HMF250金属激光选区熔化设备研制及成形性能研究-硕士学位论文

硕士学位论文HMF250金属激光选区熔化设备研制及成形性能研究学位申请人：指导教师：教授 教授学科名称：机械工程年 月摘 要论文题目：HMF250金属激光选区熔化设备研制及成形性能研究学科专业：机械工程申 请 人：指导教师：摘 要激光选区熔化技术（Selective laser melting, SLM）是增材制造技术中最有发展潜力的一项前沿技术，能直接成形出复杂形状、组织致密、力学性能优良的金属零件。但是该技术工艺中存在的一些关键难题如精度偏低、热应力集中导致的翘曲变形等仍亟待解决，而且目前国内市场过分依赖国外设备，国内设备还并不够成熟。为此，本文自主设计研发了一套激光选区熔化设备，型号为HMF250，并进行完整的基础工艺实验，探究成形工艺规律，并对力学性能及精度进行研究。本研究得到陕西省科技统筹创新工程计划项目（编号：2014KTZB01-02-02）资助。本文构建了一套激光选区熔化设备HMF250，可实现低氧、高效、精确的成形过程。开发了高效柔性铺粉方法，结合工艺实验，针对设备硬件系统不足之处进行了改进优化，采用柔性刮板的铺粉方式，使成形零件的致密性及力学性能有所提高。改进了设备硬件部分中的密封结构，实验前的保护气充入时间缩短至原有水平的1/3，高效稳定的将氧含量控制在100 ppm以下，大幅度提高了成形效率。 选用Ti6Al4V金属粉末进行了激光选区熔化的基础工艺实验，提出了“非恒定降功率”的成形方式，并成功解决了由于热应力集中而引起的翘曲问题。分别对单道单层、多道单层及多道多层成形过程进行了研究。分析了工艺参数对扫描线宽、线高的影响规律，建立了搭接率模型，得出30%的搭接率为理想状态。得出较为合适的铺粉层厚与粉末的平均粒径值成倍数关系的结论。建立了铺粉层厚模型，提出了铺粉层厚与零件切片层厚的关系。针对成形零件的致密度及力学性能进行了研究，提出了一种新的扫描方式（DXYSTA扫描方式），并成形出致密度达到99%以上、拉伸强度达到1170MPa的零件。判断出工艺参对致密度影响重要程度的次序为：扫描速度激光功率扫描间距。发现拉伸强度、显微硬度均与致密度呈正相关。本文认为，为兼顾零件质量与成形效率，成形零件无需完全致密。本文进行了激光选区熔化成形零件的精度研究，采用尺寸补偿可显著的提高零件X、Y、Z三个方向的尺寸精度，尺寸偏差最小可以达到0.01mm。通过正交实验获得了影响激光选区熔化成形过程中成形零件尺寸变化的主要工艺参数较优水平组合。关 键 词：激光选区熔化；设备改进；成形工艺；致密度；精度论文类型：应用研究IXABSTRACTTitle: Development of HMF250 Selective Laser Melting Machine and Research of Manufacturing PropertiesSpeciality:Mechanical EngineeringApplicant:Changchao FanSupervisor:Prof. Zhongmin Jin Prof. Dichen LiABSTRACTSelective lasr melting (SLM) is a promising advanced manufacturing technology, which can be used to directly manufacture metal parts with complex shape, compact structure and excellent mechanical properties directly. However, some key problems still need to be solved such as low precision, the warpoing deformation caused by thermal stress concentration and so on. Moreover, most of the machine of selective laser melting are imported from abroad. The developed domestic machine still need to be improved. In this study, an SLM machine called HMF250 was developed, and the basic process experiments was performed to investigate the molding law and manufacture accuracy as well as the mechanical properties of metal parts. Research in the thesis is supported by the Technology Integrated Innovation Project of Shaanxi Province (NO. 2014KTZB01-02-02)In this paper, SLM system was constructed, which could realize the forming process of low oxygen, high efficiency and precision. A high efficiency and flexible powder method was developed. To overcome the shortcomings of the SLM equipment, the hardware system was optimized. The density and mechanical properties of products were improved by a new coating method using a flexible scraper. The sealing structure