兩種典型金屬零部件激光增材制造技術(shù)基礎(chǔ)比較研究.pdf

1、激光增材制造高性能金屬零部件技術(shù)具有成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成形精度高、成形性能優(yōu)良等特點(diǎn)，是當(dāng)前復(fù)雜精密金屬零部件或大尺寸主承力金屬構(gòu)件一次性整體成形最具前景的應(yīng)用技術(shù)之一。它不僅是鑄造、鍛造、焊接與機(jī)械加工等傳統(tǒng)加工方法的有益補(bǔ)充，而且開啟了一種全新的金屬零件制造模式，具有重要的戰(zhàn)略研究意義。目前，激光增材制造高性能金屬零部件技術(shù)主要有兩種典型方法，一種是基于同步送粉的激光熔覆沉積技術(shù)(Laser Cladding Deposition,簡稱

2、LCD技術(shù))，另外一種是基于預(yù)置鋪粉的激光選區(qū)熔化技術(shù)(Selective Laser Melting,簡稱SLM技術(shù))。
　　然而，上述兩種技術(shù)因其成形方式與工藝參數(shù)的差別，導(dǎo)致二者在熔池形貌、冷卻速率、凝固組織以及力學(xué)性能等若干材料成形基礎(chǔ)方面存在較大差異，這為深入理解高性能金屬零部件激光增材制造技術(shù)的成形原理及應(yīng)用背景帶來了一定的困難。為此，本文將對(duì)LCD與SLM技術(shù)在上述基礎(chǔ)問題方面表現(xiàn)出來的差異性展開詳細(xì)的對(duì)比研究，主要

3、研究成果如下：
　　采用大光斑、中光斑、小光斑LCD工藝以及微光斑SLM工藝成形316L不銹鋼單道熔覆層試樣，并由此將激光增材制造技術(shù)分為四大工藝類型展開研究。引入熔池的形狀系數(shù)，特別是穿透系數(shù)，來對(duì)熔池的形貌變化進(jìn)行分析。在LCD與SLM不同工藝條件下，熔池形貌與尺寸完全不同，導(dǎo)熱模式與熱影響效應(yīng)也不同，進(jìn)而最終影響到合金的組織與性能。尤其是在LCD與SLM工藝中，熔池形貌特征隨歸一化熱焓的變化表現(xiàn)出相互獨(dú)立的趨勢，預(yù)示著LCD

4、與SLM凝固過程的差異所在。
　　采用LCD與SLM技術(shù)大、中、小、微四種不同光斑大小的工藝方案成形316L不銹鋼樣品，測量合金在不同工藝條件下的一次枝晶臂間距大小。通過一次枝晶臂間距與冷卻速率之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，計(jì)算出熔池冷卻速率的大小。結(jié)果顯示，不同工藝條件下熔池的冷卻速率相差1~4個(gè)數(shù)量級(jí)，其中，微光斑SLM工藝與大光斑LCD工藝熔池冷卻速率的差異最高達(dá)到4個(gè)數(shù)量級(jí)。能量輸入與熔池形貌的變化是導(dǎo)致冷卻速率出現(xiàn)較大差異的主要原因

5、。
　　冷卻速率大小決定晶粒尺寸大小。在LCD與SLM不同工藝方案成形316L不銹鋼中，柱狀晶寬度、長度及單個(gè)柱狀晶的平均體積均隨能量輸入的增加而增加，且柱狀晶的縱橫比也逐漸增大。然而，柱狀晶尺寸隨冷卻速率的變化卻表現(xiàn)出不同的趨勢。在 LCD成形過程中，柱狀晶尺寸與冷卻速率滿足經(jīng)典的λ=a+b/√T(λ代表晶粒尺寸大小，T為冷卻速率，a，b為常數(shù))線性關(guān)系，這與傳統(tǒng)的凝固理論相似。而在SLM成形過程中，柱狀晶尺寸與冷卻速率平方根的

6、倒數(shù)卻滿足三次函數(shù)關(guān)系，與傳統(tǒng)凝固理論不符合。進(jìn)一步分析表明，在LCD工藝中，由于冷卻速率與過冷度較小，導(dǎo)致晶粒的形核率與生長速率比值相對(duì)較小，再加上熔池散熱方向的單向性等原因，使得LCD工藝比SLM工藝更容易形成粗大的柱狀晶組織。
　　SLM與LCD成形過程中的多重?zé)嵫h(huán)過程使合金組織結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。在高功率SLM成形1Cr18Ni9Ti不銹鋼中，隨著熔池穿透系數(shù)的增加，熔覆層所經(jīng)歷的熱循環(huán)次數(shù)越多，導(dǎo)致液相合金的冷卻速率降低

7、、過冷度減小，根據(jù)柱狀晶的生長機(jī)制可知，這將導(dǎo)致柱狀晶尺寸變粗大。同時(shí)，多重?zé)嵫h(huán)過程還具有多次固溶處理的效果，這使得合金在胞壁區(qū)域的偏析現(xiàn)象減少，合金內(nèi)元素成分更加均勻。同時(shí)，在小光斑LCD成形Inconel718合金中，隨著能量輸入的增加，熔池中液相的溫度梯度增加，成分過冷區(qū)減小，合金的組織形貌從樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)闃渲?胞晶共存，再轉(zhuǎn)變?yōu)榘?。而且，晶粒?nèi)亞晶界區(qū)域的拉夫斯相逐漸增多，基體內(nèi)的二次沉淀相逐漸減少。
　　組織結(jié)構(gòu)的差

8、異導(dǎo)致SLM成形構(gòu)件的力學(xué)性能優(yōu)于LCD成形構(gòu)件的力學(xué)性能。在LCD與SLM成形316L不銹鋼中，SLM成形樣品的顯微硬度比LCD成形樣品高100 HV左右；SLM成形樣品的最大抗拉強(qiáng)度比LCD成形樣品高180 MPa；SLM成形樣品的屈服強(qiáng)度是鍛件標(biāo)準(zhǔn)的2.5倍，而LCD成形樣品的屈服強(qiáng)度是鍛件標(biāo)準(zhǔn)值的1.5倍。在高功率SLM成形1Cr18Ni9Ti不銹鋼中，隨著熱循環(huán)次數(shù)的增多，由于晶粒尺寸與成分均勻性的雙重變化，樣品的拉伸性能變化