激光选区熔化成形铝合金的缺陷及控制方法研究进展

激光选区熔化(selective laser melting,SLM)技术能够实现高精度复杂铝合金零件的制造.本文介绍了SLM成形技术的原理,阐述了国内外SLM成形铝合金缺陷的研究进展,分析了SLM成形铝合金过程中可能出现的球化、孔隙、残余应力及裂纹、氧化夹杂和合金元素烧损五种缺陷的形成原因和控制方法,并简要预测了未来...     

激光选区熔化成形钛合金内部缺陷及其演化规律研究

激光选区熔化(selective laser melting, SLM)成形技术可实现形状复杂、尺寸精度高、力学性能优异零部件的直接成形,但成形工艺参数选择不当,则会在产品中引入缺陷,针对SLM成形钛合金内部缺陷的问题,研究了激光功率和扫描速度2个主要成形工艺参数对钛合金内部缺陷类型、尺寸及数量的影响,探索了缺陷的演化规律。结果表明,SLM成形钛合金内部主要有不规则形状、规则球形2种形态的缺陷。低激光功率(≤130W)、高扫描速度(≥900mm/s)区域主要为不规则形状缺陷,能量不足是导致形成该类型缺陷的主要原因;高激光功率(≥190 W)、低扫描速度(≤600 mm/s)区域主要为规则球形缺陷,能量过高导致合金元素气化是产生这类缺陷的主要原因。随着能量密度的增加,根据缺陷的演化规律绘制了SLM成形钛合金加工图,其中缺陷的演化呈现3个阶段,即不规则形状缺陷尺度逐渐降低区,微尺度不规则缺陷向微尺度规则球形缺陷过渡区和规则球形缺陷逐渐长大区。     

激光选区熔化YSZ陶瓷工艺及内部缺陷研究

初步研究了55~113μm的氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末的激光选区熔化制造工艺,分析了其内部缺陷的形态和分布。结果表明:全陶瓷氧化钇稳定氧化锆粉末可被波长1060~1100 nm激光完全熔化,线功率密度需达到140 J/m。在成形水平方向,微裂纹沿着激光扫描轨迹有序分布,成形堆积方向存在连续有序的宏观裂纹,内部缺陷主要为微裂纹和气孔。     

多孔件TC4选区激光熔化成形及力学性能分析

采用选区激光熔化成形技术制备了两种钛合金体心立方多孔结构(BCC和BCC-Z)制件,验证了其成形复杂孔制件的可行性;进行了静态压缩试验,结果表明制件沿近45°方向断裂;压缩试验应力应变曲线表明多孔件使材料抗拉强度大大减小,且随着边径比和孔隙率的增大,峰值应力减小。同时,在边径比和孔隙率相差不大的情况下,BCC-Z结构承受载荷的能力明显高于BCC结构;通过有限元模拟分析了BCC制件在压缩过程中的应力分布情况,针对单元体节点处的应力集中现象,提出了节点加固方法。同时预测了多孔制件的弹性模量和屈服强度,模拟与试验结果基本吻合。     

模具钢粉末的选区激光熔化成型性能及缺陷研究

调整激光功率和扫描速度两个主要工艺参数,研究了选区激光熔化成型模具钢粉末的性能。分析工艺参数对试样表面硬度的影响规律,研究成型试样存在的缺陷形式及产生机理。结果表明,选区激光熔化成型H13试样的表面硬度,随线能量的增加整体上表现为先升高后降低的趋势。当激光功率为180 W、扫描速度为400 mm/s、线能量为0.45 J/mm时,试样的上表面硬度和侧表面硬度最高分别为56 HRC和55 HRC。成型过程中球化是导致孔隙的主要原因之一,由球化导致的孔隙形状不规则,且周围存在大量球状颗粒。     

激光选区熔化成形不锈钢板材内部缺陷无损检测可靠性分析北大核心CSCD

为验证不同无损检测方法对激光选区熔化(SLM)成形不锈钢材料内部缺陷检测的适应性,分别采用X射线数字成像检测(DR)、工业计算机层析成像检测(CT)、相控阵超声检测(PAUT)和超声检测(UT)等对SLM成形不锈钢梯形板(厚度为11~20 mm)开展检测。实验结果表明:CT的灵敏度最高,能够检测出15.58μm的内部自然孔隙缺陷,达到了10μm级;PA及直接接触法UT可以检测出毫米级的面积型缺陷;DR对SLM不锈钢梯形板面积型缺陷不敏感。另外,水浸法UT结果表明,通过提升探头频率来提高UT的灵敏度是比较有限的,探头频率超过10 MHz即难以实施有效检测。金相分析结果验证了CT、PA和UT的可靠性,SLM不锈钢梯形板中存在直径为Φ20~Φ100μm的单独气孔和裂纹缺陷,同时也存在局部区域1 mm左右的密集型缺陷。     

