激光选区熔化316L不锈钢微观组织与机械性能研究
发布时间：2021-01-08 13:34
316L不锈钢成形件具有优异的机械性能,广泛应用于石油、天然气、化工、医疗、航空航海等行业。常规的制造方法不能满足产业对其任意复杂形状零件的需求,而增材制造为该问题提供了新的解决途径。激光选区熔化在快速熔化与凝固的结合过程中,会产生与传统制造不同的微观结构,致使其机械性能有显著差异,影响使用性能指标。为揭示工艺参数对316L晶粒取向、微观组织和机械性能的影响,本文开展了以下相关工艺基础研究。首先,从激光特性、材料特性、激光与材料的相互作用特征、熔化机理、凝固机理等几个方面分析了激光与物质相互作用机理,为开展系统性论文研究奠定理论基础。其次,将激光功率、扫描速度、扫描间距及摆放位置等工艺参数耦合,采用正交试验的方法,研究了体激光能量密度和摆放位置对316L不锈钢制件的组织结构和力学性能的影响规律,对工艺参数进行了优化,得到了各工艺参数对拉伸强度和断裂延伸率的影响程度,以及各个摆放位置情况下的最佳工艺参数组,为制定工艺标准提供参考。然后,采用光学显微镜和电子背散射衍射技术,观察分析了 316L不锈钢不同激光扫描角度下的组织和晶体取向,研究了扫描角度与晶体生长方向、熔池、组织的关系,测试了扫...
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金属增材制造技术分类SLM技术的原理如图1.2所示，首先使用CAD软件绘制出零件的三维数模，然后使用专用软件对数模定向、添加支撑并进行切片分层，将零件的三维数模转换为不同的
西安科技大学非全日制工程硕士学位论文4图1.2SLM原理图1.2.2激光选区熔化研究现状选择性激光熔化是一种新兴的增材制造工艺，用于生产复杂形状的原型件，用于医疗、航空航天和汽车应用。近年来，由于增材制造技术便捷的制造性能、良好的机械性能、以及加工材料的多样化，受到广大科研人员的青睐，在国内外各个行业掀起热潮[25]。LoreThijs[26]等在探索用于SLM成形材料Ta以及AlSilOMg时，发现制件在力学性能上存在各向异性，其中AlSilOMg具有<100>织构。Vaithilingam[27]等人表明，表面重熔可通过选择性蒸发敏感合金元素，对表面化学产生负面影响。他们将此现象归因于重熔过程在原型件表面层上引起的显著高能量密度，这是由于在大多数重熔过程中使用的独特的表面激光扫描技术。因此，在对任何金属合金进行表面扫描时，都应考虑这一限制。Ahmadi[28]等对316L不锈钢选区激光熔化工艺进行研究，探索其在微观结构、力学性能的表现，并且对它们之间的关系给出一种算法。文章主要对采用选区激光熔化技术制造的316L不锈钢原型件的晶粒大小及熔池进行说明。Kruth和Yasa[29]对316L不锈钢和Ti-6Al-4V钛合金原型件的激光工艺参数进行了优化，并对其水平表面进行了选择性激光重熔，使Ra值分别从15μm提高到1.5μm，从14.1μm提高到3.1μm。Yasa和Kruth[30]的研究表明，激光重熔也可以改善弯曲和倾斜表面的表面粗糙度，在斜面上获得的最小粗糙度为5.18μm。Wang[31]等人在最佳情况下，使得316L不锈钢原型件的水平表面粗糙度从Ra：14.33μm提高到Ra：3.34μm。Alrbaey[32]等人将激光重熔作为后处理工具与选择性激光熔制工艺相结合，优化斜面粗糙度，获得1.4μm的最佳结果。通过在基片表面打印虚拟薄壳，分析并优化了45°斜
理分析2.1激光特性激光和自然中的光相同，两者生成方式也相同，是由于原子、分子或者离子等跃迁，该过程是由自发辐射造成的。自然界中普通的光一直是由自发辐射生成，所以其包括多种频率的成分，可以朝各个方向传播，而激光只是在开始的很短一段时间内由自发辐射生成，之后的过程完全依靠受激辐射[40]。光和物质（物质是指原子、分子、离子，我们将其统一称作粒子）存在相互作用，粒子的能量无论是从低能级向高能级跃迁还是高能级向低能级跃迁，该过程可以分为三种状态，即自发辐射、受激吸收、受激辐射，如图2.1所示。图2.1光和物质的作用过程一个光子所具备的能量满足式2.1，其辐射频率满足式2.2：12EEhv（2.1）hEEv12（2.2）其中：E1和E2表示2个激发态；h为普朗克常量，(-34)10×6.6260693=hJ·s；v为光的频率。相比普通光而言，激光之所以能够被广泛的应用，是因为激光具有以下优点：发散角度孝能量集中、颜色单一、相干性强、偏振性好和高电磁场强度。在激光加工中，激光被用作热源，激光束提供的热量使材料的表面层软化。在激光加工期间，发生韧性变形而不是脆性变形[41]，这不仅减少了切削力和刀具磨损，而且还改善了表面光洁度。一般使用以下几个参数来定性分析激光[42]：（1）功率密度。使用不同的功率密度会产生不同的效果，因此其成为工艺中至关重要的参数。激光功率密度较高，便可以在一毫秒之内使物体表面的温度达到沸点，甚至导致物体表面出现汽化现象。如果激光功率密度较低，大概需要几毫秒才能使物体表面温度达到沸点，时间相对较长。物体表面还未汽化时，其底层温度已经上升到了熔点，所以低功率密度的激光可以用来进行焊接。一般在进行焊接时，激光在每平方厘米的功
