316L不锈钢粉末选区激光熔化成型致密化研究

为了研究选区激光熔化所加工的316L不锈钢成型件的致密度与工艺参量之间的关系,在自主研发的选区激光熔化成型设备DiMetal-280上,采用316L不锈钢粉末,用层间互错扫描方式以及不同扫描间距、扫描速率和扫描功率成型若干样块;在显微镜下观察样块形貌加以分析,并采用排水法测试样块致密度。结果表明,在合适工艺范围内,采用层间互错扫描方式有利于提高致密度;随着扫描间距的增大,熔道间搭接方式发生变化,致密度会减小;当扫描速率过小或过大时,致密度会减小;在加工初期时的实际铺粉厚度的变化也会导致致密度减小。该研究为进一步提高316L不锈钢选区激光熔化成型件的致密度奠定了基础。     

选区激光熔化316L不锈钢粉末形貌分析

表面粗糙度是衡量选区激光熔化成型质量的关键指标之一。实验使用316L不锈钢粉末进行多层实体成型时,发现各层并不能维持首层平滑的形貌,而是逐渐累积变差。针对此问题,设计了逐层缩进的多层实体成型实验,并结合单道、多道搭接扫描实验,从SLM成型的机理上分析了多层成型形貌恶化的原因。在此基础上,提出了一种新的扫描策略,即大间距且相邻层间扫描线错开的扫描方式,试验获得了成型表面形貌良好的实体方块,表面粗糙度Ra在8μm以下。     

分区扫描路径规划及其对SLM成型件残余应力分布的影响

为了解决激光选区熔化成型零件时扫描线过长导致的层内累积残余应力过大、易发生翘曲变形和裂纹等问题,提出了一种分区扫描策略。采用S形正交扫描策略和分区扫描策略分别规划了零件扫描路径,实验验证了分区扫描策略的有效性。实验结果表明,采用分区扫描策略能有效降低边界拉应力,减小平面残余应力波动,提高成型件的力学性能。     

选区激光熔化成型悬垂面质量的影响因素分析

悬垂结构是选区激光熔化成型存在的固有几何限制,其容易导致成型件形状与尺寸精度变差。为了掌握悬垂面成型出现缺陷的原因,在自主研发的选区激光熔化成型设备上,采用316L不锈钢粉末,进行了高速与低速条件下成型不同倾斜角度和不同扫描线长度的悬垂结构实验。结果表明,倾斜角越小和扫描速度越小,翘曲变形越严重,理论分析了最小成型角度与可靠成型角度分别与高速扫描、低速扫描的实验结果吻合。高速扫描可成型具有最小成型角度的悬垂面,而低速扫描下只能成型可靠成型角度的悬垂面。悬垂面沿着长线扫描方向更容易发生翘曲变形。通过对悬垂面进行局部成型参量控制,可以明显改善成型质量。本研究从工艺与设计的角度为选区激光熔化技术成型悬垂面提供了依据,并给出了初步解决方法。     

Ti-Ni合金选区激光熔化快速成型基础实验研究

选区激光熔化（SLM）是一种极具挑战力的新型快速成型技术，能一步加工出具有冶金结合，相对密度接近100%，具有复杂结构、高的尺寸精度及好的表面粗糙度的金属零件。选用适用于医学植入体的Ti-Ni合金材料进行了选区激光熔化成型实验研究。讨论了扫描速度、铺粉厚度、激光功率等加工参数对成型致密性及成型精度的影响。设计和成型了梯度网格结构，重点分析了翘曲变形现象的成因及消除方法，认为可通过特殊的扫描策略，减小成型件各处温差的方法有效消除成型件的翘曲变形。对成型样品的内部组织显微分析表明，成型样品达到了完全的冶金结合，内部由枝晶和等轴晶两种组织构成，其分布取决于扫描方式、扫描速度、激光功率等参数。     

激光选区熔化成型典型几何特征尺寸精度研究

为了探讨激光选区熔化成型典型几何特征的尺寸精度,并为激光选区熔化直接成型金属零件提供设计参考依据,设计了薄板、尖角、圆柱体、圆孔、方孔等典型几何特征的三维模型,采用华南理工大学研发的激光选区熔化设备(Di Metal-100)在优化的工艺参数下选用316L不锈钢粉末对这些典型几何特征进行激光选区熔化成型。实验结果表明,激光光斑约束、台阶效应、粉末粘附、激光深穿透等因素是影响零件尺寸精度和激光选区熔化成型能力的主要原因。基于对激光选区熔化成型典型几何特征的尺寸精度及成型能力研究,提出了一些适用于激光选区熔化的零件设计规则,为产品的创新设计提供了参考依据。     