of the hardware part was improved, so the time for filling in the protection gas before the experiment is reduced to the 1/3 of the original level. The oxygen content can be controlled below 100 ppm, which greatly improved the forming efficiency.The basic process experiment of selective laser melting was carried out with Ti6Al4V metal powder. The forming method of “non constant decreasing power” was proposed, and the warping problem caused by thermal stress was solved successfully. The forming processes of single channel, multi-channel and multi-layer were studied. The influence of process parameters on the scanning line width and height was analyzed. The overlapping rate model was established and concluded that the suitable overlapping rate was 30%. It was found that the curing thickness of single layer obtained by the XYSTA scanning strategy was smaller than that obtained by the X-Y scanning strategy. The conclusion is drawn that the proper thickness of the powder layer and the average particle size of the powder are multiple.The density and mechanical properties of the formed parts were studied. A new scanning strategy (DXYSTA) was proposed, and the density reached to higher than 99%, and the tensile strength reached to 1170 MPa. It was found that the importance to the influence of process parameters on the density effect was the scanning speed, the laser power, the scan spacing. The tensile strength and micro hardness were found to have a positive correlation with the density. It is not necessary to obtain fully compart part to balance part properties with forming efficiency.This paper studied the accuracy of SLM parts. Size compensation can significantly improve the precision in X, Y and Z axis. The size deviation could reach to 0.01mm. The process parameters of the optimal level combination which had influence on the forming components size changes in the process of selective laser melting was obtained by orthogonal experiment.KEY WORDS: Selective laser melting; Machine optimization; Forming process; Density; AccuracyTYPE OF THESIS: Application Research目 录Error! No text of specified style in document.目 录1 绪论11.1 研究背景及研究意义11.1.1 研究背景11.1.2 研究目的及意义21.2 SLM技术国内外研究现状41.2.1 SLM设备研究现状41.2.2 SLM技术工艺研究现状61.3 研究内容及技术路线71.3.1 研究内容71.3.2 技术路线92 激光选区熔化成形设备的构建及改进102.1 引言102.2 硬件系统102.2.1 光路系统112.2.2 铺粉系统122.2.3 气体循环净化系统132.2.4 冷却系统142.3 软件系统142.3.1 数据处理系统142.3.2 工艺控制系统142.4 激光选区熔化成形设备的改进152.4.1 柔性铺粉刮板的改进设计162.4.2 密封结构的改进设计182.4.3 成形基板的设计与选取212.5 分析与讨论232.6 本章小结253 激光选区熔化成形工艺研究273.1 引言273.2 实验方法273.2.1 实验材料273.2.2 方案设计283.2.3 数据测量283.3 