【参考文献】：
期刊论文
[1]体激光能量密度对选区激光熔化316L不锈钢各向异性的影响[J]. 宗学文,高倩,周宏志,张佳亮,齐腾博. 中国激光. 2019(05)
[2]选区激光熔化工艺参数对钴铬合金材料成型件致密度与表面粗糙度的影响规律研究[J]. 安超,张远明,张金松. 应用激光. 2018(03)
[3]增材制造技术中的弹性各向异性影响因素[J]. 张阔,刘鹤. 工业技术创新. 2017(04)
[4]金属基3D打印粉体材料制备技术现状及发展趋势[J]. 戴煜,李礼. 新材料产业. 2016(06)
[5]316L选区激光熔化增材制造熔池搭接堆积形貌分析[J]. 吴伟辉,杨永强,毛桂生. 制造技术与机床. 2014(04)
[6]选区激光熔化成型金属零件上表面粗糙度的研究[J]. 刘睿诚,杨永强,王迪. 激光技术. 2013(04)
[7]金属零件3D打印技术现状及研究进展[J]. 杨永强,刘洋,宋长辉. 机电工程技术. 2013(04)
[8]粉末特性与工艺参数对SLM成形的影响[J]. 王黎,魏青松,贺文婷,史玉升. 华中科技大学学报(自然科学版). 2012(06)
[9]316L不锈钢粉末光纤激光选区熔化特性[J]. 王迪,杨永强,何兴容,吴伟辉,苏旭彬,王红卫. 强激光与粒子束. 2010(08)
[10]大型钛合金结构件激光直接制造的进展与挑战(邀请论文)[J]. 王华明,张述泉,王向明. 中国激光. 2009(12)
博士论文
[1]激光选区熔化成形镍基高温合金的组织与性能演变基础研究[D]. 李帅.华中科技大学 2017
[2]激光微烧结金属粉末的温度场和应力场的数值模拟研究[D]. 殷杰.华中科技大学 2014
[3]选区激光熔化成型不锈钢零件特性与工艺研究[D]. 王迪.华南理工大学 2011
硕士论文
[1]选择性激光熔化316L不锈钢在不同成形策略下的力学性能研究[D]. 戴雨华.华中科技大学 2017
[2]金属粉末的组合雾化过程规律与3D打印成形性研究[D]. 耿江江.华南理工大学 2017
[3]激光选区熔化成形Ti6Al4V合金的各向异性研究[D]. 韩婕.华中科技大学 2016
[4]激光选区熔化成型零件表面粗糙度研究及在免组装机构中的应用[D]. 刘睿诚.华南理工大学 2014
[5]金属粉末选区激光熔化成形工艺研究[D]. 尹华.中北大学 2010
本文编号：2964686
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金属增材制造技术分类SLM技术的原理如图1.2所示，首先使用CAD软件绘制出零件的三维数模，然后使用专用软件对数模定向、添加支撑并进行切片分层，将零件的三维数模转换为不同的
西安科技大学非全日制工程硕士学位论文4图1.2SLM原理图1.2.2激光选区熔化研究现状选择性激光熔化是一种新兴的增材制造工艺，用于生产复杂形状的原型件，用于医疗、航空航天和汽车应用。近年来，由于增材制造技术便捷的制造性能、良好的机械性能、以及加工材料的多样化，受到广大科研人员的青睐，在国内外各个行业掀起热潮[25]。LoreThijs[26]等在探索用于SLM成形材料Ta以及AlSilOMg时，发现制件在力学性能上存在各向异性，其中AlSilOMg具有<100>织构。Vaithilingam[27]等人表明，表面重熔可通过选择性蒸发敏感合金元素，对表面化学产生负面影响。他们将此现象归因于重熔过程在原型件表面层上引起的显著高能量密度，这是由于在大多数重熔过程中使用的独特的表面激光扫描技术。因此，在对任何金属合金进行表面扫描时，都应考虑这一限制。Ahmadi[28]等对316L不锈钢选区激光熔化工艺进行研究，探索其在微观结构、力学性能的表现，并且对它们之间的关系给出一种算法。文章主要对采用选区激光熔化技术制造的316L不锈钢原型件的晶粒大小及熔池进行说明。Kruth和Yasa[29]对316L不锈钢和Ti-6Al-4V钛合金原型件的激光工艺参数进行了优化，并对其水平表面进行了选择性激光重熔，使Ra值分别从15μm提高到1.5μm，从14.1μm提高到3.1μm。Yasa和Kruth[30]的研究表明，激光重熔也可以改善弯曲和倾斜表面的表面粗糙度，在斜面上获得的最小粗糙度为5.18μm。Wang[31]等人在最佳情况下，使得316L不锈钢原型件的水平表面粗糙度从Ra：14.33μm提高到Ra：3.34μm。Alrbaey[32]等人将激光重熔作为后处理工具与选择性激光熔制工艺相结合，优化斜面粗糙度，获得1.4μm的最佳结果。通过在基片表面打印虚拟薄壳，分析并优化了45°斜
