基于粉末成形的激光增材制造陶瓷技术研究进展

陶瓷以其优异的热物理化学性能在航空航天、能源、环保以及生物医疗等领域具有极大的应用潜力。随着这些领域相关技术的快速发展, 其核心零件部件外形结构设计日益复杂、内部组织逐步走向定制化、梯度化。陶瓷具有硬度高、脆性大等特点, 较难通过传统的加工成形方法实现异形结构零件的制造, 最终限制了陶瓷材料的工程应用范围。激光增材制造技术作为一种快速发展的增材制造技术, 在复杂精密陶瓷零部件的制造中具有显著优势: 无模、精度高、响应快以及周期短, 同时能够实现陶瓷零件组织结构灵活调配, 有望解决上述异形结构陶瓷零件成形问题。本文综述了多种基于粉末成形的激光增材制造陶瓷技术: 基于粉末床熔融的激光选区烧结和激光选区熔化; 基于定向能量沉积的激光近净成形技术。主要讨论了各类激光增材陶瓷技术的成形原理与特点, 综述了激光选区烧结技术中陶瓷坯体后处理致密化工艺以及激光选区熔化和激光近净成形技术这两种技术中所打印陶瓷坯体基体裂纹开裂行为分析及其控制方法的研究进展, 对比分析了激光选区烧结、激光选区熔化以及激光近净成形技术在成形陶瓷零件的技术特征, 最后展望了激光增材制造陶瓷技术的未来发展趋势。     

金属粉末成形技术若干进展

金属粉末成形技术是一种高效、近净成形的先进制造技术,在许多领域有着广泛应用.就近几年粉末成形技术的发展,着重评述了几种粉末成形技术的原理和特点,并时其存在问题及发展趋势进行了讨论.同时指出金属注射成形、选区激光烧结及电场活化烧结技术是今后粉末成形技术的发展方向.     

激光选区熔化成形薄壁件研究进展

激光选区熔化是一种可以实现近净成形的数字化制造技术,能够制造传统工艺不能生产的复杂薄壁件,被认为是未来制造业的主导方向,应用前景广阔。综述了激光选区熔化成形薄壁件的研究现状,针对于激光选区熔化成形薄壁件成形质量较差、力学性能偏低等问题,重点介绍了工艺参数、热处理工艺以及壁厚等因素对激光选区熔化成形件微观组织、缺陷、成形质量及力学性能的影响,其中成形壁厚存在阈值,随着壁厚增加,薄壁孔隙先增加后减小,力学性能呈相反趋势。最后总结了薄壁件激光选区熔化成形存在的问题及未来的研究方向。     

选区激光熔化工艺参数对Ti-6Al-4V成形质量的影响

选区激光熔化是一种利用高能束选择性熔化金属粉末进而直接制造复杂几何形状产品的增材制造技术。采用选区激光熔化成形Ti-6Al-4V样品,分析影响选区激光熔化成形质量的主要因素,采用体式显微镜、金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度计系统研究了不同工艺参数对Ti-6Al-4V合金选区激光熔化成形样品的表面形貌、致密度、组织、显微硬度的影响规律。研究得出Ti-6Al-4V合金选区激光熔化成形的优选工艺参数为:扫描功率450W,扫描速度2 500mm/s,扫描间距0.07mm,该工艺参数下打印出的样品具有较为优良的成形质量,致密度高达97.8%,显微硬度平均值为446HV。     

选区激光熔化成形铜合金研究进展

铜合金具有良好的导电导热性,是众多行业的基础材料,随着高新技术的迅速发展,许多行业对高性能、高精度、复杂结构铜合金零部件需求日益增大。传统工艺可制备常规铜合金零件,但对于一些复杂结构铜合金零部件的制备存在困难。首先,本文综述了选区激光熔化成形铜及铜合金的研究进展,系统介绍了目前选区激光熔化成形纯铜所遇到的难点及解决方法;然后,综述了目前选区激光熔化成形不同系列铜合金的研究现状,重点介绍了不同系列铜合金成形件微观组织和力学性能及热处理后成形件微观组织和力学性能变化;最后总结了选区激光熔化成形铜及铜合金存在的问题及未来的研究方向。     

金属粉末选择性激光烧结成形机制的研究

分析了纯金属粉末、预合金粉末和多组分金属粉末的选择性激光烧结成形机制;详细讨论了粉末的化学成分和物理性质,激光功率、扫描速率、扫描矢径、扫描间距等激光参数以及粉层厚度、粉床预热温度、保护气氛等工艺参数对成形机制的影响;并简要讨论了金属粉末选择性激光烧结技术的进一步研究方向.     

