激光熔化沉积成形缺陷及其控制方法综述

激光增材制造技术作为一种新型的快速成形技术,在快速精准成形的同时,还能够满足个性需求,这种成形方式完全颠覆了传统减材制造的成形理念,因而很快成为最能代表当今信息化时代的一种制造技术。常见的激光增材制造技术主要有以送粉为特征的激光熔化沉积技术(Laser melting deposition,LMD)和以粉末铺床为特征的选区激光熔化技术(Selective laser melting,SLM)。激光熔化沉积技术是采用同步送粉的方式通过大功率激光将同种或不同种的粉末熔化,然后逐行逐层地进行扫描堆积成形。利用这种方法所制备的零件不仅形状复杂,而且各项力学性能均优于铸件。相对于选区激光熔化技术,激光熔化沉积技术具有三大优势:(1)成形尺寸不受限制,可进行大尺寸的零件制造;(2)可以实现不同成分和比例的梯度材料成形;(3)可以进行零件修复与再制造。激光熔化沉积成形过程是一个涉及温度场、应力场等多物理场的耦合过程,由于材料急热、急冷的特点使得利用激光熔化沉积法制备的零件组织为非平衡态组织,过程复杂,不稳定性因素多,因此制件容易出现翘曲变形、熔合不良、尺寸精度不高、开裂等宏观缺陷,内部也容易产生气孔、夹杂、裂纹等微观缺陷,其中激光熔化沉积制备的零件中较大残余应力的存在使得裂纹对其性能的影响更为显著。当前,研究者们主要通过工艺实验及数值模拟研究了产生缺陷的原因,在一定程度上找出了产生气孔、熔合不良、裂纹等缺陷的主要影响因素,并针对这些因素进行逐步分析,在控制粉末特性,调节激光功率、扫描速度、送粉速度、搭接率等工艺参数,引入基板预热,热处理等缺陷控制方法方面取得了一定的进展。同时还利用外界先进检测、传感技术对缺陷进行了实时监测及闭环控制,为激光熔化沉积成形缺陷的控制提供了良好的辅助手段,大大提高了激光熔化沉积成形零件的性能。本文总结了近年来国内外有关激光熔化沉积成形缺陷及其控制方法的研究进展,按照缺陷的种类进行了分类归纳,分析了缺陷形成原因及影响因素,汇总了目前研究的缺陷控制方法,并探讨了当前存在的问题和未来发展前景。

An Overview of Defects in Laser Melting Deposition Forming Products and the Corresponding Controlling Methods