选区激光烧结用覆膜砂制备及其成形工艺的研究

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1、StudyonPreparationandFormingPcocessoftheCoatedSandforSelectiveLaserSinteringADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterOnMaterialProcessingEngineeringbyLiangPeiUndertheSupervisionofProf.XuZhiFengSchoolofAeronauticalManufacturingEngineeringNanchangHangkongUniversity,Nanchang,ChinaMay,2012摘要采用选区激光烧结

2、技术可实现复杂砂型（芯）的整体、快速及精确化制备，为各类大型复杂薄壁铸件的整体精密铸造提供一个极好的技术途径，对于提升航空、航天及汽车工业等领域关键零件的快速响应，制造能力和制造水平有着重要作用。目前所制备的覆膜砂材料激光烧结成形性能还不尽理想，主要表现在覆膜砂中酚醛树脂含量过多、激光烧结件的初强度偏低，特别是细小结构的激光烧结成形仍十分困难，在发气量和综合力学性能方面难以达到实际工业使用要求。本文选用角形系数≤1.1的宝珠砂作为激光烧结用原砂，设计并利用热法覆膜工艺配制了不同粒度组成的覆膜砂材料，进行了覆膜砂的激光烧结成形工艺实验，着重研究了颗粒特性和烧结工艺参数对其激光烧结成形的影响

3、规律，并进一步探讨了在相同和不同的激光能量密度条件下的覆膜砂激光烧结规律。主要研究内容和结论如下：采用球形宝珠砂作为激光烧结用原砂，其流动性好，有利于减少树脂添加量，激光烧结铺粉更平整和均匀；调整覆膜砂粒度级配，能改善激光烧结的铺粉密度，随着覆膜砂的粒度减小，其激光烧结的铺粉密度也减小，平均粒径为0.053～0.150mm范围内的相邻五筛砂相比三筛砂的铺粉密度提高了21.3%。设计并配制了系列的覆膜宝珠砂材料，通过热法覆膜工艺正交试验得到了激光烧结用覆膜砂最优的包覆工艺参数为：树脂加入时原砂的温度为120℃和混碾时间80s，加固化剂时混合料的温度95℃和混碾时间60s。对制备的覆膜砂表面

4、形貌分析表明，酚醛树脂均匀的覆膜在宝珠砂表面，差热分析（DTA）表明覆膜宝珠砂的固化温度为150～160℃，有机物分解温度为250℃。系统研究了激光烧结工艺参数和铺粉参数对成形精度和成形性能的影响规律，得到了高性能覆膜砂型（芯）激光快速成形的关键工艺条件。激光功率和扫描速度的匹配值直接影响了覆膜砂的激光烧结成形质量，扫描间距的最佳值为0.15～0.20mm，铺粉层厚的合理范围为0.15～0.25mm。颗粒特性对激光烧结成形精度和力学性能的影响研究发现，覆膜砂的粒度及其级配对覆膜砂型（芯）的激光烧结成形有着明显的影响。随着粒度减小，激光烧结件的强度逐渐降低；采用平均粒径小于0.105mm的

5、相邻五筛砂能有效保证烧结件的成形精度。提出通过能量密度整体调控覆膜砂的激光快速成形过程，为改善表面质量和I控制成形机理、提高烧结强度提供了关键技术措施及理论指导。随着激光能量密2度的增大，试样的力学性能逐渐提高，尺寸精度在激光能量密度大于0.032J/mm2以后出现明显下降，最适宜的激光烧结成形域为0.024～0.032J/mm。研究还发现：等激光能量密度的烧结效果存在明显的值域差别，当激光能量密度小于220.024J/mm时，试样的烧结性能表现出等效性；当激光能量密度大于0.024J/mm时，等激光能量密度条件下随着P和v值的同时增大，试样的强度呈现缓慢增大然后轻微下降趋势。研究了添加

6、无机粘结剂对覆膜砂激光烧结快速成形力学性能和发气量的影响规律，采用低树脂含量，通过添加无机粘结剂，可提高激光烧结件的初坯强度，而且能大幅降低覆膜砂型（芯）的发气量。在覆膜砂的树脂含量为1.5wt%时，加入3.0wt%无机粘结剂，激光烧结件的初坯强度提高了50%；发气量为10.90g/ml仅提高了10%，在改善覆膜砂的综合质量方面有显著效果，实现了高强度低发气量的复杂形状覆膜砂型（芯）的激光烧结精密成形。关键词：选区激光烧结，覆膜砂，颗粒特性，力学性能，激光能量密度IIAbstractTheselectivelasersinteringtechnologyenablesoverallfas

7、tandaccuratepreparationofcomplexsandmold(core),providesanexcellentwayforallkindsoflargecomplexthin-walledprecisioncastings,hasanimportantroleofimprovingtherapidresponse,manufacturingcapabilityandmanufacturinglevelofthe