选区激光熔化成形AlSiMg3合金

基于选区激光熔化（SLM）技术熔体快速冷却的特点,通过提高Al-Si-Mg合金中Mg的含量,设计获得SLM技术专用AlSiMg3合金。系统研究了不同工艺参数和时效处理条件对SLM成形AlSiMg3合金组织和硬度的影响。结果表明,SLM成形样品均由α-Al、Si和Mg2Si相构成。高激光能量密度有利于增加粉末样品的成形性,当激光功率为160 W,扫描速度为200 mm/s时,样品具有最低孔隙率0.07%。随着激光扫描速度的增加,样品中富Si组织的比例逐渐升高,Mg元素在α-Al中固溶量逐渐增大,使得SLM成形样品的硬度逐渐升高,最大值为194±3 HV。样品经150 ℃时效处理后,由于α-Al内部纳米颗粒的析出,导致样品硬度增大,最大值为210±2 HV,远高于现有报道的SLM成形Al-Si和Al-Si-Mg铝合金。本研究报道了成形性和力学性能优异的SLM专用Al-Si-Mg合金。     

选区激光熔化Al-Mg-Sc-Zr合金成形性及力学性能研究

通过选区激光熔化(SLM)技术制备Al-Mg-Sc-Zr铝合金,系统研究了不同工艺参数对铝合金粉末成形性以及不同时效处理条件对SLM成形样品组织和力学性能的影响。结果表明,在高激光功率和低激光扫描速度下,SLM成形样品的致密度较高。沿样品沉积方向可观察到熔池层层堆叠的显微组织,熔池边界和熔池内部均存在细小纳米颗粒。经不同温度时效处理后,样品的硬度和压缩屈服强度先增加后降低。SLM成形样品经400℃时效处理3 h后屈服强度达到最大值469±4 MPa。     

激光选区熔化成形Cu-Al-Mn-La形状记忆合金

采用激光选区熔化技术成形Cu-Al-Mn-La合金,成形过程中合金粉末逐层叠加并经历快速熔化凝固的过程,使得合金的组织与铸造中不同,性能得到了改善。通过对微观组织分析,试样在熔敷道中心至边界依次分布着细晶区、过渡区和等轴晶区,同时存在马氏体结构;物相分析可知试样中含有β1母相和马氏体相,纳米压痕分析显示试样的纳米硬度为(4.33±0.17)GPa,杨氏模量为(122±8)GPa。     

选区激光熔化成形控制系统设计

为有效推进选区激光熔化成形技术的推广与应用,在功能需求分析基础上,结合.NET C#和FreeCAD平台,提出一种选区激光熔化成形控制系统软件设计。该系统以开源几何模型软件Free CAD+Visual Studio.NET(C#)2010为平台,设计了标准的CAD几何对象管理数据结构,具有CAD/CAM三维零件实体模型数据处理模块和良好的人机交互功能模块。股骨假体零件的加工试验结果表明,所提出的选区激光熔化成形控制系统运行良好,具有较好的成形工艺精度。     

分区尺寸对选区激光熔化成形316L表面结构的影响

分区扫描策略对选区激光熔化成形件的表面质量有重要影响，而目前分区尺寸对成形件表面结构的影响规律尚不清晰。为进一步提高选区激光熔化成形带支撑悬垂结构的表面质量及尺寸精度，以带支撑方形悬垂结构为研究对象，结合数值模拟与成形试验从表面原始轮廓的形状误差、波纹度与表面粗糙度三个不同波距的表面结构进行研究。研究结果表明：随着分区尺寸的减小，成形件表面边缘的翘曲高度逐渐降低，但相邻分区之间的轮廓起伏程度逐渐增加，成形件截面轮廓的形状误差与表面粗糙度得到改善，波纹度呈现出增大趋势，使成形表面形貌呈先改善后降低趋势。形状误差、波纹度与表面粗糙度随分区尺寸的减小变化趋势并不一致，分区尺寸过小会导致热累积现象明显，波纹度增加。在减小分区尺寸的同时适当降低激光能量输入，能有效改善表面形貌。为提高SLM成形带支撑悬垂结构的尺寸精度和表面形貌提供了理论基础。     