单道单层成形工艺研究293.3.1 工艺参数对单道表面形貌的影响293.3.2 工艺参数对单道扫描线宽、线高的影响303.4 多道单层成形工艺研究323.4.1 多道熔化成形原理323.4.2 搭接率模型的建立333.4.3 搭接率对表面形貌的影响343.4.4 扫描方式对单层厚度的影响363.5 多道多层成形工艺研究383.5.1 铺粉层厚对成形质量的影响383.5.2 实体零件成形时的翘曲问题403.6 分析与讨论423.6.1 单道表面形貌及线宽、线高的研究423.6.2 多道表面形貌及单层厚度的研究433.6.3 铺粉层厚模型的建立与研究443.7 本章小结444 激光选区熔化致密度及力学性能研究464.1 引言464.2 致密度研究464.2.1 致密度测量及方法464.2.2 工艺参数对致密度的影响474.2.3 工艺参数正交优化514.2.4 能量密度对致密度的影响524.3 力学性能研究534.3.1 拉伸性能研究534.3.2 显微硬度研究554.4 分析与讨论564.4.1 工艺参数与致密度的关系564.4.2 力学性能与致密度的关系584.5 本章小结595 激光选区熔化精度研究605.1 引言605.2 激光选区熔化精度实验与结果605.2.1 激光选区熔化精度阐述605.2.2 精度正交试验及结果605.3 分析与讨论635.3.1 因素的显著性评价与极差分析635.3.2 四因素较优水平组合的选取655.3.3 基于尺寸补偿的成形件精度优化655.4 实体零件成形样件675.5 本章小结686 结论与展望706.1 结论706.2 展望71致 谢72参考文献73攻读学位期间取得的研究成果76声明CONTENTSError! No text of specified style in document.CONTENTS1 Preface1 1.1 Background and Research Signifaicance1 1.1.1 Background1 1.1.2 Research Purpose and Significance2 1.2 Research Status of SLM Technology4 1.2.1 Research Status of SLM Machines4 1.2.2 Research Status of SLM Technology Process6 1.3 Research Contents and Technical Approach7 1.3.1 Research Contents7 1.3.2 Technical Approach92 Construction and Improvement of SLM Machine10 2.1 Forward10 2.2 Hardware System10 2.2.1 Layser System11 2.2.2 Powder Control System12 2.2.3 Gas Circulation Purification System13 2.2.4 Cooling System14 2.3 Software System14 2.3.1 Data Processing Module14 2.3.2 Process Control Module14 2.4 Improvement of SLM Machine15 2.4.1 Improved Design of the Flexible Scraper16 2.4.2 Improved Design of Sealing Structure18 2.4.3 Design and Selection of Forming Substrate21 2.5 Analysis and Discussion23 2.6 Brief Summary253 Research of SLM Process27 3.1 Forward27 3.2 Experimental Method27 3.2.1 Experimental Material27 3.2.2 Conceptual Design283.2.3 Data Measurement28 3.3 Research of Single Channel Forming Technology29 3.3.1 Effects of Process Parameters on the Surface Morphology of Single Channel29 3.3.2 Effects of Process Parameters on Single Channel Scanning Line Width and Line Height30 3.4 Research of Multi-channel Single Layer Forming Technology32 3.4.1 Principle of Multi-channel Melting32 3.4.2 Establishment of Overlap Ratio Model33 3.4.3 Effects of Overlap Ratio on Surface Morphology34 3.4.4 Effects of Scanning Strategy on Single Layer Thickness36 3.5 Research of Multi-channel Multi-layer Forming Technology38 3.5.1 Effects of Powder Layer Thickness on Forming Quality38 3.5.2 The Warpage of Solid Forming40 3.6 Analysis and Discussion42 3.6.1 Research on Surface Morphology Line Width and Line Height of Single Channel42 3.6.2 Research on Multi-channe Surface