光纤激光直接快速成型3l6L不锈钢精密零件研究

为了研究光纤激光在选区激光熔化直接成型316L不锈钢精密零件中的应用,采用扩束镜及f-θ透镜,将光纤激光在成型系统工作面上聚集成30μm~50μm左右的细微聚焦光束;通过分析离焦量、扫描速度、激光功率、扫描路径对比成型实验,获得了激光光斑直径、扫描速度、激光功率等工艺参量及扫描路径对成型精度的影响关系。结果表明,通过优化工艺参量及扫描路径,可成功成型壁厚达0.1mm的316L不锈钢精密零件。     

铜磷合金粉末选区激光熔化成型研究

为了应用选区激光熔化技术直接制造金属零件,采用Dimetal 240快速成型机对平均直径为75μm的铜磷合金粉末进行了工艺试验。成型机配备200W半导体抽运Nd:YAG激光器,激光功率为103W～117W,内部扫描速度为0.25m/s～0.41m/s,边框扫描速度为0.15m/s,铺粉厚度为0.2mm。所得试样用扫描电镜和光学显微镜进行了微观组织分析。试样层问结合为冶金结合,致密度达到90%以上,层内组织为细长枝晶,层问组织为细小等轴晶。结果表明,通过设定合适的工艺参量,选区激光熔化技术可以直接成型金属零件。     

不锈钢薄壁零件选区激光熔化制造及影响因素研究

为了实现薄壁零件的快速制造,在快速成型设备Dimetal-280上进行了选区激光熔化(SLM)成型工艺实验研究,分析了SLM中不同激光功率、扫描速度、铺粉装置、离焦量和层厚对成型效果的影响,在实验中获得了优化的工艺参数,并成型了变截面的薄壁零件,零件致密度达96.95%。在扫描电镜下观察了零件的表面及侧面,结果表明其层与层之间熔合良好;分析表明成型设备成型零件壁厚的绝对误差极限值在20μm左右;薄壁零件顶部壁宽为101.3μm,底部壁宽为142.0μm,与设计值相差分别为21.3μm和22.0μm,与极限值相吻合;拉伸测试表明,抗拉强度范围为465~625 MPa,屈服强度范围为390~515 MPa,延伸率范围为23%~48%。     

扫描策略对选区激光熔化钴铬合金组织和性能的影响

为评估扫描策略对选区激光熔化(SLM)钴铬合金孔隙率、微观形貌、力学性能的影响,在工艺参数相同的条件下,采用三种扫描策略,即层内扫描为:条形扫描、平面扫描和棋盘扫描,层间旋转67°的扫描方式成型SLM钴铬合金。结果表明:与条形和棋盘试样相比,可以明显看到平面试样孔隙少,说明致密度好。在微观形貌方面,三者差异很小,熔池紧密搭接,只是熔池宽度和深度略有不同。在机械性能方面,可以发现平面扫描得到的试样硬度、抗拉强度和屈服强度均高于其他两种扫描试样,延伸率也明显得到提高。摩擦磨损试验中,条形试样耐磨性最优,平面试样与其相近,棋盘试样耐磨性最差。通过综合分析,本次研究中平面扫描得到的试样整体效果最佳。     

选区激光熔化成形Al-Si合金及其裂纹形成机制研究

为了得到性能良好的Al-Si合金零件,对选区激光熔化成形Al-Si合金的成形特性以及成形试样中裂纹进行了研究,得到了成形样致密度和工艺参量的关系以及裂纹的形成机制。在合适的工艺区间内,随着激光能量密度的增大,致密度先上升后下降;大部分试样底部存在沿熔覆层扩展的冷裂纹;其形成机制是Al-Si合金粉末成形过程中,生成大量共晶Si相,使材料的抗裂性能不足以抵抗成形过程中的高温度梯度导致的残余应力所致。结果表明,通过调整成形工艺参量,可以得到无裂纹的性能良好的成型零件。     

选区激光熔化快速成型制造精密金属零件技术

对金属粉末材料进行了自动化成型工艺实验，结合实验，研究了影响金属零件直接自动化成型的硬件因素、软件因素和材料因素。其中硬件的影响主要是激光的光束质量和功率、聚焦系统、扫描系统和铺粉系统等;软件的影响主要是扫描策略、切片软件的使用和CAD模型的建立等;材料方面的影响主要是材料的成分、熔点、粒度和粉末的粒径等。通过针对不同成分和粒度的粉末材料的实验，获得了从CAD模型到分层制造出金属实体的样件，结果表明，成型零件的致密度达100%，尺寸精度小于0.1 mm，是完全冶金结合的具有较高成型精度的金属零件。     

