金屬粉末激光微成型系統(tǒng)研究.pdf

1、21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)的趨向之一是向微小方向發(fā)展，由毫米級(jí)、微米級(jí)繼而涉及納米級(jí)。微米/納米技術(shù)使人類在認(rèn)識(shí)和改造自然方面進(jìn)入一個(gè)新的層次，使單位體積信息處理和運(yùn)動(dòng)控制的能力實(shí)現(xiàn)又一次飛躍。 微、納米粉末激光微成型技術(shù)是激光快速成型技術(shù)在微領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。該技術(shù)將選區(qū)激光燒結(jié)快速成型技術(shù)與納米科學(xué)技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)結(jié)合起來(lái)，應(yīng)用分層制造思想，以更精細(xì)聚焦的激光熔燒微、納米粉粉末直接成形三維微結(jié)構(gòu)。在微機(jī)械加工中，一個(gè)重

2、要技術(shù)指標(biāo)是分辨率，在快速成型微細(xì)加工中，把分辨率區(qū)分為掃描分辨率以及成型分辨率。成型分辨率是指成型的最小單位，也稱為光固化單元；掃描分辨率則指掃描機(jī)構(gòu)移動(dòng)的最小距離。 從成型工藝角度上講，光固化單元就是單個(gè)激光脈沖固化固體金屬粉末的體積或者單道激光光束固化金屬粉末所獲得固化軌跡的單位體積。要想獲得細(xì)小的光固化單元，對(duì)于激光粉末快速微成形工藝而言，主要從下面兩個(gè)方面入手： 1.使用光斑直徑細(xì)小的激光器2.選擇粉末顆粒直徑

3、小的金屬粉末作為激光粉末快速微成型固化材料為了解決精細(xì)聚焦問(wèn)題，我們采用Nd：YAG倍頻的方法獲得短波長(zhǎng)激光器。本文在激光燒結(jié)方法、短波長(zhǎng)激光獲得方法、短波長(zhǎng)激光光束特性等方面進(jìn)行了研究和探討。 本文根據(jù)非線性理論和光學(xué)諧振腔理論設(shè)計(jì)了在環(huán)形腔內(nèi)對(duì)Nd：YAG激光進(jìn)行腔外倍頻的實(shí)驗(yàn)裝置，并用實(shí)驗(yàn)證明了該實(shí)驗(yàn)方案的可行性，獲得了光——光轉(zhuǎn)換效率大約31.4％的0.532μm的綠光輸出。在激光倍頻領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了首次成功利用環(huán)形腔方法對(duì)

4、1kHz附近輸出頻率的1.064μm激光高轉(zhuǎn)換效率倍頻。從而為采用倍頻技術(shù)獲得良好的激光微成型光源提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了環(huán)形腔倍頻的特性，指出了該方法的優(yōu)缺點(diǎn)。從光束質(zhì)量和聚焦光斑直徑方面，對(duì)基頻光和二次諧波進(jìn)行了比較，本文提供了利用CCD測(cè)得光斑的部分圖片，并利用其對(duì)一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了比較。分析了環(huán)形腔倍頻的工作原理，解決了困擾倍頻技術(shù)的轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題和光束質(zhì)量問(wèn)題，為激光微加工提供可用性光源奠定了實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。成

5、功的應(yīng)用了環(huán)形腔高轉(zhuǎn)換效率的倍頻，比較完整地揭示了環(huán)形腔對(duì)Nd：YAG激光倍頻的基本原理。 微、納米粉末顆粒直徑小，所以具有團(tuán)聚嚴(yán)重、吸附性強(qiáng)、隨氣相介質(zhì)流動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。所以不能用傳統(tǒng)的激光粉末快速成型送粉系統(tǒng)來(lái)輸送，必須重新設(shè)計(jì)送粉系統(tǒng)，所以為了解決微、納米粉的穩(wěn)定輸出問(wèn)題，本文從微、納米粉末送粉器以及送粉工作頭幾個(gè)方面進(jìn)行研究和探討。為了傳送微、納米粉末，本文介紹了一種轉(zhuǎn)刷式送粉器。文中借鑒風(fēng)沙研究中的理論，排除了利用封閉式

6、送粉頭定點(diǎn)送粉的可能性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)一種“鋼筆尖”式微、納米粉末送粉頭進(jìn)行研究，獲得130μm的粉末輸送線寬。利用此送粉系統(tǒng)輸送超細(xì)微米羥基鐵粉，使用小功率Nd：YAG激光器和倍頻激光器進(jìn)行成型工藝試驗(yàn)，獲得了較為滿意的成型效果。 針對(duì)微、納米粉末的比表面積大的特點(diǎn)，本文利用氬氣的密度大于空氣平均密度的特點(diǎn)，研制了一種利用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)緩沖保護(hù)氣體、利用漸闊管，自上而下的惰性氣體保護(hù)裝置。 本文實(shí)驗(yàn)研究了激光粉末微成型的加工工藝

7、，獲得了最小壁厚約為130μm的金屬薄壁，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，粉末最終成型的壁厚與送粉線寬相當(dāng)；粉末最終成型的壁厚，在粉末粒徑為2～3μm、送粉線寬為130μm附近時(shí)，與激光光斑幾何尺寸無(wú)關(guān)，同時(shí)與激光波長(zhǎng)也無(wú)關(guān)；成型結(jié)果在45倍體視顯微鏡下觀察，側(cè)表面有相對(duì)規(guī)律的溝壑；成型結(jié)果在電子顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，邊緣相對(duì)中間區(qū)域成型效果更為致密，微熔顆粒集中于中間區(qū)域。 為了解釋上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，本文利用廣義米氏(Lorenz-Mietheory)散射

8、理論對(duì)粉末未熔情況下，激光在粉末中的傳輸進(jìn)行分析，數(shù)學(xué)分析了粉末中光強(qiáng)分布，解釋了在該階段粉末對(duì)光束的擴(kuò)散；在粉末開始熔化階段，未熔粉末形成的毛細(xì)管道對(duì)液態(tài)金屬有熔滲擴(kuò)散作用，本文把熔滲理論和毛細(xì)理論引入，來(lái)解釋該過(guò)程，并進(jìn)一步認(rèn)為該過(guò)程中，實(shí)際應(yīng)存在三相(氣、液、固三種狀態(tài))互相作用，構(gòu)成毛細(xì)作用下引起受限流體三相移動(dòng)的體系，從而進(jìn)一步解釋粉末線寬對(duì)成型的壁厚的決定性意義，并對(duì)邊緣致密現(xiàn)象進(jìn)行了理論解釋。 本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)