選取激光熔覆形成的高致密度沃斯帕罗伊合金.docVIP

选区激光熔覆形成的高致密度沃斯帕罗伊合金的研究 摘要：在这项研究中，用选取激光熔覆技术做出高密度沃斯帕罗伊合金的样品，将沃斯帕罗伊合金粉末应用于SLM技术用的是高功率脉冲Nd：YAG激光器。激光器的参数脉冲能量、脉冲宽度、频率、和扫描速度都是变化的。最优化的工艺参数是通过分析测试工艺参数和成型的沃斯帕罗伊合金样品的关系得到的。最优化的工艺参数可以使沃斯帕罗伊合金的致密度达到99.7%。实验结果将会测出激光扫描缝的高度、宽度和接触角。同时，我们将会测试出试样多孔性，并观察试样的微光组织结构。 关键词：选区激光熔覆 激光熔化 实体自由成形制造 直接成型 沃斯帕罗伊合金 引言 为了满足对缩短生产周期的要求，迫切需要一种不用高硬度的工具作业就能快速成型出高硬度复杂金属零件的生产工艺。现在有一种生产工艺能满足实体自由成形制造（SFF）的要求，它是一种涉及到逐步初始化成型和材料合成（例如粉末、金属丝等）的可能性，从复杂的CAD模型直接成型出高密度零件。SFF工艺为减少产品的初始化概念设计到实体成型的时间提供了极大的可能性。 激光SFF工艺用集中的激光束产生的能量来部分或完全熔化堆积的材料。研究表明由激光SFF技术成型的金属材料的零件的微观结构和机械性能等价甚至优于普通工艺成型的零件。Xue et al. 用一台Nd：YAG激光器完全熔化625铬镍铁合金和316L不锈钢合金粉末，实验产生完全致密的铬镍铁合金零件拥有比铸造和锻造相同材料具有更高的屈服强度和最终应力强度。316L不锈钢合金零件与铸造和锻造零件相比具有更高的屈服强度，同时最终强度和伸长率也旗鼓相当。Zhang et al. 用激光工艺技术熔化了663铜合金和316L不锈钢粉末，成型的零件完全致密，据报道其机械性能优于通常的生产工艺产生的零件。 已经有几种激光SFF工艺得到发展并成功应用与商业。这几种工艺包括激光工程网格成型（LENS）、直接激光成型（DLF）、直接金属激光烧结(DMLS)和选区激光熔覆(SLM)。这些工艺都是由高功率激光束产生的热来熔化材料粉末层或注射的材料。LENS技术和DLF技术将熔化的粉末喷射到激光束内，粉末沉积技术对金属成分的合金来说是比较理想的。然而，粉末沉积技术总是需要固体母材，并且成型过程中由于粉末的飞溅常常造成材料的大量浪费。这种工艺也增加了粉末流动率的复杂程度，制造过程中必须始终保持精确的流动率来确保准确的沉积层的厚度。SMLS技术和SLM技术熔化预先铺好的粉末层。为成型材料提供支持结构，没有熔化的粉末可以精确控制粉末程的厚度。然而在一些情况下，表面的支撑结构是必要的。SMLS技术和SLM技术可以循环重复利用没有熔化的粉末。 SLM技术的主要研究工作是工艺，研究表明SLM技术已经拥有可行性权来生产功能金属材料，包括钛合金骨头移植。SLM技术用的Nd：YAG激光器比激光器的波长要短。由于短的波长增加了材料对激光能量的吸收率，这使这项工艺得到更高的熔化温度，使反射更加容易。SLM技术的研究已经集中到了像铝、铬、镍、铜、铁、工具钢和钛等金属材料。不管是SLM技术，还是SFF技术，目前还没有研究表明由超级沃斯帕罗伊合金粉末合成完全致密的零件。现在航天飞行器和推进系统需要一些能在高温下工作的材料，沃斯帕罗伊合金已经通过铸造和锻造工艺制造出高强度，耐高温零件。 将SLM技术用于沃斯帕罗伊合金粉末给学者由很复杂的几何模型通过简单的几步工艺直接制造出高密度功能材料提供了可能性。这种工艺有生产出微观结构性能优于普通工艺金属零件的潜能。这些优势激励各位学者更加热情的探索SLM技术在金属材料上的应用。 由于成型零件的多孔性使采用金属粉末通过SLM技术合成高致密度零件具有一定的困难。合成材料过程中会受到球化现象、蒸发和层与层之间的湿度的影响。维持两件精确度的另外一个因素是当用高功率的激光器时会产生更加复杂的问题。为了降低每个步骤中的因素对成型零件性能的影响需要更多的实验数据。所以将激光技术应用于商业在今天仍然受到限制。 本研究将应用SLM技术合成沃斯帕罗伊合金。因素分析将用来确定工艺参数，并确定这些因素是怎么影响合成零件性能的。研究还将明确材料的完整结合，并制定一套最优的工艺参数来合成高致密的的沃斯帕罗伊合金样品。最后将测试合成样品的多孔性和微观组织。 实验原理 2.1. 设备 此次实验用的是500W的Nd：YAG脉冲激光器（GSI Lumonics JK701H），激光的波长是1.06μm，激光束直径的0.8mm。这套设备的工作系统如图1。粉末层将由漏斗朝一个方向铺在一块43mm*30mm*4mm的钢材基体上。每块基材被固定在工作台上，并且有四个轴控制。其中工作台的z轴是可以下降的，允许进一步的铺层。Nd：YAG激光器通过光纤维分离系统产