技术的应用及发展前景分析[J]. 马金涛. 中国印刷. 2014(06)
[6]3D打印材料的发展现状[J]. 杜宇雷,孙菲菲,原光,翟世先,翟海平. 徐州工程学院学报(自然科学版). 2014(01)
[7]3D打印技术及应用趋势[J]. 李小丽,马剑雄,李萍,陈琪,周伟民. 自动化仪表. 2014(01)
[8]参数求解方法对屈服准则的各向异性行为描述能力的影响[J]. 王海波,万敏,阎昱,吴向东. 机械工程学报. 2013(24)
[9]金属材料激光快速成形的研究进展[J]. 孙兵兵,张学军,郭绍庆,李能,唐思熠,张文扬. 电焊机. 2013(05)
[10]选区激光烧结WC-10％Co颗粒增强Cu基复合材料的显微组织[J]. 顾冬冬,沈以赴. 稀有金属材料与工程. 2006(S2)
硕士论文
[1]激光增材制造Al-12Si合金成形工艺与性能研究[D]. 史淑文.湖南大学 2016
[2]GH4169镍基合金粉末选区激光熔化基础工艺研究[D]. 杜胶义.中北大学 2014
[3]金属粉末直接激光烧结致密化理论及其验证[D]. 余文焘.中南大学 2007
[4]激光熔覆工艺基础研究[D]. 沈燕娣.上海海事大学 2006
本文编号：3267209
【文章来源】：北方工业大学北京市
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
16L不锈钢材料传统制造不锈钢的方法主要是采取真空或者惰性气氛进行粉末冶金烧结[13]
第一章绪论5位于液面以下一定距离，激光系统的照射使得表面光敏材料的液体迅速凝固，然后承物台向下移动一段距离使得液体将固化部分的表面完全覆盖，通过反复光固化达到成形目的。掩膜光刻法如图1-2(b)所示，与直接光刻法原理基本一样，区别在于承物台位于液面上方位置，激光系统通过透镜照射到承物台下方的液面，然后将承物台上移，重复光固化过程，从而实现3D打印成型。在SLA过程中，光源和光敏液体材料这两项是必备要素，很大程度上，光敏材料限制了波长在一定范围的光源。SLA一般采用液体树脂作为材料，有着很大的优势，他可以打印任意的传统工艺难以加工的复杂零件，并且未加工的树脂重复利用率为100%。同样，SLA存在着很多局限，液体树脂成型后的性能目前比不上传统的工业塑料，且在使用过程中容易出现试件收缩，试件老化等问题，而且液体光敏树脂材料的价格高昂，制造过程中会产生刺激性气体。目前，SLA在部分小型零部件生产应用较多。(a)(b)图1-23D立体光刻技术2)喷墨印刷技术(Ink-jetPrinting)喷墨技术在1878年由Lord提出，原理如图1-3所示，液体粘合剂通过喷头将其喷出，然后滚轮将粉末送达承物台，通过粘合的方式，一层一层重复粘结，达到打印成型的目的。喷墨印刷技术所用的打印材料一般是固体粉末颗粒如陶瓷、聚合物或者玻璃等等[38-40]，颗粒尺寸一般在50-100μm[41]，喷墨印刷技术的时间成型率很高，且可以实现彩色打印，无需后处理环节，但是由于使用粘合剂进行成型，导致印刷的试件强度小，并且精度比SLA技术低。
第一章绪论6图1-3喷墨印刷技术3)选择性激光烧结/熔化技术(SLS/SLM)选择性激光烧结/熔融技术是目前金属3D打印的重要手段，诞生于20世纪80年代[42]，起初使用的是低熔点非金属粉末烧结，经过了一段时间的发展，1986年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校提出了高熔点粉末直接融化，并申请了专利，1988年，自主研发成功了世界上第1台SLM设备，它使用30～51μm的预置粉末材料，通过精细聚焦光斑达到快速熔化的效果，这种方式能直接获得任何形状的金属工程零件[43]。致密度十分接近100%，尺寸精度误差不超过20～50μm，表面粗糙度仅为20～30μm[44-45]。选择性激光烧结/熔融技术仍然是基于固体粉末的技术，它以高密的激光能量作为热量，在极短的时间内快速融化金属粉末，然后冷却快速成型。原理图如图1-4所示，在激光工作前，首先在承物台铺上一层粉末，然后通过激光使得粉末快速融化，未烧结部分的粉末仍然呈松散状态，在一层成型结束后，承物台下降，送粉台上升，通过滚轮将粉末运输到承物台，再重复之前的烧结过程，如此循环往复，直到加工结束。金属粉末打印一般在真空或者惰性气氛的环境中完成，这样能够防止金属在高温条件下和氧气等其他气体发生化学反应[46-47]。选择性激光烧结/熔融技术有着许多优点：1)选材广泛，包括塑料，陶瓷，金属等等[48-50]；2)未烧结粉末可以循环使用，利用率高；3)大功率激光烧结，成型速度快，提高了生产效率。同样选择性激光烧结/熔融技术存在着许多缺点，比如在金属成型过程中，需要用到高功率的激光，设备成本高，消耗大；成型的零件尺寸受到机器尺寸和扫描范围的制约，构件的成型尺寸有限；制备前需要设计支撑结构，并且打印完毕后成品一般需要热处理来消除残余应力。
【参考文献】：
期刊论文
[1]3D打印技术研究现状和关键技术[J]. 张学军,唐思熠,肇恒跃,郭绍庆,李能,孙兵兵,陈冰清. 材料工程. 2016(02)
[2]3D打印金属材料研究进展[J]. 郑增,王联凤,严彪. 上海有色金属. 2016(01)
[3]3D打印技术在现代外科领域的应用[J]. 史爱华,张洪科,刘仕琪,姜楠,汤博,杨丽斐,吕毅. 临床医学研究与实践. 2016(02)
[4]金属零件3D打印技术的应用研究[J]. 曾光,韩志宇,梁书锦,张鹏,陈小林,张平祥. 中国材料进展. 2014(06)
[5]3D打印技术的应用及发展前景分析[J]. 马金涛. 中国印刷. 2014(06)
[6]3D打印材料的发展现状[J]. 杜宇雷,孙菲菲,原光,翟世先,翟海平. 徐州工程学院学报(自然科学版). 2014(01)
[7]3D打印技术及应用趋势[J]. 李小丽,马剑雄,李萍,陈琪,周伟民. 自动化仪表. 2014(01)
[8]参数求解方法对屈服准则的各向异性行为描述能力的影响[J]. 王海波,万敏,阎昱,吴向东. 机械工程学报. 2013(24)
[9]金属材料激光快速成形的研究进展[J]. 孙兵兵,张学军,郭绍庆,李能,唐思熠,张文扬. 电焊机. 2013(05)
[10]选区激光烧结WC-10％Co颗粒增强Cu基复合材料的显微组织[J]. 顾冬冬,沈以赴. 稀有金属材料与工程. 2006(S2)
硕士论文
[1]激光增材制造Al-12Si合金成形工艺与性能研究[D]. 史淑文.湖南大学 2016
[2]GH4169镍基合金粉末选区激光熔化基础工艺研究[D]. 杜胶义.中北大学 2014
[3]金属粉末直接激光烧结致密化理论及其验证[D]. 余文焘.中南大学 2007
[4]激光熔覆工艺基础研究[D]. 沈燕娣.上海海事大学 2006
本文编号：3267209
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jiagonggongyi/3267209.html