密度梯度零件选区激光熔化制造基础工艺研究

为了快速制造密度梯度零件,在快速成型设备DiMetal-280上进行了选区激光熔化(SLM)成型工艺研究,分析了工艺参数与致密度之间的关系.采用316L不锈钢粉末,制造了密度从6.73g/cm3到7.78g/cm3、致密度从83.09%到96.05%水平方向变化的零件,以及密度从7.04/cm3到7.55g/cm3、致密度从93.21%到86.91%厚度方向变化的零件;将零件沿梯度方向抛光后在显微镜下观察.结果表明,零件在梯度方向随着密度的梯度变化,孔隙量也呈现相应的梯度变化.本文采用的SLM技术在密度梯度零件制造中具有很大的潜力.     

选择性激光熔化快速成型工艺研究

利用IPG200W光纤激光器和自主研发的SLM(Selective Laser Melting)快速成型设备,采用不同工艺参数组合,在25mm厚Q235钢板上进行不锈钢粉末单道熔覆实验。研究了激光功率、扫描速度对单道熔覆形貌和宽度、高度的影响规律;分析了选择性激光熔化球化现象产生机理及避免产生球化的途径;论述了最佳工艺参数的获取方法。结果表明:能量密度越高,熔覆形貌越好,球化现象越不明显;激光功率增大,单道熔覆宽度和高度也增加;扫描速度增大,单道熔覆高度和宽度减小。最后给出了几组最佳加工工艺参数和加工实例。     

Research on track overlapping during Selective Laser Melting of powders

The Selective Laser Melting (SLM) process fabricates components from powders by adding material and its processing principle is based on track overlapping regime, which has been studied in this paper. The inter-layer stagger scanning strategy was employed to avoid nonuniform distribution of energy input. By theoretical deduction and experimental observation, three types of overlapping regime were revealed: intra-layer overlapping regime, inter-layer overlapping regime and mixed overlapping regime with coexistence of the first two types. The overlapping patterns and the corresponding microstructures were then discussed. Experimental result showed that specimens fabricated by inter-layer overlapping regime had high relative density when track space was not larger than 0.2 mm. A cooling insert with relative density of about 93% was also obtained at track space of 0.12 mm.     

金属零件选区激光熔化快速成型技术的现状及发展趋势

选区激光熔化（SLM）是为了直接获得致密的金属零件而发展起来的一种新型快速成型工艺。该方法利用直径30-50um的聚焦激光束,把金属或合金粉末逐层选区熔化,堆积成一个冶金结合、组织致密的实体。其外形不需进一步加工．经抛光或简单表面处理就可直接作模具或工具使用。就目前SLM设备、工艺、软件等方面,阐述了该技术的现状、进一步发展及其应用。     

Anisotropic Mechanical Behavior of AlSi10Mg Parts Produced by Selective Laser Melting

AlSi10Mg cylinders produced by laser powder-bed fusion have somewhat different yield behavior for cylinders with XY orientation and Z orientation. Earlier yielding for Z-oriented samples is likely related to micro-residual stress, resulting from the difference in thermal expansion of the aluminum matrix and cellular silicon. Smaller tensile reduction in area of Z-oriented samples is related to tearing along the softer region at the boundaries of melt pools, where the silicon cell spacing is larger. Indentation measurements confirmed the lower hardness at the edges of melt pools.     

金属粉末选区激光熔化球化现象研究

球化现象是选区激光熔化(SLM)成形中的常见缺陷,是影响零件致密度及力学性能的关键因素之一。目前,国内外对SLM成形方面还处于初步阶段,对SLM成形中球化的成形理论、成形过程及控制方法研究还不够深入。本文从金属液与固体表面的润湿性问题和SLM成形中液滴飞溅两个方面阐述了球化的成形理论;从激光熔化金属粉末是否穿透粉层的角度分析了球化的成形过程;从氧含量和金属粉末熔化量等方面提出了球化的控制方法。     

间接选择性激光烧结与选择性激光熔化对比研究

采用选择性激光烧结（Selective laser sintering，SLS）和选择性激光熔化（Selective laser melting，SLM）工艺，分别进行了铁基合金粉末的快速成形试验，对比分析了SLS与SLM成形机理、相应的工艺参数以及它们对测试件成形过程、金相组织与力学性能的影响。结果表明：由于成形机理不同，相对于SLS技术，采用SLM能够制造高致密度、组织均匀、力学性能良好的金属零件，但容易出现翘曲变形、裂纹与球化现象。通过制定合适的材料与工艺参数能够避免上述缺陷。