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3D打印激光近净成形技术

发布日期:2018-12-25 0 1689

激光熔化沉积(Laser Metal Deposition,LMD)于上世纪9O年代由美国Sandia国家实验室首次提出,随后在全世界很多地方相继发展起来,由于许多大学和机构是分别独立进行研究的,因此这一技术的名称繁多。

例如,美国Sandia国家实验室的激光近净成形技术LENS;

美国Michigan大学的直接金属沉积DMD(Direct Metal Deposition);

英国伯明翰大学的直接激光成形DLF(Directed Laser Fabrication);

中国西北工业大学的激光快速成形LRF(Laser Rapid Forming)等。

虽然名字不尽相同,但是他们的原理基本相同,成型过程中,通过喷嘴将粉末聚集到工作平面上,同时激光束也聚集到该点,将粉光作用点重合,通过工作台或喷嘴移动,获得堆积的熔覆实体。

LENS技术使用的是千瓦级的激光器,由于采用的激光聚焦光斑较大,一般在lmm以上,虽然可以得到冶金结合的致密金属实体,但其尺寸精度和表面光洁度都不太好,需进一步进行机加工后才能使用。

激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程,熔覆过程中的参数对熔覆件的质量有很大的影响。

激光熔覆中的过程参数主要有激光功率、光斑直径、离焦量、送粉速度、扫描速度、熔池温度等,他们的对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有着很大影响。

同时,各参数之间也相互影响,是一个非常复杂的过程。

必须采用合适的控制方法将各种影响因素控制在溶覆工艺允许的范围内。

然而,由于LMD的层层添加性,沉积材料在不同的区域重复经历着复杂的热循环过程。

LMD热循环过程涉及到熔化和在较低温度众多的再加热周期过程,这种复杂的热行为导致了复杂相变和微观结构的变化。

因此,控制成形零件所需要的成分和结构存在较大的难度。

另一方面,采用细小的激光束快速形成熔池导致较高的凝固速率和熔体的不稳定性。

由于零件凝固成形过程中热量的瞬态变化,容易产生复杂的残余应力。

残余应力的存在必然导致变形的产生,甚至在LMD成形件中产生裂纹。

成分、微观结构的不可控性及残余应力的形成是LMD技术面临的主要困境。

DMD/LENS的实质是计算机控制下金属熔体的三维堆积成形。

与DMLS和SLM/SLRM不同的是,金属粉末在喷嘴中即已处于加热熔融状态,故其特别适于高熔点金属的激光快速成形。

事实上,美国Sandia国家实验室在美国能源部资助下,在LENS开发初期,就将其定位于直接精密制造航空航天、军事装备领域的复杂形状高熔点金属零部件;并以此为基础,将成形材料体系拓展为工具钢,不锈钢,钛合金,镍基高温合金等。

美国Sandia国家实验室开展的复杂零件LENS成形研究工作,成形零件综合机械性能接近甚至优于传统工艺制备的相关零件;但限于国防安全保密,目前相关技术细节很少有公开报道。

特别需要说明的是,通过调节送粉装置、逐渐改变粉末成分,可在同一零件的不同位置实现材料成分的连续变化,因此LENS在加工异质材料(如功能梯度材料)方面具有独特优势。


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