金属粉末直接激光烧结致密化理论及其验证

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1、摘要选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering，SLS)技术是20世纪80年代后期发展起来的一种新型快速成形(RapidPrototyping，RP)技术，它是材料、计算机和激光等学科的高度技术集成。作为SLS技术的一个重要分支，直接金属粉末激光烧结(DirectMetalLaserSintering，DMLS)技术能直接制造任意几何形状的金属零件，受到日益广泛的重视。新兴的DMLS技术尚处在不断发展和完善的过程之中，其烧结的物理过程及烧结致密化机理仍不明了，不同金属粉末体系的激光烧结工艺参数仍需摸索，专用粉末的研制与开

2、发还有待突破。因此，建立金属粉末直接激光烧结过程的数学、物理模型，定量研究DMLS烧结致密化过程中的烧结行为和组织结构变化，成为粉末冶金科学与工程研究中的重要内容之一。本文深入研究了DMLS中金属熔液的物理行为，通过建立烧结过程的物理模型，形成DMLS致密化理论，数值模拟和实验结果与理论预测较好地吻合。所完成工作主要有：(1)、基于金属粉末与激光的相互作用，建立了DMLS的“熔化一球化一摊铺一收缩”模型；根据熔体铺展与收缩运动的竞争，提出DMLS致密化判据：“ca”数(ca_如／01·V，，1)为金属熔液粘度，o为金属熔液表面张力，v，为金

3、属熔膜收缩速度)，将激光类型、工艺参数和粉末物性三者互相耦合起来。只有当三者相互协调，确保Ca满足判据时，才能得到较为理想的烧结致密化结果。在此基础上形成DMLS致密化理论，并得到DMLS的P—V(激光功率一扫描速度)相图。(2)、实验表征了几种DMLS常用金属粉末物性，用DMLS致密化理论预测了它们的烧结结果。实验验证了添加剂的加入能够改善DMLS致密度。并运用ANSYS软件研究了DMLS过程中铺粉厚度、光斑直径和激光功率等参数对温度场的影响，模拟结果与P—V相图较好地吻合，验证了DMLS致密化理论的有效性。(3)、根据提出的致密化理论，

4、实验研究了316不锈钢粉和Fet。cu。。水雾化粉的DMLS致密化过程，成功地烧结出长方形和圆柱形试样，有效验证了理论的可靠性。关键词金属粉末，直接激光烧结，相图，致密化理论AbstractSelectivelasersintering(SLS)technologyisanewrapidprototyping(RP)technology,whichdatesfromlater1980’S．Itistheintegrationofmaterialscience，computertechnologyandlaserscience．Asanimp

5、ortantbranchofSLS，thedirectmetallasersintering(DMLS)technologycanmanufacturemetalpartswithanygeometryshapedirectly．Peoplefocusmoreonitthanbefore．DMLStechnologyhasbeendevelopingformanyyears，butitsphysicsprocessanddensificationmechanismstillnotbewellunderstood．Developingthep

6、rocessingparametersfordifferentmetalpowdersystemsandpreparingthespecialpowdersforlasersinteringarethefuturedirection．Forsolvingthoseproblems，itisveryimportanttoresearchthesinteringmechanismofDMLSquantitatively,toestablishthemathorphysicsmodelsimulatingthesinteringprocess，t

7、oinvestigatethemicrostructureanddensificationofdifferentmetalpowders．ThisthesisresearchesthephysicsbehaviorofDMeS．establishesthesinteringmodel，putsforwardthedensificationtheory,andvalidatestheexperimentalresultstothetheory．TheworkIhavefinishedmainlyincludes：a．Basedontheint

8、eractionmechanismbetweenlaserandmetalpowders，setupthe“melting—bailing—spreading—retractin