金属增材制造技术及其专用材料研究进展

金属增材制造已成为先进制造技术的一个重要发展方向,是制造领域的国际制高点,有着广阔的发展前景,也存在着巨大的挑战。介绍了激光选区熔化、电子束选区熔化、激光立体成形、电子束熔丝沉积等金属增材制造技术在成形装备、工艺技术和应用方面的研究进展,总结了增材制造用金属粉末和丝材的研制情况,指出了现阶段该技术存在的问题和未来研究方向。     

直接金属粉末激光烧结成形机制的研究

分析了直接金属粉末激光烧结中单组元金属粉末、多组元金属粉末和预合金粉末的烧结成形机制;详细讨论了表面张力、粘度、颗粒尺寸及其分布和吸收率/反射率等材料特性以及激光参数、铺粉厚度、保护气氛、粉床预热温度和烧结辅助材料等工艺参数对成形质量的影响;并讨论了直接金属粉末激光烧结的进一步研究方向.     

激光选区熔化成形工艺对304L不锈钢冲击韧性的影响

目的 了解激光选区熔化(SLM)成形工艺参数对304L不锈钢冲击韧性的影响,从而得到304L不锈钢的最佳成形工艺参数。方法 对激光功率300~340 W,激光扫描速度800~1 500 mm.s^?1条件下的激光选区熔化成形304L不锈钢开展冲击试验,通过表面硬度、微观组织及断口形貌观察对冲击韧性的影响规律进行分析。结果 SLM成形304L不锈钢微观组织为跨越熔池生长形成的不规则柱状晶粒,成形工艺参数对试样表面硬度影响不显著;随着激光功率的增大和激光扫描速度的降低,304L不锈钢断面致密程度提高,孔洞类缺陷尺寸减少且数量减少,冲击韧性增大,冲击功最大值为141.9 J。结论 基于冲击试验结果,在激光体能量密度为100~140 J/mm³的条件下,304L冲击韧性稳定在138 J左右,为SLM成形304L材料的最佳成形参数区间。     

激光选区烧结粉末包覆工艺的研究

激光选区烧结作为快速成型技术的重要组成部分,其成型材料在激光选区烧结工艺中占有至关重要的位置.在考虑激光选区烧结对成型材料性能要求的前提下,研究了SLS粉末包覆工艺.     

镁合金激光选区熔化研究进展

镁合金作为最轻的金属结构材料,在汽车制造、生物医疗等领域具有极大的应用潜力。激光选区熔化成形镁合金具有高效的制备性能、良好的成分均匀性、优异的力学性能和耐腐蚀性能,因此激光选区熔化成为一种重要的镁合金制备和改性方法。对近几年激光选区熔化镁合金的研究进展进行了综述,从激光工艺参数(激光类型、体能量密度、激光功率、扫描速度、扫描模式、层厚、扫描间距、气氛控制与进粉速度)和粉体状态(粉末形状、粒径分布、粉末对激光束能量吸收率、粉末化学成分)2个方面讨论了该工艺的关键技术;按照纯镁、非稀土镁合金体系、稀土镁合金体系的分类,对激光选区熔化成形镁及镁合金的致密度与微观结构、力学性能与耐腐蚀性能进行了总结;分析了工艺参数与合金成分两方面对该工艺成形镁合金缺陷的影响。为减少激光选区熔化成形镁合金缺陷、均匀化晶粒、溶解硬脆二次相或析出强化相进而改善合金的结构与性能,许多研究对激光选区熔化成形镁合金进行了热等静压、固溶热处理和时效热处理,总结了上述处理方式对AZ体系、WE体系与Mg-Gd体系镁合金的改善效果。最后展望了激光选区熔化成形镁及镁合金在各领域的应用前景与未来可以进行研究的方向。     

Laser micro sintering: A new method to generate metal and ceramic parts of high resolution with sub-micrometer powder

Laser micro sintering (LMS) was developed by the research group at University of Applied Sciences Mittweida and the associated Laserinstitut Mittelsachsen e.V. as the result of research started in 2001 with a project on the possibility of generating parts by selective laser sintering (SLS) with improved resolution. For the successful generation of solid bodies from various metal powders the technology uses essentially sub-micrometer powders, a cylindrical coating blade and a q-switched solid state laser. The resolution and the surface roughness are by more than one order of magnitude better than those achieved by previous selective laser sinter technologies. Presently the technology shows advancements in selective laser sintering of highly resolved specimens of densely sintered Al₂O₃ and SiC ceramics too.

This paper reports the process mechanism of LMS and its principal differences compared to other SLS methods. A variety of laser micro sintered parts from different metals and the newest results in laser micro sintering of ceramic parts are presented. Material specific behaviour in laser micro sintering is discussed. Also the ability of the method will be shown to generate parts of layer wise different materials (laminate sintering) in one sintering machine.     

