Ti合金选择性激光熔化成型关键技术的研究

发布时间：2017-05-05 09:02

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【摘要】：选择性激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)加工过程中的球化反应、裂纹孔隙等缺陷一直是制约该技术发展进步的瓶颈。Ti合金的机械性能优良、质轻、耐热耐蚀性能好、生物相容性好,在航空航天、生物医学等领域应用前景广阔。本文以Ti6Al4V(TC4)粉末为实验材料,针对其在SLM加工过程中的球化反应、裂纹孔隙等关键问题进行研究,以期探究这些问题的形成过程、影响因素及弱化防止措施,具有重要的实际意义。实验采用华中科技大学-武汉滨湖机电产业有限公司提供的HRPM-ⅡA型激光快速成型系统,分别对球化反应及孔隙裂纹等问题进行了研究。得知大尺寸球化现象的产生原因为熔融液态金属与固态表面润湿性较差,熔融金属在金属液表面张力的作用下收缩成球;小尺寸球化则是由加工过程中的液体飞溅或高能激光束冲击熔池形成;随粉末本身含氧量的增加球化现象逐渐明显,熔池表面漂浮的白色氧化物的量也随之增加;颗粒较规则且含氧量低的球形金属粉末的成形性能要好于形状不规则的水雾化金属粉末;加工环境中的含氧量越多球化现象越明显;在熔池吸收的能量较低扫描速度一定时,球化现象随激光功率增大逐渐减弱;当熔池吸收能量较高时球化现象随激光功率的增大逐渐明显;当功率一定时,扫描速度越快,激光作用在金属粉末上的时间越短,球化现象越明显;扫描速度过小会导致熔池过烧,加工过程中的扫描速度至少应大于15mm/s;在一定范围内成型面质量随扫描间距的增大逐渐变好,成型面呈现光亮的银白色金属光泽;超过一定限度后随扫描间距的增大成型面质量呈现下降趋势,比较合适的间距为0.08~0.12mm。在系统所带扫描方式中,跳转变向扫描方式可以减少或防止部分球化反应的发生,成形效果较好。球化现象随粉层厚度的增加而逐渐加剧,加工时的最佳粉层厚度为0.06~0.1mm;大尺寸金属球的存在,导致铺粉不均匀,成型面实际高度高于理论高度,铺粉误差的累积会导致成型指标不可控,成型面质量越来越差,成形件倾斜变形、破裂甚至损坏铺粉辊;同时,球化反应会增加成形件的表面粗糙度,会有大量孔隙产生,在相邻金属球之间的间隙会夹带部分未熔金属粉末,导致所制备出样品的致密度降低,难以保证零件的精度等。裂纹、孔隙的主要来源有:球化反应、金属液自身冷却凝固过程中产生的应力集中导致裂纹的产生,裂纹扩展形成孔隙、熔道搭接不完全或未搭接形成的可控孔隙。在同一加工条件下,球形Ti合金粉末制备的样件致密度达86%,明显高于用棒状和不规则形状Ti合金粉末制备的样件的73%和53%。但目前条件下制备的金属样品致密度还无法与传统加工工艺方法制备零件的相比。随加工环境中的含氧量增大,成型表面的裂纹数量逐渐增多,长度逐渐变大;在一定的扫描速度下,适当增加激光功率有助于减少成形件的裂纹及孔隙的出现;随扫描速度增大最长裂纹尺寸有逐渐增大的趋势;扫描间距过小时,成形面的裂纹较多,且裂纹可以在不同熔道之间连接,成形面表面裂纹错综复杂;间距过大没有充足的粉末补充熔池,没有足够的金属液填充相邻熔道之间的沟壑,容易形成孔隙且熔道上的裂纹很难越过沟壑与其他熔道上裂纹连接,因此最佳的扫描间距为0.07~0.1mm。铺粉层厚太大,不仅导致球化反应明显由球化反应形成的孔隙数量增多,也会因激光束无法穿透粉层,相邻成形层之间无法焊合而出现成型面翘起或脱离,导致加工失败。对基板进行预热或增大能量输入可适当减少孔隙裂纹的出现。
【关键词】：Ti合金 选择性激光熔化 球化反应 孔隙裂纹 影响因素
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-17
