316L不锈钢粉末选择性激光熔化快速成形的工艺研究

采用正交实验方法优化316L不锈钢粉末的选择性激光熔化快速成形工艺,并对试样密度、表面形貌和微观组织进行了分析.正交实验表明,用316L不锈钢粉末在HRPM-Ⅱ设备直接熔化成形可获得达到致密度较高的试样,试样致密度达80.0%.优化后的工艺参数为激光功率95W、扫描速度70mm/s、扫描间距0.06mm,使用该优化参数制得了复杂曲面和网格零件.     

激光参数对旁轴送粉激光熔覆粉末熔化行为的影响

旁轴送粉激光熔覆时粉末到达熔池的热物状态对熔覆层成形精度和质量有着重要意义，针对光粉作用时粉末的不同熔化行为，搭建了旁轴送粉激光熔覆过程红外热成像采集系统和高速摄像过程采集系统，研究了不同激光功率和离焦量下的光粉热交互作用，建立了粉末熔化时出现的三个典型特征阶段并分析了不同激光功率和离焦量对粉末熔化特征阶段持续时间的影响，最终得出粉末热物状态与特征阶段的关系。结果表明：激光功率增大，光粉作用空间中熔化的粉末数量增多，粉末温度不均匀性减小；离焦量增大，液态粉末颗粒数量增大，粉末温度不均匀性横向减小；激光功率越小或离焦量越大，固态粉末升温和熔化所需的时间增大，粉末以固态进入熔池的几率变大。最后，得到了不同激光参数下粉末到达熔池时的热物状态，为实现粉末熔化行为的解析提供了试验依据。     

激光熔化沉积参数对316L单道几何特征的影响

激光熔化沉积(lasermelting deposition,LMD)是一种先进的金属增材制造技术,具有成形速度快、无模具制造、多轴操作系统和多余粉末可有效回收等特点。但是沉积过程中会出现成形质量不良的现象,导致LMD零件致密度下降,疲劳性能降低。为了提高316L奥氏体不锈钢LMD零件的致密度与疲劳力学性能,针对LMD单道沉积工艺过程,开展实验研究分析不同工艺参数下对单道沉积几何特征的影响。本文使用316L奥氏体不锈钢粉末在激光熔化沉积设备上进行相应的工艺研究,探索了激光功率与扫描速度对单道沉积几何特征的影响。通过对工艺参数与各几何特征进行回归分析,建立了回归模型,并确立了工艺参数对几何特征的影响规律。该工作为后续316L激光熔化沉积零件疲劳实验试样的制备提供基础与参数指导。     

侧向送粉激光熔覆粉末温升模型及实验研究

建立了侧向送粉激光熔覆粉末颗粒温升的数学模型，该模型可以考虑激光束的功率分布。推导了考虑激光束直径大于粉斑直径和小于粉斑直径两种情况下，粉末颗粒在光束辐照下的温升与其在光束下运动时间的关系式。通过算例，给出了在不同激光功率下粉末颗粒的温升随其与激光束相互作用时间的关系曲线以及不同颗粒直径条件下粉末颗粒温度随相互作用时间的关系曲线。采用微距摄影技术对粉末颗粒到达熔池表面的状态进行实验观测，并采用图像分割技术中的迭代阈值选取方法，对所获得的灰度图进行处理从而得到了粉末颗粒到达熔池的温度。计算结果与实验分析获得了相同的结论，从而验证了模型的正确性。     

316L不锈钢双激光选区熔化成形性能研究

为了研究不同的扫描模式对激光选区熔化（SLM）成形质量的影响，采用自主研发的双激光同步扫描激光选区熔化设备，在单激光扫描、双激光低功率同步扫描、双激光高速同步扫描模式下制备了316L不锈钢样件，对比了三种模式下的成形质量，分析了三种模式下飞溅形态、熔池形貌以及样件力学性能的差异。结果表明：采用双激光低功率（110 W）同步扫描时，由反冲压力引起的飞溅增多，熔池尺寸均匀且排列整齐；随着单束激光功率从95 W提升至120 W，样件的致密度从98.91%提升至99.32%；样件的微观组织主要由宽度为0.65～0.75μm的柱状亚晶与等轴亚晶组成。采用双激光高速（2000 mm/s）同步扫描时，熔池深宽发生较大变化，搭接率由单激光扫描时的30%提升至50%以上，柱状亚晶的平均尺寸由单激光扫描时的0.50μm降到0.35μm。两种双激光同步扫描模式下成形样件的力学性能与单激光扫描模式下的相当，致密度达到99%以上，抗拉强度均超过720 MPa，延伸率超过40%。双激光高速同步扫描使得成形效率相较单激光扫描提升了一倍，为大尺寸激光选区熔化设备的扫描策略设计提供了新思路。     