Morphology and Thickness43 3.6.3 Establishment and Research on the model of powder layer thickness44 3.7 Brief Summary444 Research on the Density and Mechanical Properties of SLM46 4.1 Forward46 4.2 Research on the Density46 4.2.1 Measurement and Method of Density46 4.2.2 Effects of Process Parameters on the Density47 4.2.3 Orthogonal Optimization of Process Parameters51 4.2.4 Effects of Energy Density on the Density52 4.3 Research on Mechanical Properties53 4.3.1 Research on Tensile Property53 4.3.2 Research on Micro Hardness55 4.4 Analysis and Discussion56 4.4.1 Relatonship Between Process Parameters and Density56 4.4.2 Relationship Between Mechanical Properties and Density58 4.5 Brief Summary595 Research on the Accuracy of SLM60 5.1 Forward60 5.2 Accuracy Experiment and Results of SLM60 5.2.1 Accuracy Elaboration of SLM60 5.2.2 Accuracy Orthogonal Test and Results of SLM60 5.3 Analysis and Discussion63 5.3.1 Significant Evaluation and Range Analysis of Factors635.3.2 Selection of the Combination of the Four Factors655.3.3 Optimization of Accuracy Based on Dimension compensation65 5.4 Fabrication of Multi-overlapped Parts67 5.5 Brief Summary686 Conclusions and Suggestions70 6.1 Conclusions70 6.2 Suggestions71Acknowledgements72References73Achievements76Declarations1 绪论1 绪论1.1 研究背景及研究意义1.1.1 研究背景金属增材制造技术是近20年来发展起来的一项新型增材制造技术，可以根据金属零件的三维数字模型，直接快速成形出具有冶金结合组织且高精度的金属零件结构，具有无模具、短周期、低成本、高性能和快速响应等能力1。该技术基于“离散”+“堆积”成形思想，综合利用CAD技术、数控技术、激光加工技术和材料技术，在一台设备上快速而精确的完成复杂形状零件的整体制造，解决传统加工方法难以制造的复杂零件，实现从零件设计到三维实体原型制造一体化2,3。在制作复杂形状零件或小批量定制化零件时相对传统工艺更有优势。作为增材制造技术体系中最有潜力的技术，金属增材制造技术是先进制造技术的一个重要发展方向4。该技术原理，简而言之即为“离散”+“堆积”。堆积，即指将材料进行堆积的过程，采用不同的材料，通过不同的工艺方法，将“材料单元”“逐步”地堆积成具有一定结构形状以及功能的三维零件。离散，是为了获得堆积的“材料单元”和“逐步”的信息，需将CAD三维模型进行一维、二维、三维的离散，如图1-1所示。0维（点）二维（面）一维（线）三维（体）图 1-1 三维模型的离散依照金属粉末不同的堆积成形方式，金属增材制造技术主要分为三类：（1）利用激光作为热源，扫描熔化铺设于粉末床的金属粉末，如激光选区熔化技术(Selective Laser Melting, SLM)；（2）利用激光作为热源，扫描熔化由喷嘴送出的金属粉末流，如激光近净成形技术(Laser Engineered Net Shaping, LENS)；（3）利用电子束作为热源，扫描熔化铺设于粉末床的金属粉末，如电子束选区熔化技术(Electron Beam Selective Melting, EBSM)。激光选区熔化技术(Selective Laser Melting, SLM)作为金属增材制造技术中的一个分支，以快速成形出高性能复杂的金属零件为目的，是最有发展潜力的一项前沿技术。与其他金属增材制造技术相比，SLM技术最大的优势是可以高效制造精度高且致密度近乎为100%的金属零件。SLM技术基于一般的快速成形材料逐层堆积的成形方式，在激光束的热作用下，将铺设在粉末床中的待成形金属粉末进行选区扫描熔化，最终逐层堆叠成形为具有复杂形状、冶金结合且组织致密的金属零件。SLM技术拥有制件效率高、综合成本低，所加工样件致密度高和力学性能好等优势。首先，激光选区熔化技术与其他制造工艺相比，有独特的优势，与传统的金属成形工艺如切削、铸造相比，SLM技术成形过程中无需工装模具与刀具，提高了效率，节约了成本，提高了效率；与选区激光烧结技术相比，SLM技术直接熔化待成形金属粉末，无需通过低熔点金属粉末熔化后粘结高熔点粉末，克服了选区激光烧结技术制造金属零件的复杂工艺过程，而且制造的金属零件力学性能不像选区激光烧结技术一样受低熔点金属的影响，生产的制件内部冶金结合较为理想，零件精度也有所提高。其次，快速成形技术所需的金属粉末材料的生产造价极为昂贵，SLM技术在成形过程中大大提高了粉末的利用率，充分降低生产成本。