激光直接快速成形金属材料及零件的研究进展(下)--国内篇.pdf
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1、.综合评述.激光直接快速成形金属材料及零件的研究进展（下）国内篇张凯1，2，刘伟军1，尚晓峰1，2，王天然1（1.中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳 110016；2.中国科学院研究生院，北京()100039提要：基于激光熔覆的金属材料直接快速成形技术是目前快速成形领域的研究热点，本文系统介绍了国内外激光熔覆直接快速制造技术成形材料和零件的最新研究进展。研究表明，激光熔覆直接快速成形的金属零件的力学性能与常规加工方法制造出的零件相当，可以满足直接使用要求，具有广阔的发展前景。关键词：金属材料；激光多层（三维）熔覆；直接快速成形中图分类号：TBll5；THl5，TPl3文献标识码：A文章编号：02
2、53-2743（2005）05-000l-03Development of research on directly rapid prototyping of metal materials and components by multi-layer claddingZHANG Kai1，2，LIU Wei-jun1，SHANG Xiao-feng1，2，WANG Tian-ran11.Chinese Academy of Sciences Shenyang Institute of Automation，Shenyang 110016，China；2.Graduate SchooI of t
3、he Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，()ChinaAbstract：Uhe new technoIogy，directmy rapid prototyping of metaI components by muIti-Iayer cIadding，is a hot topic in the RP（rapid prototyping）fieId.The Iauest achievements of metaI materiaIs and components manufactured by the new technoIogy are de
4、scribed in detaiI in this paper，which shows that the as-formed mechanicaI properties were eguivaIent to those of conventionaIIy formed materiaIs，suggesting considerabIe potentiaI of this new technoIogy.Key words：metaI materiaIs；muIti-Iayer cIadding；directIy rapid prototyping收稿日期：2004-04-05作者简介：张凯（19
5、76-），男，博士研究生，主要研究领域：激光快速成型，CAD/CAM，工业自动化过程控制。1国内激光熔覆直接快速成形金属材料及零件的研究进展相比国外而言，国内在激光熔覆直接成形金属材料零件方面的研究起步较晚。目前越来越多的大学和研究所逐渐意识到该项技术的巨大发展前景，纷纷开展了一些有意义的研究工作，并且逐渐形成规模。1.1基于 LENS 和 DLF 原理的成形材料及零件的研究西北工业大学凝固技术国家重点实验室黄卫东教授首先于 1995 年在快速原型技术的基础上提出了激光立体成形技术的研究思路，并开展了前期的探索性研究1。1997 年，西北工业大学凝固技术国家重点实验室与北京航空工艺研究所联合获
6、得航空基金重点项目的资助，开展了基于 LENS原理的金属材料激光直接成形技术研究，针对 Rene95、Ni20、Ni35、Ni60、FGH95 高温合金以及 316L 不锈钢等材料进行了系统的研究工作：分析了合金材料激光立体成形过程中的微观组织形成规律，所得到的合金材料的凝固显微组织在整体上都呈现出典型的外延生长特点，各涂层之间为冶金结合2；系统研究了多元合金熔覆层组织的柱状晶/等轴晶转变规律，运用改进的柱状晶/等轴晶转变模型（简称 GTK 模型）分析计算了 316L 和 Rene95 成形件凝固组织的形态（见图1），结果表明，激光多层熔覆实验参数所在的范围对 316L 不锈钢来说均落在柱状晶