激光选区熔化成形316L循环使用粉末特性演变机理研究

在激光选区熔化技术中,激光-粉末的相互作用会对粉末特性产生重大影响,而在粉末循环使用过程中粉末特性的变化规律和演变机理尚不明确。本文利用激光粒度仪、扫描电子显微镜、能量色散型光谱仪研究了激光选区熔化粉末的粒径、物理特性、表面形貌、元素含量、微观组织在循环使用过程中的变化规律。研究结果表明:随着316L不锈钢粉末循环使用次数的增加,粉末的粒径分布、形貌、表面成分、表面微观组织和氧化程度都发生了较大变化;粉末的堆积特性如松装密度、振实密度、流动性也发生了不同程度的变化;另外,循环使用的粉末颗粒表面生成了富含硅、锰元素的圆形氧化斑点。本文将循环粉末中的异形颗粒分为两类——激光诱导熔池溅射颗粒和气体夹带诱导异形颗粒,并详细讨论了两类异形颗粒的形成机理。本文研究结果表明316L奥氏体不锈钢在循环使用过程中会产生弱磁性粉末颗粒。     

提升分区搭接质量的激光选区熔化扫描策略

多激光束并行打印需要对当前打印层进行分区扫描。分区扫描策略对激光选区熔化制造成形件的表面质量、残余应力与变形量、力学性能有着很重要的影响。通过分析传统分区扫描策略的局限性,本文提出一种三角波条带扫描策略,利用实验对比分析了三角波条带扫描策略和传统的条带和棋盘分区扫描策略打印的316L不锈钢样品的致密度、残余应力与变形量、拉伸强度、维氏硬度和表面搭接区成形质量。结果表明,三角波条带扫描策略改善了搭接区质量,提高了试样的拉伸强度与维氏硬度,316L不锈钢样品的致密度达99.74%。因此,三角波条带扫描策略有利于改善激光选区熔化成形质量,为多激光束并行打印提供了一种新思路。     

Fe-C混合粉末激光烧结成形致密度分析

分析了金属粉末激光选区烧结成形过程致密化机制。选择不同的参数对Fe-C混合粉末进行了激光烧结成形实验,根据烧结件微观结构分析了金属粉末的致密化机制,根据致密度数据分析成形参数与致密度的关系建立了数学模型。结果表明,Fe-C混合粉末在低功率激光作用下部分粉末熔化形成液相,在液相的参与下粉末通过重排、溶解沉淀导致致密化。成形参数对致密度的影响归结于烧结过程中产生的液相量,激光功率的增加、扫描间隔的减小、扫描速度的降低和切片层厚的减少都会提高烧结件的致密度。     

金属粉末选区激光熔化成形表面粗糙度预测及控制方法研究

为了分析选区激光熔化过程中工艺参数对成形件表面形貌的影响,首先基于SLM125HL打印机采用不同激光功率、扫描速度将316L不锈金属粉末打印成斜六面体试样,采用场发射扫描电镜和三维形貌仪实测了不同工艺参数下斜六面体不同位置表面微观形貌和表面粗糙度,分析了工艺参数对表面成形缺陷和粗糙度的影响。另外考虑熔道宽度、扫描间距、粉末直径以及粘粉和成形角度的影响,给出了不同位置表面理论粗糙度预测模型,在此基础上给出了表面质量和表面粗糙度控制策略。研究结果表明:熔道宽度与激光功率成正比,与扫描速度成反比,与线能量密度成正比,熔宽越大则上表面粗糙度越小;激光功率越大,侧表面温度越高,会导致侧表面与粉末床接触区域出现愈加严重的粉末球化、粘粉现象,成形件侧面粗糙度越大。     

工艺参数对选区激光熔化316L不锈钢缺陷的影响

通过试验观察和数值模拟研究了关键工艺参数(激光功率、扫描速度和激光能量密度)对选区激光熔化316L不锈钢样缺陷的影响，结果表明，孔隙是造成致密度降低的最主要原因。不同类型孔隙的产生与工艺参数特别是激光能量密度密切相关。激光能量输入不足(E<52.778 J/mm³)，特别是熔池宽度不够是造成未熔合孔隙的关键原因。激光能量输入过高(E≥93.056 J/mm³)时，熔池温度过高和尺寸过深，是导致匙孔形成的重要因素。而气孔很难完全消除，但合理控制避免过高激光能量输入有利于降低气孔尺寸。通过合理调整工艺参数，致密度可以达到99.62%。     

