激光快速成形技术在材料及零件制备中的应用

激光快速成形技术在材料及零件制备中的应用

0熔覆法制备复杂零件的数学模型20世纪90年代末，采用了一种先进的绿色激光成像技术，将高能耗激光成像与快速成像有机结合。通过高能耗激光钙化，金属粉末通过高能耗激光钙化连续传输，快速制备具有复杂形状和良好组织性能的高性能零件。激光束或沉积基板的运动通过零件模型(由CAD产生)经分层切片处理后形成的二维平面信息并经过工艺规划后生成的运动轨迹来控制。该技术突破了传统加工方法去除成形的概念,是一种新型的数字化离散/堆积成形过程,无需任何模具,可直接由CAD模型快速制备出实际零件,显著缩短零件制造周期,降低零件制造成本,提高材料利用率,特别适合于复杂外形小批量零件的制造1激光快速成形系统激光快速成形的实质是计算机控制下的精确三维激光熔覆,其系统主要由自动控制系统、高功率激光器、工作台、粉末输送系统、保护气氛装置及各种成形过程监控及反馈系统组成(如图1所示)。激光快速成形的原理如图2所示。成形前由造型软件完成零件的三维CAD造型设计,并生成STL文件,然后以一定的层片厚度由数据后处理软件完成对STL文件数据分层切片,得到零件的层片信息,在层片信息中加入加工参数(如扫描线宽度、厚度、填充方式等)后生成运动控制信息并传送至成形系统,驱动成形系统逐层制造出零件的每一层,最后制备出整个零件。激光快速成形过程如图3所示不同的系统组成决定了该系统在材料及零件制备上的能力。由于该技术的独特优势,近年来不同机构纷纷建立起自己的激光快速成形系统,典型的有美国Sandia国家实验室的LaserEngineeredNetShaping(LENS)系统由以上介绍可以看出,目前在激光快速成形系统的发展有2个主要的发展趋势:一是旨在进一步提高成形零件的尺寸精度及表面光洁度,通过对成形过程的实时在线监控和闭环控制实现对零件组织性能的精确控制,如SDM、DMD等系统;另一个是通过忽略零件细节,采用更高功率激光来缩短零件制造周期,所制零件需少量后续加工,如AreoMet的LAM系统。2功能梯度材料在热保护和利用过程中的应用进展功能梯度材料(FunctionallyGradientMaterial,简称FGM)这一概念是20世纪80年代末由日本科学家提出来的,它是为了适应在极限温度环境(超高温、大温度落差)下能反复正常工作而开发的一种新型复合材料。虽然研究功能梯度材料的最初目的是为了解决航天飞机的热保护问题,但随着功能梯度材料的发展,现已不局限于用作热应力缓和用途的结构材料,而是包括电、磁、声、光、核以及生物等多种功能在内的新型功能材料,并从无机材料发展到了有机材料领域。同时,人们对用功能梯度材料制备的零件的功能要求也越来越苛刻,不再仅仅局限于一个零件满足1种或2种功能,对于零件的不同部位,人们的要求也可能不一样。而传统的功能梯度材料制备方法,例如粉末冶金法、等离子喷涂法、自蔓延高温合成法(SHS)、物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)、电沉积法、离心铸造法等利用激光技术制备功能梯度材料的研究开始得较早,而激光快速成形技术制备功能梯度材料则是最近才发展起来的。无论是以前的技术还是现在的激光快速成形技术,其制备功能梯度材料的原理都是相同的,都是利用激光束熔覆复合粉末,但是在制备过程中其送粉和产生梯度的方式却不尽相同,下面就其送粉和产生梯度方式的不同大致介绍利用激光技术制备功能梯度材料国内外的发展现状。2.1利用聚合物材料的作用机理这种制备功能梯度材料的方法源于激光表面改性,其方法如图4所示,即先用激光束在基材上照射产生溶池,然后在光斑后面的熔池内紧跟着送粉末(要保证粉末不能和激光束接触),随着熔池的逐渐冷却,粉末在溶池中重力沉降自然形成梯度层。