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1、选区激光熔化直接成型金属零件致密度的改善_王迪第38卷第6期2010年6月华南理工大学学报(自然科学版)JournalofSouthChinaUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition)Vol.38 No.6June 2010文章编号:1000-565X(2010)06-0107-05 选区激光熔化直接成型金属零件致密度的改善王迪 杨永强 黄延禄 吴伟辉(华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640)＊摘 要:为了提高选区激光熔化(SLM)成型金属零件的致密度,对激光扫描单道熔池的形成特性进行了研究,探讨了扫描速度、激光功率对熔池宽度的影响
2、,发现熔池附近无粉区宽度与熔池宽度有直接关系,并分析了激光连续扫描粉末情况下的扫描线间搭接缺陷.根据单道熔池的形成特性,提出采用层间错开扫描策略,该扫描策略将零件致密度提高到近100%,使层间与层内的熔池搭接紧密,SLM成型件的拉伸强度、延伸率、显微维式硬度分别达636MPa、15%～20%和250～285.实验结果表明,———————————————————————————————————————————————层间错开扫描策略对SLM直接成型金属零件的致密度与力学性能有明显的改善.关键词:激光技术;选区激光熔化;层间错开;熔池;致密度中图分类号:TN249;TG665 doi:10.396
3、9/j.issn.1000-565X.2010.06.020 随着叠层制造技术的不断进步,快速成型的研究热点转移到快速制造上,包括功能零件、注塑模具[1-2]的直接制造等.选区激光熔化(SLM)技术因能够成型任意复杂的几何形状的零件而在成型复杂的曲面与内部结构、小批量生产零件方面具有很大的[3-4][5-6][7]优势,如个性化医学植入体、定制化义齿、[8]模具内嵌件直接成型等.但熔化粉末过程中存在的球化现象会使致密度下降,层内层间很大的应力容易导致裂纹与翘曲变形,且扫描线之间存在孔洞等,这都使得零件很难达到完全致密.对快速制造金属零件致密度的研究一直是国内外的研究重点,目前大多通过改进材料
4、的润湿性、工艺优化、后续处理[9]等办法来提高快速成型零件的致密度.Kruth等分析了熔化区域在冷却过程中容易形成球化颗粒导致成型件致密度降低甚至成型失败的原因;Abe[10]———————————————————————————————————————————————等研究了激光功率、扫描速度对成型件性能的影响,发现采用选区激光熔化快速成型技术直接成型三维实体零件,其致密度可以达到92%以上;Santos[11]等进一步研究了工艺参数对成型件微观结构、硬度、疲劳强度等的影响,发现通过调整扫描间距和层厚,成型件的致密度可以达到98%,显微维氏硬度高于锻造制件. 收稿日期:2009-08-11＊
5、基金项目:粤港关键领域重点突破项目(2007Z1-D6091)文中首先分析了激光扫描成型单道线的特点,针对单道线扫描提出了采用层间错开扫描策略来成型金属零件,然后分析零件的力学性能、硬度与微观组织,最后通过直接成型316L不锈钢样品验证SLM快速直接制造金属零件的优势.1 实验设备、材料与方法 SLM设备的工作原理如图1所示,光纤激光扩图1 选区激光熔化设备的工作原理Fig.1 OperationprincipleofSLMequipment ,,,@108华南理工大学学报(自然科学版)第38卷束后经过扫描振镜,聚焦到成型平面,由计算机系统根据切片后轮廓信息,选区熔化金属粉末,每层加工完成后
6、,成型缸下降一层,盛粉缸上升一定高度,铺粉辊将新粉末铺展到前一成型面上,重复上述激光扫描,直到整个零件加工完成.——————————————————————————————————————————————— 使用华南理工大学与广州瑞通激光科技有限公司联合开发的Dimetal-280SLM设备(最大成型尺寸280mm×280mm×300mm,扫描速度5～5000mm/s,加工层厚20～100μm,聚焦光斑直径70μm,振镜位置精度±5μm)和SPI200W连续式(Yb)光纤激光2器(波长1075nm,光束质量因子M≤1.1)进行实验.所采用的Yb光纤激光器具有转换效率高、性能可靠、寿命长、光束
7、模式优良等优点,功率密度大幅提高,可支持更高的扫描速度,1075nm波长更易被金属吸收,制作件精度和分辨率也相当高.成型材料使用316L不锈钢粉末,由于钢中含钼,总体性能优良.316L不锈钢粉末的化学成分、粒度分布及物理特性如表1所示. 为了保证实验数据准确与顺利开展实验,要求实验满足如下条件:铺完粉后表面平整,激光能量稳定,光斑大小能精确测量,粉末干燥且具有较好的流动性.2 实验结果与分析2.