7、生长范围内，未发生柱状晶向等轴晶的转变，而对 Rene95 合金来说则恰好落在柱状晶/等轴晶转化曲线上，这说明在相同的工艺条件下，Rene95 合金比 316L不锈钢更易于生成等轴晶组织，模型的预测与实验结果得到了很好的吻合3；通过激光超高温度梯度实验获得了显著的定向凝固组织，进行了定向凝固显微组织及成分偏析研究，分析了基材晶体取向对激光多层熔覆微观组织的影响，利用FGH95 合金粉末在 DD3 单晶基材和定向凝固镍基高温合金的择优晶面上进行激光多层熔覆实验，得到了沿基材定向外延生长的单晶涂覆层（见图 2）4，6；分析了加工过程中熔覆层开裂机理及影响裂纹形成的因素，提出了相应的解决方法7，8；
8、研究了激光立体成形过程中各工艺参数对成形精度、性能和凝固组织的影响规律，发现随着扫描速度提高，枝晶平均一次间距显著减小，二次分枝逐渐被抑制（见图 3）9，采用人工神经网络技术对工艺参数进行了优化，得到了不同合金的优化工艺参数组合，并采用优化工艺成形了仅需少量后续机加工的高性能致密金属件（见图 4）10。在国家“863”计划支持下，北京有色金属研究总院张永忠等从 1998 年开始也开展了基于 LENS 原理的金属材料激光直接成形工艺图 1Rene95（左）和 316L 不锈钢（右）柱状晶/等轴晶转变曲线图 2FGH95 涂层顶部（左）中部（中）底部（右）定向凝固单晶组织图 3扫描速度分别为 5m
9、m/s（左）和 100mm/s（右）的显微组织比较图 4西北工业大学凝固实验室成形的金属件1激光杂志 2005 年第 26 卷第 5 期LASER JOURNAL（VoI.26.No.5.2005）的研究，建成了金属零件激光快速成形的专用系统，针对 663锡青铜ll、3l6L 不锈钢l2-l4、Rene95 镍基高温合金l5及Al/B4Cl6和 Al/SiCl7，l8复合粉末等材料的激光熔覆快速成形开展了一定的研究工作：分析了金属粉末在激光作用下的熔凝动力学机理及熔池能量质量传输及凝固界面演化规律；进行了激光多层熔覆的实验，研究了成形过程中凝固显微组织和相的形成特征、规律和理论模型，获得了各种
10、工艺参数对凝固组织、成形性能及零件尺寸精度的影响规律；研究了金属粉末激光快速成形过程中应力和缺陷的产生原因、影响因素与控制原理；掌握了金属粉末在激光作用下的逐点成形规律，制备出了具有一定复杂外形且性能与常规方法相当的零件（见图 5a，表 l）；此外，还制备了 50%3l6L 不锈钢-50%663 铜合金的功能梯度材料和钛合金复杂近终形结构件，并进行了性能测试（见图 5b，表 2）。表 l激光直接快速成形与传统方法所制备的拉伸试样的力学性能比较材料材料状态（拉伸与扫描方向）抗拉强度/Mpa延伸率/%3l6L 不锈钢激光成形（垂直）激光成形（平行）锻造退火态熔模铸造6266945865l74340
11、5939663 铜合金激光成形（平行）金属模铸造砂模铸造260l80l502646Rene95激光直接制备热处理态l200l400l820表 2激光直接快速成形与传统方法所制备的钛合金拉伸试样的力学性能比较成形工艺状态抗拉强度/Mpa屈服强度/Mpa延伸率/%断面收缩率/%备注变形态退火!895!825!l0!25GB/T2965-l996退火!930!860!l0!25GJB493-l988铸态-8958256-GB/T66l4-l994LASFORMTM退火965862l020-激光快速成形室温982883l835垂直扫描方向l0409509l3平行扫描方向300C750592l647平行
12、扫描方向图 5a北京有色金属研究总院成形的金属件图 5b歼-llB后机身发动机机舱桁接头结构件上海交通大学制造技术及自动化研究所的邓琦林研究了基于 LENS 原理的金属材料激光直接成形工艺，针对 Ni25、Ni45 自熔高温合金粉末和 3l6L 不锈钢等材料进行了激光熔覆快速成形致密金属零件的工艺研究l9，20，通过单层和多层熔覆试验，获得了激光功率、扫描速度和光斑直径对金属零件组织性能的影响规律，分析了影响激光熔覆成形金属零件精度的主要因素，提出了相应的解决办法，并获得了一定精度和强度的简单金属零件2l。l.2基于 DMD 原理的成形材料及零件的研究清华大学机械系激光加工研究中心钟敏霖针对