利用这种方法,荷兰Groningen大学的Y.T.Pei等制备了SiCp/Ti6Al4V功能梯度材料层此法的优点是工艺简单,适合于表面改性,缺点是材料的梯度变化难控制。从图5中还可以看出,在功能梯度材料的上部和中间部分变化不是很明显。另外,如果熔池的温度控制不好,粉末就可能在熔池冷却前沉到熔池的底部。2.2采用光光束复合涂层采用预铺粉制备功能梯度材料的方法比较简单,首先把混合粉末A、B以不同的比例混合、研磨均匀后,预先将混合粉末涂覆在基体材料试样表面,预覆层厚度根据光斑大小和激光功率自行调节,然后用激光光束照射重熔试样表面预置层形成A、B的合金化层。第一次重熔前基体材料上预置A、B合金粉末中A的含量较少,第二次扫描前试样上预置A、B合金粉末A的含量相应增加,第二次激光重熔在第一次激光重熔的轨迹上进行,两次扫描轨迹叠加,以此类推就可制得成分非渐变的功能梯度材料。大连理工大学王存山等利用此技术在40Cr钢表面用宽带激光熔覆了Ni-WC复合梯度涂层这种方法的优点是材料的成分容易控制,在粉末不容易使用送粉器输送的情况下,这种制备方法体现出了优势。但是由于材料的梯度是非渐变的,所以还没彻底解决材料热膨胀系数不同造成材料内部热应力集中的问题。2.3粉末输送量的影响激光快速成形技术的一个重要发展方向就是制备功能梯度材料。利用激光快速成形技术制备功能梯度材料的原理很简单,通过改进激光快速成形系统的送粉系统,使其可同时输送2种以上的粉末材料,并可按照需要对不同材料的比例进行调节控制。激光快速成形系统通常采用同轴方式送粉,其制备功能梯度材料的原理如图7所示。粉末A、B由可调送粉器输送,在激光扫描过程中利用同轴送粉装置将粉末同步送到熔池中,扫描第一层时,送粉器输送的粉末组分可以全为A,当扫描第二层时,可以输送少量的粉末B,A粉末的输送量相应减少。随着层数的增加,粉末B的含量不断增加,最后可以完全输送粉末B。美国Lehigh大学的WeipingLiu等利用LENS技术制备了Ti/TiC功能梯度材料,其组分变化由一边的纯Ti变化到另一边的95%的TiC利用激光快速成形技术制备功能梯度材料,不仅能得到成分渐变的功能梯度材料,而且还能根据材料所期望的机械和物理性能的要求,通过灵活的设计来控制材料成分的梯度分布。利用这种方法,通过控制激光的功率、扫描速度和送粉量等来改变冷却速度,进而获得所需的组织和性能。但是,利用激光快速成形技术制备功能梯度材料与制备单一成分的材料相比有其特有困难,材料密度、熔点和激光吸收率的不同将会给制备过程带来一定的难度。制备功能梯度材料所选用的是2种材料的粉末,由于其熔点和激光吸收率不同,存在易熔和不易熔的问题,这就要求在实际操作中精确控制,选择合适的功率,使其所制备的材料达到所需的组织和性能。另外在制备梯度材料时由于其组分在变化,要不断地改变激光功率以保证成形的过程顺利进行。在激光快速成形系统中建立熔池监控系统在一定程度上能够解决这个问题,监控系统通过传感器测得熔池的温度,然后反馈给系统,系统再根据所得的信息调节激光功率使熔池的温度保持在所要求的范围内。还应该引起注意的是,由于2种材料的密度不同,在用气体输送粉末时,密度较小的一方很可能在喷嘴到溶池过程中被吹到熔池的外面,造成设计的组分和实际得到的组分有一定差距,在进行工工艺设计时要把设计和实际测的组分含量都考虑进去。通过优化送粉系统来提高粉末的利用率在一定程度上可以解决这个问题。3难加工零件的制备激光快速成形集计算机辅助设计、高功率激光熔覆、快速成形于一体,是一种新型的数字化离散/堆积成形过程,无需任何模具,可直接由CAD模型快速制备出实际零件,对于显著缩短零件制造周期、降低零件制造成本、提高材料利用