理分析2.1激光特性激光和自然中的光相同，两者生成方式也相同，是由于原子、分子或者离子等跃迁，该过程是由自发辐射造成的。自然界中普通的光一直是由自发辐射生成，所以其包括多种频率的成分，可以朝各个方向传播，而激光只是在开始的很短一段时间内由自发辐射生成，之后的过程完全依靠受激辐射[40]。光和物质（物质是指原子、分子、离子，我们将其统一称作粒子）存在相互作用，粒子的能量无论是从低能级向高能级跃迁还是高能级向低能级跃迁，该过程可以分为三种状态，即自发辐射、受激吸收、受激辐射，如图2.1所示。图2.1光和物质的作用过程一个光子所具备的能量满足式2.1，其辐射频率满足式2.2：12EEhv（2.1）hEEv12（2.2）其中：E1和E2表示2个激发态；h为普朗克常量，(-34)10×6.6260693=hJ·s；v为光的频率。相比普通光而言，激光之所以能够被广泛的应用，是因为激光具有以下优点：发散角度孝能量集中、颜色单一、相干性强、偏振性好和高电磁场强度。在激光加工中，激光被用作热源，激光束提供的热量使材料的表面层软化。在激光加工期间，发生韧性变形而不是脆性变形[41]，这不仅减少了切削力和刀具磨损，而且还改善了表面光洁度。一般使用以下几个参数来定性分析激光[42]：（1）功率密度。使用不同的功率密度会产生不同的效果，因此其成为工艺中至关重要的参数。激光功率密度较高，便可以在一毫秒之内使物体表面的温度达到沸点，甚至导致物体表面出现汽化现象。如果激光功率密度较低，大概需要几毫秒才能使物体表面温度达到沸点，时间相对较长。物体表面还未汽化时，其底层温度已经上升到了熔点，所以低功率密度的激光可以用来进行焊接。一般在进行焊接时，激光在每平方厘米的功
【参考文献】：
期刊论文
[1]体激光能量密度对选区激光熔化316L不锈钢各向异性的影响[J]. 宗学文,高倩,周宏志,张佳亮,齐腾博. 中国激光. 2019(05)
[2]选区激光熔化工艺参数对钴铬合金材料成型件致密度与表面粗糙度的影响规律研究[J]. 安超,张远明,张金松. 应用激光. 2018(03)
[3]增材制造技术中的弹性各向异性影响因素[J]. 张阔,刘鹤. 工业技术创新. 2017(04)
[4]金属基3D打印粉体材料制备技术现状及发展趋势[J]. 戴煜,李礼. 新材料产业. 2016(06)
[5]316L选区激光熔化增材制造熔池搭接堆积形貌分析[J]. 吴伟辉,杨永强,毛桂生. 制造技术与机床. 2014(04)
[6]选区激光熔化成型金属零件上表面粗糙度的研究[J]. 刘睿诚,杨永强,王迪. 激光技术. 2013(04)
[7]金属零件3D打印技术现状及研究进展[J]. 杨永强,刘洋,宋长辉. 机电工程技术. 2013(04)
[8]粉末特性与工艺参数对SLM成形的影响[J]. 王黎,魏青松,贺文婷,史玉升. 华中科技大学学报(自然科学版). 2012(06)
[9]316L不锈钢粉末光纤激光选区熔化特性[J]. 王迪,杨永强,何兴容,吴伟辉,苏旭彬,王红卫. 强激光与粒子束. 2010(08)
[10]大型钛合金结构件激光直接制造的进展与挑战(邀请论文)[J]. 王华明,张述泉,王向明. 中国激光. 2009(12)
博士论文
[1]激光选区熔化成形镍基高温合金的组织与性能演变基础研究[D]. 李帅.华中科技大学 2017
[2]激光微烧结金属粉末的温度场和应力场的数值模拟研究[D]. 殷杰.华中科技大学 2014
[3]选区激光熔化成型不锈钢零件特性与工艺研究[D]. 王迪.华南理工大学 2011
硕士论文
[1]选择性激光熔化316L不锈钢在不同成形策略下的力学性能研究[D]. 戴雨华.华中科技大学 2017
[2]金属粉末的组合雾化过程规律与3D打印成形性研究[D]. 耿江江.华南理工大学 2017
[3]激光选区熔化成形Ti6Al4V合金的各向异性研究[D]. 韩婕.华中科技大学 2016
[4]激光选区熔化成型零件表面粗糙度研究及在免组装机构中的应用[D]. 刘睿诚.华南理工大学 2014
[5]金属粉末选区激光熔化成形工艺研究[D]. 尹华.中北大学 2010
本文编号：2964686
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