Ti合金選擇性激光熔化成型關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、選擇性激光熔化技術(shù)（Selective Laser Melting,SLM）加工過程中的球化反應(yīng)、裂紋孔隙等缺陷一直是制約該技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的瓶頸。Ti合金的機(jī)械性能優(yōu)良、質(zhì)輕、耐熱耐蝕性能好、生物相容性好，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。本文以Ti6Al4V（TC4）粉末為實驗材料，針對其在SLM加工過程中的球化反應(yīng)、裂紋孔隙等關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，以期探究這些問題的形成過程、影響因素及弱化防止措施，具有重要的實際意義。
　　實

2、驗采用華中科技大學(xué)-武漢濱湖機(jī)電產(chǎn)業(yè)有限公司提供的HRPM-ⅡA型激光快速成型系統(tǒng)，分別對球化反應(yīng)及孔隙裂紋等問題進(jìn)行了研究。得知大尺寸球化現(xiàn)象的產(chǎn)生原因為熔融液態(tài)金屬與固態(tài)表面潤濕性較差，熔融金屬在金屬液表面張力的作用下收縮成球；小尺寸球化則是由加工過程中的液體飛濺或高能激光束沖擊熔池形成；隨粉末本身含氧量的增加球化現(xiàn)象逐漸明顯，熔池表面漂浮的白色氧化物的量也隨之增加；顆粒較規(guī)則且含氧量低的球形金屬粉末的成形性能要好于形狀不規(guī)則的水霧

3、化金屬粉末；加工環(huán)境中的含氧量越多球化現(xiàn)象越明顯；在熔池吸收的能量較低掃描速度一定時，球化現(xiàn)象隨激光功率增大逐漸減弱；當(dāng)熔池吸收能量較高時球化現(xiàn)象隨激光功率的增大逐漸明顯；當(dāng)功率一定時，掃描速度越快，激光作用在金屬粉末上的時間越短，球化現(xiàn)象越明顯；掃描速度過小會導(dǎo)致熔池過燒，加工過程中的掃描速度至少應(yīng)大于15mm/s；在一定范圍內(nèi)成型面質(zhì)量隨掃描間距的增大逐漸變好，成型面呈現(xiàn)光亮的銀白色金屬光澤；超過一定限度后隨掃描間距的增大成型面質(zhì)量

4、呈現(xiàn)下降趨勢，比較合適的間距為0.08～0.12mm。在系統(tǒng)所帶掃描方式中，跳轉(zhuǎn)變向掃描方式可以減少或防止部分球化反應(yīng)的發(fā)生，成形效果較好。球化現(xiàn)象隨粉層厚度的增加而逐漸加劇，加工時的最佳粉層厚度為0.06～0.1mm；大尺寸金屬球的存在，導(dǎo)致鋪粉不均勻，成型面實際高度高于理論高度，鋪粉誤差的累積會導(dǎo)致成型指標(biāo)不可控，成型面質(zhì)量越來越差，成形件傾斜變形、破裂甚至損壞鋪粉輥；同時，球化反應(yīng)會增加成形件的表面粗糙度，會有大量孔隙產(chǎn)生，在相鄰

5、金屬球之間的間隙會夾帶部分未熔金屬粉末，導(dǎo)致所制備出樣品的致密度降低，難以保證零件的精度等。
　　裂紋、孔隙的主要來源有：球化反應(yīng)、金屬液自身冷卻凝固過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，裂紋擴(kuò)展形成孔隙、熔道搭接不完全或未搭接形成的可控孔隙。在同一加工條件下，球形Ti合金粉末制備的樣件致密度達(dá)86％，明顯高于用棒狀和不規(guī)則形狀Ti合金粉末制備的樣件的73%和53%。但目前條件下制備的金屬樣品致密度還無法與傳統(tǒng)加工工藝方法制備零件的

6、相比。隨加工環(huán)境中的含氧量增大，成型表面的裂紋數(shù)量逐漸增多，長度逐漸變大；在一定的掃描速度下，適當(dāng)增加激光功率有助于減少成形件的裂紋及孔隙的出現(xiàn)；隨掃描速度增大最長裂紋尺寸有逐漸增大的趨勢；掃描間距過小時，成形面的裂紋較多，且裂紋可以在不同熔道之間連接，成形面表面裂紋錯綜復(fù)雜；間距過大沒有充足的粉末補(bǔ)充熔池，沒有足夠的金屬液填充相鄰熔道之間的溝壑，容易形成孔隙且熔道上的裂紋很難越過溝壑與其他熔道上裂紋連接，因此最佳的掃描間距為0.07～