论文部分内容阅读
增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术与传统去料加工不同，采用填加材料逐渐累加的方法制造3D物理实体。该技术可加工制造具有复杂几何形状并承受一定机械载荷的零部件，是一种“自底而上的快速“实体自由制造”(Solid Free-form Fabrication)技术。激光金属沉积(Laser Metal Deposition，LMD)作为金属材料增材制造技术的典型代表与快速成型同被视为金属材料激光3D打印技术。与传统的加工工艺相比，LMD工艺具有诸多优势，例如可以大幅度降低材料浪费、提高新产品开发周期、适合个性化零件生产等。同时，可以通过LMD对材料的微观结构及力学性能等进行控制和设计。经过近30年的发展，传统LMD工艺已经较为成熟，且越来越广泛地应用于航空、航天、汽车、船舶等领域。近年来，工业界对应用LMD技术实现大尺寸零件加工生产的需求日益迫切。由于传统LMD工艺的沉积率较低（一般不大于0.3kg/h），在面对大尺寸零件生产时的时间成本较高、经济性较期望低;而在高沉积率LMD方面的研究又明显不足，目前仍没有可以直接用于实际生产的高沉积率LMD增材制造工艺。基于此背景，本文以航空航天材料镍基高温合金Inconel718(IN718)为主体材料，研究高沉积率LMD增材制造技术。论文首先研究开发高沉积率LMD增材制造实验系统并对系统特性的表征及材料理化特性进行研究。在此基础上，对高沉积率LMD工艺、工艺的成型特性和工艺特性控制、降低材料孔隙率的方法等进行研究。最后，研究材料的微观结构及力学性能，对论文研究开发的高沉积率LMD工艺进行验证的同时，考察其是否是具有实际工业应用的潜力。 论文的主要工作包括以下几个方面: 1.研究开发了高沉积率LMD增材制造实验系统:论文首先提出镀层横截面轮廓线为劣弧等若干合理假设，结合LMD同轴送粉工艺机理，对高沉积率LMD的系统需求进行分析的基础上，提出了增加LMD工艺沉积率的途径;然后，论文提出了高沉积率LMD增材制造系统对送粉分系统、激光分系统及其他辅助系统要求，研究开发了满足上述相应要求的高沉积率LMD系统的送粉分系统、激光分系统及其他辅助系统，其中包括高沉积率LMD粉末喷头的开发、激光光学系统中可变焦光学系统的集成、超高功率激光源及快速粉末开关的集成等;最后，论文对各分系统进行了系统集成，开发了高沉积率LMD增材制造实验系统，该系统可以实现激光光斑直径3mm-9mm可变工作，且具有高灵活性、高粉末效率及高粉末利用率。 2.研究了系统特性表征及粉末材料特性:为量化实验环境，保证实验的稳定性和可重复性，论文研究了系统特性及IN718粉末材料特性。首先，针对送粉分系统和激光分系统，论文分别研究了系统特性的表征方法，并对送粉分系统的喷粉特性和激光分系统的激光输出特性进行了定性、定量分析;然后，论文对LMD系统的工艺气体流量进行了矫正，同时，研究了工作区域附近的氧环境;最后，论文研究分析了粉末材料理化特性，包括粉末的化学元素组成百分比、粉末的孔隙率情况及粉末的形态学特征等。 3.研究开发了高沉积率LMD工艺:基于实验环境已量化的高沉积率LMD增材制造实验系统，论文研究开发了高沉积率LMD工艺，相比传统同类LMD技术，镀层沉积率提高至少一个数量级。首先，论文研究了LMD工艺气体流量的确定方法，建立了LMD工艺中主要工艺参数间关系的数学模型，使用该模型可以快速锁定具有高沉积率LMD工艺能力的基础参数，为高沉积率工艺开发奠定了基础;然后，论文定义了具有明确物理含义的混合工艺参数能量质量密度和能量面密度，并提出了应用两混合参数定义高沉积率LMD工艺窗口的方法;最后，论文基于理论分析和实验，建立了沉积率约为2kg/h和沉积率约为5kg/h的两套高沉积率LMD工艺的工艺窗口。 4.研究了高沉积率LMD工艺的成型特性控制和工艺特性控制:为增加LMD工艺的灵活性，使工艺可以根据实际需要进行优化，论文研究了高沉积率LMD主要工艺参数（激光功率、扫描速度、送粉量）对工艺成型特性及工艺特性的影响。首先，论文研究了主要工艺参数对材料孔隙率的影响，并提出了如何通过调整工艺参数对孔隙率进行控制;然后，论文研究了LMD主要工艺参数对镀层几何形态的影响，提出了通过调整工艺参数对高沉积率LMD镀层几何形态进行控制的方法，并绘制了高沉积率LMD工艺镀层几何形态控制图;最后，论文研究了LMD主要工艺参数对工艺沉积率及粉末效率的影响，并提出了通过调整工艺参数对工艺沉积率及粉末效率进行控制的方法。 5.研究了降低材料主要宏观缺陷孔隙率的方法:孔隙率作为LMD工艺材料的主要宏观缺陷，影响材料的力学性能。论文研究了主要工艺参数对材料孔隙率的影响的同时，研究了其他因素对材料孔隙率的影响，提出并证明了若干可用于降低高沉积率LMD工艺材料孔隙率的方法。论文分别对加工前粉末的干燥处理、粉末的标称颗粒尺度、粉末的圆度及工艺保护气强度等影响材料孔隙率的因素进行了研究。 6.研究分析了高沉积率LMD材料微观结构和力学性能:首先，利用论文开发的沉积率约为2kg/h的高沉积率LMD工艺，加工制造了可用于制备拉伸式样的3D物理实体;然后，对高沉积率LMD加工的IN718材料的微观结构进行了分析;接着，论文参考AMS（航空航天材料标准）标准对材料进行了热处理，研究了热处理对材料微观结构的影响;最后，论文对热处理前后材料的力学性能，包括材料的硬度、抗拉伸性能、延展性等进行了分析与研究。结果表明，论文开发的高沉积率LMD工艺加工制造的IN718材料3D物理实体经热处理后，其抗拉强度、延展性等力学性能指标优于AMS对传统制造工艺如铸造、锻造等对IN718材料力学特性的要求。