激光直接金属沉积316L不锈钢表面粘粉工艺研究

为了探究激光直接金属沉积316L不锈钢的表面粉末粘附工艺规律, 利用高速摄像机分析粉末粘附类型, 采用单因素试验的方法, 定量研究了单道多层沉积中的送粉速率、送粉气流量和线能量密度对粉末粘附的影响规律。结果表明, 粉末粘附主要包括熔池熔液逸出和未熔粉末粘附两种类型; 随着送粉速率的增加和送粉气流量的减小, 薄壁件侧表面粉末粘附程度增加, 而粉末粘附程度则对激光线能量密度的变化不敏感; 激光功率700W、扫描速率700mm/min、送粉量13.54g/min、送粉气流量14L/min、离焦量+22mm时, 激光直接金属沉积薄壁件表面粉末粘附较少。研究结果能够成为改善316L不锈钢增材制件表面质量的重要依据。     

液氩冷却对316L激光金属直接成形零件组织和显微硬度的影响

在激光金属直接成形过程中,为了使熔池在凝固时始终保持合理的温度梯度从而使成形件内部柱状晶组织自基板起从下到上延续生长,在成形316 L实体墙过程中采用液氩喷射冷却的方法降低成形件的温度;分析了液氩喷射冷却对实体墙金相组织和显微硬度的影响。结果显示,采用液氩喷射冷却能有效缓解激光金属直接成形过程中成形件内部的热积累现象,使柱状晶组织在实体墙内部从基板开始从下到上延续生长,一次枝晶间距最大处约为12μm,并且提高了实体墙零件的显微硬度值。     

工艺参数对激光快速成型316L不锈钢组织性能的影响

采用激光快速成型技术制备了316L不锈钢零件,研究了激光功率对激光快速成型不锈钢零件组织、性能的影响。研究结果表明,激光功率≤900W条件下,所成型的不锈钢薄壁墙的组织为枝晶组织,当激光功率升高到1150W时,枝晶组织变得更短。机械性能测试结果显示,在各激光功率下制备的不锈钢薄壁墙的机械性能均可满足实际使用要求。     

钢/铝异种金属预置Si粉的光纤激光焊接

Fe/Al难熔合、易生成Fe-Al脆性金属间化合物是钢/铝异种金属优质高效焊接亟待解决的技术难题。对厚度分别为5mm、6mm的低碳钢和铝合金板进行了对接处开设坡口、并在界面结合处预置Si粉的光纤激光焊接实验研究,通过调整焊接工艺参数和预置粉末得到成形良好的焊缝。利用卧式金相显微镜、电子显微硬度仪、扫描电镜、X射线衍射仪等设备对焊缝及母材区进行了观察与检测。结果发现:在激光功率为1.8～2.0kW,焊接速度8～10mm/s,离焦量-2.0mm,Ar为保护气体且流量为15L/min,光斑偏向钢侧距界面结合处0.2mm的工艺条件下,激光焊接钢/铝异种板材,可实现钢/铝熔合,焊接类型为热传导焊,焊缝区域晶粒细小,硬度高于两侧热影响区及母材,钢/铝结合界面分界线明显,界面处熔化金属互相扩散嵌入母材,呈齿轮式"啮合"态连接在一起。对钢/铝实施热传导焊,可有效控制熔池中Fe、Al熔化量;预置Si粉改善了焊池熔化态下的流动性,熔化金属易于在结合界面铺展,钢/铝焊缝区形成了结构稳定的Al9Si、Fe0.9Si0.1化合物,抑制了Fe-Al脆性金属间化合物的生成。     