• 1.1 课题研究背景11-12
• 1.2 课题研究意义12
• 1.3 成形技术原理12-13
• 1.4 SLM成型技术的研究进展13-15
• 1.5 研究内容及技术难点15-17
• 1.5.1 研究内容15-16
• 1.5.2 技术难点及创新点16-17
• 2 TI及TI合金特性的研究17-23
• 2.1 TI的基本性质17-18
• 2.1.1 物理性质17
• 2.1.2 化学性能17-18
• 2.2 TI合金的分类及特性18-19
• 2.3 合金元素对TI性能的影响19
• 2.3.1 α相稳定元素19
• 2.3.2 β相稳定元素19
• 2.3.3 杂质元素19
• 2.4 TI合金熔化凝固机理19-20
• 2.5 选择性激光熔化成形过程中的能量转化研究20-22
• 2.5.1 能量输入及传导20-21
• 2.5.2 能量输入模型21-22
• 2.6 本章小结22-23
• 3 实验材料、设备及实验方法23-29
• 3.1 实验材料23
• 3.2 实验设备23-26
• 3.2.1 光纤激光器24-25
• 3.2.2 真空成型室25
• 3.2.3 软件系统25-26
• 3.2.4 检测设备26
• 3.3 研究方法及技术路线26-27
• 3.4 本章小结27-29
• 4 选择性激光熔化成形过程的球化反应研究29-47
• 4.1 球化反应的基本理论研究29-31
• 4.1.1 球化反应的分类29
• 4.1.2 球化反应的形成机理29-30
• 4.1.3 球化反应的形成过程分析30-31
• 4.2 球化反应的影响因素31-43
• 4.2.1 粉末特性对球化反应的影响31-33
• 4.2.2 加工环境对球化反应的影响33-34
• 4.2.3 工艺参数对球化反应的影响34-43
• 4.3 球化反应的危害43-45
• 4.4 本章小结45-47
• 5 TI合金SLM成形过程的裂纹、孔隙问题研究47-57
• 5.1 裂纹、孔隙的形成机理47-48
• 5.1.1 球化反应形成的孔隙47-48
• 5.1.2 裂纹扩展形成的孔隙48
• 5.1.3 熔道未搭接形成的孔隙48
• 5.2 裂纹、孔隙形成的影响因素48-54
• 5.2.1 粉末特性对裂纹、孔隙反应的影响48-49
• 5.2.2 加工环境对裂纹、孔隙形成的影响49-50
• 5.2.3 工艺参数对裂纹、孔隙形成的影响50-54
• 5.3 本章小结54-57
• 6 结论与展望57-59
• 6.1 全文小结57-58
• 6.2 展望58-59
• 致谢59-61
• 参考文献61-65
• 攻读硕士学位期间发表的论文65-66

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 孙婷婷;杨永强;郭明华;;选区激光熔化316L不锈钢粉末形貌分析[J];激光杂志;2009年05期

2 刘杰;杨永强;王迪;肖冬明;苏旭彬;;选区激光熔化成型悬垂结构的计算机辅助工艺参数优化[J];中国激光;2012年05期

3 李瑞迪;魏青松;刘锦辉;史玉升;袁铁锤;;选择性激光熔化成形关键基础问题的研究进展[J];航空制造技术;2012年05期

4 姚化山;史玉升;章文献;刘锦辉;黄树槐;;金属粉末选区激光熔化成形过程温度场模拟[J];应用激光;2007年06期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 李瑞迪;金属粉末选择性激光熔化成形的关键基础问题研究[D];华中科技大学;2010年

2 章文献;选择性激光熔化快速成形关键技术研究[D];华中科技大学;2008年

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本文编号：346025