选区激光熔化成型金属零件上表面粗糙度的研究

为了改善成型件表面质量,从微观上研究了决定选区激光熔化成型金属零件的上表面粗糙度的主要因素,通过研究单熔道成型,从熔道搭接的角度理论分析了成型件的上表面粗糙度,基于自主研发的成型设备Dimetal-280加工实体零件进行了实际测量对比,获得表面粗糙度的轮廓算术平均偏差Ra的理论值为3.21m,微观不平度十点高度Rz的理论值为12.79m,其实测值Ra=7.36m,Rz=40.01m;进行喷砂和电解抛光处理后,表面粗糙度减小,即Ra=2.34m,Rz=10.86。结果表明,成型件的上表面粗糙度主要受熔道宽度、扫描间距和铺粉层厚3个因素的共同影响;粗糙度实测值与理论值有偏差,主要是由于熔道不稳定、表面出现球化、粉末粘附等缺陷造成;成型件经过电化学处理后表面质量有较大的改善。选区激光熔化成型金属零件可达到良好的表面粗糙度,此项研究为进一步提高表面质量和应用于生产加工提供了参考依据。     

选区激光熔化激光功率对316L不锈钢熔池形貌及残余应力的影响

针对选区激光熔化(SLM)工艺参数的匹配性对成形质量的影响,选取三种激光功率在不同的扫描速度和扫描方式下进行实验,研究了激光功率对熔池形貌及残余应力的影响。结果表明:随着激光功率增大,熔池的几何尺寸和成形件中的残余应力均变大。这主要是因为在上述参数序列下,随着激光功率增大,热流密度增大,相同层厚与截面下的温度梯度增大,熔池温度升高,熔池尺寸变大,从而导致成形件熔融时的晶面夹角及晶界间距较大,进而产生了较大的热应力,成形件冷却凝固后的残余应力过大。在实际应用中,通过合理设计匹配的工艺参数,可以得到较适合的熔池几何尺寸(即较合理的温度梯度分布),从而减小热应力,进而减小残余应力,得到成形质量较高的SLM工件。     

选区激光熔化直接成型个性化舌侧托槽的研究

为了探讨应用选区激光熔化快速成型技术直接制造个性化金属舌侧托槽的可行性,采用3维激光扫描仪采集与重建牙颌模型数据,并以该数字模型为基础,应用3维软件进行了个性化舌侧托槽的CAD设计,再通过自主研发的选区激光熔化快速成型机直接制造出个性化金属舌侧托槽,并对托槽的直接成型质量进行了理论分析和实验验证。结果表明,3维激光扫描仪获得的牙颌模型数据可以满足个性化舌侧托槽设计要求;应用选区激光熔化技术能够制造出与实际牙颌模型相一致的个性化舌侧托槽,取得了个性化前牙槽沟宽度为0.471mm±0.009mm数据,前牙槽沟宽度CAD设计值为0.460mm,两者间没有统计学上的差异(p0.05)。这一结果对选区激光熔化技术直接制造个性化金属舌侧托槽的实际应用是有帮助的。     

316L不锈钢粉末选择性激光熔化快速成形的工艺研究

采用正交实验方法优化316L不锈钢粉末的选择性激光熔化快速成形工艺,并对试样密度、表面形貌和微观组织进行了分析.正交实验表明,用316L不锈钢粉末在HRPM-Ⅱ设备直接熔化成形可获得达到致密度较高的试样,试样致密度达80.0%.优化后的工艺参数为激光功率95W、扫描速度70mm/s、扫描间距0.06mm,使用该优化参数制得了复杂曲面和网格零件.     

激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件变形与残余应力

增材制造（3-D打印）作为一种近净成形技术，为钛合金薄壁件高质量毛坯制造提供了新途径，但在薄壁件成形过程中产生的变形与残余应力会影响试件的成形质量与后续加工。为了解决这一问题，采用激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件，研究了激光功率、扫描速率、薄壁厚度和扫描路径方向对试件变形与残余应力的影响，测量了试件不同深度的表面残余应力。结果表明，变形主要在薄壁件顶层两侧，最大残余应力主要分布在试件底层与薄壁件中间；当激光功率为180W、扫描速率为1200mm/s时，试件变形最小；当壁厚为0.6mm、扫描路径方向45°时，试件残余应力最小；薄壁件的未处理表面残余应力大于内层表面残余应力。该研究为钛合金薄壁高质量毛坯制造提供了技术帮助。     

金属零件自动超轻结构化设计及激光增材制造

为解决金属超轻结构零件设计技术复杂、设计周期长、难添加蒙皮进行增材制造等难题,提出一种基于激光选区熔化增材制造工艺的金属零件自动超轻结构化设计方法:根据激光选区熔化工艺特点,编制程序将原始零件CAD模型自动转化为设定孔隙率的带蒙皮类蜂窝状超轻结构零件模型,且其数据可直接驱动设备实现零件增材制造。研究了带蒙皮超轻结构的构造形式及设计方法;探讨了合适的成型棱长及合理蒙皮结构形式;成功实现复杂零件自动带蒙皮超轻结构化设计及增材制造,所得零件孔隙率误差2.79%,表明能较准确按预期减重。该方法能根据原始零件CAD模型自动、快速地构建带蒙皮金属超轻结构零件模型,大大减轻该类零件设计负担及提高其实用性。