基于环形光光内送粉激光熔覆温度场的数值模拟

针对"光束中空,光内送粉"的激光熔覆工艺方法,利用Ansys软件的参数化设计语言(APDL)建立了环形激光光斑连续移动加载的激光熔覆模型。通过计算该模型,可以掌握环形激光光内送粉激光熔覆过程中温度场的分布规律。计算结果表明,采用环形激光束加载时,熔池的最高温度区域的形状呈现出"马鞍形"。在基体纵切面上,熔池的高温区域分布呈不对称的"W"形,且高温区域主要分布在光斑中心往后;在基体横截面上,熔池的高温区域分布呈对称的"W"形,熔池中心温度低,两侧温度高,通过基体横断面等温线的分布能够判断熔覆层与基体的结合情况。位于扫描路径中心位置的点在激光束扫过其过程中会经历迅速升温、降温、升温、再迅速降温的急冷急热过程,且第二次升温高于第一次的温度值;位于光斑内外环之间的点在激光束扫过其过程中只有一次升温降温的过程,温度分布较均匀。     

光纤激光直接快速成型3l6L不锈钢精密零件研究

为了研究光纤激光在选区激光熔化直接成型316L不锈钢精密零件中的应用,采用扩束镜及f-θ透镜,将光纤激光在成型系统工作面上聚集成30μm~50μm左右的细微聚焦光束;通过分析离焦量、扫描速度、激光功率、扫描路径对比成型实验,获得了激光光斑直径、扫描速度、激光功率等工艺参量及扫描路径对成型精度的影响关系。结果表明,通过优化工艺参量及扫描路径,可成功成型壁厚达0.1mm的316L不锈钢精密零件。     

方波参数对激光金属直接成形特征尺寸的影响

针对激光金属直接成形过程中的特征尺寸问题,采用ANSYS有限元分析软件,对方波作用模式下的激光熔池温度场进行了模拟分析.结果表明,在平均输出功率一定的情况下,熔池作用尺寸范围随着方波作用时间的减小而增大,而在光斑重叠率足够大的情况下,改变重复频率对熔池作用尺寸范围影响较小;在其它参数一定的情况下,熔池作用尺寸范围随着平均功率的降低而减小.结合模拟分析,设置相应的实验方案对方波作用下的各参数对金属直接成形特征尺寸进行了分析,实验结果变化规律与计算结果吻合.利用方波,成形出了具有小特征尺寸的薄壁零件.     

激光熔覆Ni/WC涂层温度场及形貌模拟

根据同轴送粉激光熔覆的特点,利用有限元软件ANSYS模拟温度场的动态过程,采用生死单元法求得熔覆层形貌的三维模型,模拟中加入了熔覆粉末的温升、激光的衰减、相变潜热以及温度对材料热物理性能的影响等因素的影响作用,并且对温度场的结果进行了分析和试验验证。结果表明,熔池前方温度梯度比后方大,熔池最高温度在短时间之后会基本保持稳定。在高锰钢表面采用4000 W多模光纤激光器熔覆镍包WC复合粉末,涂层组织主要为细化树枝晶,通过对熔覆层横截面形貌、组织形貌、温度场分布的观察分析,验证了模拟结果的准确性,可作为制备涂层的工艺的理论参考。     

激光-电弧复合焊接的热源相互作用

为了研究激光-电弧复合焊接的热源相互作用,提升对复合焊接复杂物理过程的认识程度,进一步优化工艺参数,采用CO2轴快流激光器和钨极氩弧焊机在3mm厚316L不锈钢板上进行了复合焊接试验研究。定义无量纲参数——复合焊接熔化效率增量δ来表征热源相互作用的变化。结合焊缝成形、等离子体形貌,通过δ半定量分析了激光、电弧热源间距和能量配比对热源相互作用的影响。结果表明,在优化的参数组合下,δ高达83.6%。其中,电弧对工件的预热作用能够提高激光能量的利用率,增强热源相互作用,但是激光-电弧等离子体相互作用才是提高热源相互作用程度的关键机制。     

激光快速成形过程中熔池形态的演化

采用高速摄影技术对激光快速成形过程中液态熔池的形成及其演化过程进行了实时观察。结果发现,以一定速度向前运动的激光束辐照基材时,基材表面开始熔化并形成液态熔池,经过一个较短的时间间隔(约1．0 s)后熔池深度增大至一定值,熔池长度则围绕一恒定值波动。以恒定送粉率向熔池中连续送进金属粉末时,熔池的长度和宽度逐渐减小,熔池寿命缩短。同时熔池后沿不断抬高即熔覆层厚度不断增加,最大熔深处熔池自由表面法向和激光束轴线之间的夹角由几度逐渐增大到20°～30°左右。熔池自由表面发生周期性的变化,实验观察到熔池后沿有周期性的“岛状凸起”出现和消失现象。数值计算结果证实这主要是熔池中熔体在表面张力梯度下引起的强制对流作用的结果。