选择性激光烧结峰值温度的三维有限元模拟

选择性激光烧结(SLS)中工艺参数和扫描路径对烧结件性能有较大影响,文中研究了激光烧结工艺参数和扫描路径对峰值温度的影响规律。通过建立SLS的温度场模型并开发C++的有限元模拟软件,分析了激光功率、激光扫描速率及预热温度等工艺参数对SLS峰值温度的影响,对比了不同扫描路径下高分子粉末和金属粉末的SLS峰值温度变化规律。数值算例表明,SLS温度场中峰值温度随激光功率和预热温度的升高而升高,随激光扫描速率的升高而降低;扫描路径对高分子粉末SLS峰值温度的影响较小;开发的温度场模型准确合理,能够为实际生产提供理论依据。     

陶瓷材料的选区激光烧结快速成型技术研究进展

阐述了陶瓷材料选区激光烧结技术的原理、工艺和特点，着重分析了粉体预处理、激光烧结参数以及坯体后处理等工艺因素对制件精度和性能的影响，还介绍了该技术目前的应用状况以及潜在的应用领域，最后对该项技术研究和发展的趋势作了展望，指出选区激光烧结技术有可能成为本世纪最主要的陶瓷材料成型工艺之一。     

Powder bed binder jet 3D printing of Inconel 718: Densification,microstructural evolution and challenges☆

Traditional manufacturing of Inconel 718 components from castings and thermomechanical processing routes involve extensive post processing and machining to attain the desired geometry. Additive manufacturing (AM) technologies including direct energy deposition (DED), selective laser melting (SLM), electron beam melting (EBM) and binder jet 3D printing (BJ3DP) can minimize scrap generation and reduce lead times. While there is extensive literature on the use of melting and solidification based AM technologies, there has been limited research on the use of binder jet 3D printing. In this paper, a brief review on binder jet additive manufacturing of Inconel 718 is presented. In addition, existing knowledge on sintering of Inconel 718 has been extended to binder jet 3D printing. We found that supersolidus liquid phase sintering (SLPS) is necessary to achieve full densification of Inconel 718. SLPS is sensitive to the feedstock chemistry that has a strong influence on the liquid volume fraction at the processing temperature. Based on these results, we discuss an empirical framework to determine the role of powder particle size and liquid volume fraction on sintering kinetics. The role of powder packing factor and binder saturation on microstructural evolution is discussed. The current challenges in the use of BJ3DP for fabrication of Inconel 718, as well as, extension to other metal systems, are presented.     

医用多孔金属的制备及其生物活化研究进展

医用多孔金属材料,特别是多孔钛及钛合金能够提供与人体骨组织相匹配的力学性能,并促进骨组织长入以提高其与骨的固定度,在人体硬组织修复与替换方面具有广泛的应用前景。重点围绕多孔钛及钛合金的制备方法及适用于其复杂孔隙结构的表面生物活化方法,综述了各种方法在多孔钛及钛合金上的应用现状。目前适用于多孔钛及钛合金制备的技术主要有粉末冶金法、钛纤维烧结法、自蔓延高温合成法、选区电子束熔化技术和选区激光熔化技术,适用于多孔钛及钛合金表面生物活化的技术主要有溶胶凝胶法、仿生矿化法、电化学沉积法和微弧氧化法。多孔钛及钛合金的力学相容性和表面生物活性需要同时满足临床要求,才能进一步扩大其在医学领域的应用范围。     

Investigation and development of large-scale equipment and high performance materials for powder bed laser fusion additive manufacturing

The current available selective laser sintering (SLS) and selective laser melting (SLM) systems have relatively small effective building volumes, which do not offer capability to integrally manufacture a large dimension component. Therefore, our research team in Huazhong University of Science and Technology, China, has broken through some key techniques such as the large powder bed preheating system and multi-laser scanning technique, and then successfully developed a series of large-scale SLS systems with effective building volumes up to 1400×1400×500 mm³, and an SLM system with an effective building volume of 500×250×400 mm³. These large-scale SLS/SLM systems will not only offer new capability to make large complex prototypes and products, but also provide higher volume production capability to make numerous small parts rapidly and cost-effectively. In addition, several high performance materials have been developed for the large-scale SLS/SLM systems.     

选择性激光烧结用尼龙12覆膜Cu粉的制备

提出了溶剂沉淀法制备选择性激光烧结(SLS)用尼龙12覆膜Cu粉复合粉末材料,利用扫描电镜(SEM)观察了复合粉末材料的微观形貌,通过差示扫描量热分析(DSC)、热重分析(TGA)对复合粉末材料的熔融、结晶行为,烧结温度窗口及热稳定性进行了研究,并测试了其烧结件的力学性能。结果表明,复合粉末材料的熔点、结晶速度及热稳定性较纯尼龙粉末有所提高,烧结温度窗口变宽,因而烧结性能优于纯尼龙粉。复合粉末材料烧结件的弯曲强度、弯曲模量、硬度均高于纯尼龙粉的烧结件。