13、NiCrSiB、Ni25B镍基合金和钨基合金等材料研究了基于直接金属沉积（DMD）原理的激光快速柔性制造技术（Laser Rapid&FlexibleManufacturing，简称 LRFM），制造了一些简单形状的合金零件，研究了这些金属零件的微观组织、成分均匀性、硬度分布和抗拉强度22。在国内率先进行了激光制造过程的实时检测与闭环控制研究，提高了激光熔覆快速制造零件的精度，保证了制造过程的稳定性23，24。基于 LRFM系统制造了973项目“天体高能辐射的空间观测与研究”中子课题的硬 X射线调制望远镜准直器，该零件材料为高熔点高密度钨基合金，薄壁圆筒状结构，内含筋板，用传统制造技术是极难胜
14、任的23。天津工业大学激光技术研究所杨洗陈等开展了以激光熔覆为修复技术平台并融合快速原型等先进制造技术理念的激光再制造技术（Refabricating TeclnOlOgy）25，26，研究了材料成形过程熔池中的物理输运过程；搭建的再制造系统中融入了较有特色的红外温度监控系统与熔覆层高度红外双色检测控制系统，提高了成形过程的可控性和成形零件的精密性；针对镍基（Ni60、NiCrSiB）、铁基（FeNiCrSiB）、钴基（CONi-CrSiB）、WC-CO 和 WC-Ni 等粉末材料进行了重大装备和模具修复等工业应用实例的研究工作，展现了激光多层熔覆金属粉末在激光修复领域的广阔工业应用前景27，
15、28。l.3基于 SDM 原理的成形材料及零件的研究中国科学院沈阳自动化研究所将材料去除加工和堆积加工的原理相结合，开展了基于形状沉积制造（SDM）原理的金属粉末激光成形技术（Metal pOwder Laser Slaping，简称MpLS）研究工作：开发了新型的同步送粉系统和粉末输送的最优工艺，构建了附带层面磨削机构的金属零件激光快速成形专用实验系统；并在此基础上深入系统的研究了金属材料激光直接快速成形的信息处理技术，特别是在成形过程中多种参数的最佳匹配、加工工艺优化与智能建模、面向快速成形的异质材料（复合材料、功能梯度材料）零件的信息处理等方面做出了许多有特色的研究成果；研究了不锈钢、镍
16、基合金和钴基合金三种金属材料的加工工艺，并成功地制备出具有一定复杂外形且能满足直接使用要求的金属零件（见图6）；此外对成形过程中基材粘接性，激光与覆材、覆材与基材的相互作用，扫描方式与扫描间距对材料成形性能的影响，激光成形过程温度场的测控与数值模拟，激光快速成形过程中金属粉末的熔凝规律及其对成形件微观组织结构的影响等重要问题也开展了一定的研究工作29-3l。图 6轮盘 CAD 实体模型及 MpLS 成形的镍基金属功能零件l.4国内其它工艺成形材料及零件的研究此外，装甲兵工程学院薛春芳等也开展了激光熔覆直接成形工艺的初期研究工作，对 Ni60镍基合金和 CO-ll钴基合金粉末进行了单道熔覆试验，
17、研究了不同工艺参数对成形性和表面质量的影响规律32，33。北京航空航天大学和南京航空航天大学等单位也先后开始进行此方面的研究。但总体看来，国内的研究水平在硬件系统、工艺手段、理论水平等多方面相比于国外先进水平还存在较大差距，尚处于起步阶段l。2激光直接快速成形金属材料零件的发展趋势与应用前景伴随着金属零件激光直接快速成形工艺的迅猛发展，其材料科学领域的研究展现出勃勃生机，许多材料专业公司也加入到激光直接快速成形材料的研究开发当中，成形材料正2激光杂志 2005 年第 26 卷第 5 期LASER JOURNAL（VOl.26.NO.5.2005）向专业化、多样化、商品化、系列化方向发展。直接成
18、形高强度、高精度、高表面质量的致密金属零件已成为目前快速成形领域的研究热点，基于激光多层熔覆原理的快速直接制造金属零件新技术的出现给 RP 丰富了内涵，注入了生机，也给RP 的发展与应用带来了巨大的潜力和广阔的前景。目前，如何改进完善现有激光直接快速成形材料的性能、丰富扩展与该先进成形技术及后处理工艺适应的材料体系是激光直接快速成形工作的重点和发展历程的最重要一环，成为 RP领域一个焦点问题。快速成形材料的性能直接影响到制件的性能，从而影响到快速成形技术的应用范围。了解快速成形技术中的材料科学问题对快速成形技术的更广泛应用具有特别重要的意义。在各种快速成形方法中，材料的快速成形性又各具特色，随
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