此外，SLM成形件在经过简单的后处理（如打磨、抛光等）和热处理（如退火、固溶等）后就可作为零件应用于生物医学、汽车、航空航天、军工、艺术设计等领域。因此激光选区熔化技术现已成为制造业最有潜力、最引人关注的技术之一，被国内外的科研学者普遍关注。激光选区熔化技术的成形原理是基于分层叠加制造原理，通过激光束逐层熔化已铺设在成形缸粉床上的待成形金属粉末而成形出具有复杂结构、组织较为致密的金属零件。SLM设备主要由激光器、扫描光路系统、铺粉装置、供粉缸、成形缸以及计算机系统组成，如图1-2所示。其工作过程为：首先利用计算机建立CAD模型，通过相应的分层软件对CAD模型进行分层切片处理，将生成的零件实体的层截面信息传给控制计算机储存于STL文件中；然后利用铺粉系统将粉末铺展在成形工作台上，扫描系统根据分层切片信息控制激光束作用于待成形区域的粉末，粉末发生融化，黏结熔化在一起，形成零件的一个截面。一层扫描加工完毕后，成形工作台在活塞缸内活塞作用下下降一个层厚距离；铺粉系统将粉末铺展在已成形层之上，扫描系统控制激光束对新铺好的粉末进行扫描加工，重复以上成形过程，如此循环，直至所有切片层被扫描加工，一个完整的三维实体零件生成。图 1-2 SLM设备工作原理图51.1.2 研究目的及意义近年来，随着“中国制造2025”和“工业4.0”的提出，增材制造技术作为其中重要的一个技术分支被更多的人所重视。其中，金属零件的直接成形更是被包括航空航天、医疗、汽车等众多行业所青睐。激光选区熔化技术作为快速成形技术中的一项重要分支，越来越得到人们的重视，尤其是在金属材料应用领域，面对传统加工工艺很难完成甚至根本无法完成的复杂结构、轻量化定制化产品，SLM技术具有独特的优势与特点，很好的起到了“互补”的作用。SLM技术的优点可以归纳为以下几点：（1）可成形材料种类较多。从SLM成形原理上讲，凡是在热源的热作用下，能够粘结熔化于一体的粉末材料都可以作为SLM技术的待成形材料，如钛合金粉末、不锈钢粉末、铁基合金粉末、镍基合金粉末等。（2）可成形几乎具有任意复杂几何形状的零件。无论零件复杂程度如何，均可实现快速成形，尤其对于具有复杂内部型腔结构或者多孔型结构，SLM技术都有着明显的优势。（3）生产开发周期短、成本低。尤其对于具有复杂结构的零件，可以直接通过增材制造快速成形出近乎终端的制件，制件只需经过简单的后处理即可达到零件使用要求。整个生产流程数字信息化，实现了无模化、免安装的生产，这一特点尤其适合新产品的开发工作。（4）成形零件精度高、致密度好，具有良好的力学性能。SLM技术直接成形后的绿件表面粗糙度一般在1550m，通过工艺优化和后处理等处理后，金属制件的表面粗糙度可控制在8m以下6，尺寸精度可达0.1mm，且致密度可达98%以上7，与传统铸造工艺无几，力学性能更是可以达到甚至超过锻件工艺水平。（5）技术应用范围广。可广泛应用于生物医学、航空航天、汽车、电子产品、艺术设计等众多领域。激光选区熔化技术也有不足之处。首先，现阶段工业级的SLM打印机造价较为昂贵，金属粉末材料也价格不菲，高昂的成本制约着技术普及广泛的应用。其次，SLM技术成形工艺复杂，影响因素较多，包括粉末材料特性、工艺参数、光路扫描系统、成形环境以及设备调试因素等。不同因素作用会直接影响最终成形零件的成形性能，成形性能包括：致密度、精度、表面粗糙度、力学性能、硬度和表面质量等。此外，SLM技术对专业人员的技术要求较高。鉴于此，为了实现SLM技术能够制造出高成形性能并能直接满足使用要求的金属零件，需要对SLM成形系统的设备、材料以及不同的工艺参数进行不断的优化，同时还需加强SLM技术的基础理论研究，从而能够成形出满足人们要求的优异产品。为了更好的推进SLM技术的发展，不断提高成形零件的致密度等成形性能，首先需要对成形系统的硬件组成部分和软件控制部分进行全面的认识，掌握其在激光选区熔化成形过程中所起到的作用。硬件组成部分的协调运动稳定性以及软件控制部分的稳定性是保证成形过程稳定进行的基础和前提。为此，结合工艺实验需求及结果反馈对硬件组成部分和软件控制部分不断优化完善，以消除软件控制误差和硬件系统误差对零件成性性能的影响，提高实验的稳定性和可重复性，提高实验效率。1.2 SLM技术国内外研究现状1.2.1 SLM设备研究现状SLM设备的优良运行直接影响着成形工艺的结果，因此，国内外众多科研机构、高校及公司均对SLM设备进行开发调试，甚至投入商业使用。在国外，德国、英国、日本等国家的多个生产商对SLM设备的研发较为深入，且均已推出了商业化的SLM设备。其中，已经已经实现产业化，推出自己成熟产品的公司主要有德国EOS8、德国SLM Solutions、德国MCP、德国Concept Laser、德国Phenix公司、英国Renishaw公司和日本Matsuura公司等。德国对SLM技术研究最早也最深入，世界上第一台SLM设备是在1999年由德国Fraunhofer研究所推出的基于不锈钢粉末成形的SLM设备。德国EOS公司的EOSINT M290快速成形设备是该公司针对SLM技术所最新开发的激光选区熔化设备，采用性能优良的400W的Yb光纤激光器，聚焦光斑直径为100-500m，可保证成形零件的质量及精度，而且此类激光器的波长较短（1060nm），可以保证在成形过程中金属粉末很好的吸收激光辐射所产生的能量，可实现激光告诉扫描，减少成形时间，提高效率。该设备成形零件最大体积可达250mm250mm325mm，加工扫描速度可达7m/s，铺粉层厚常用为20-100m9。其产品和成形零件如图1-3所示。 (a) 德国EOSINT M290设备 (b) 设备成形零件图 1-3 德国EOSINT M290设备及成形零件10欧洲知名的Rapid Tooling方案提供商德国MCP公司，推出的SLM设备Realizer采用400W的光纤激光器，聚焦光斑直径为70-200m，加工扫描速度最大可达5m/s，成形零件尺寸最大可达到300mm300mm300mm，该设备能成形致密度近乎为100%的金属零件，成形后的零件只需要进行简单的后处理如喷砂或抛光就可直接投入使用。该设备的铺粉系统采用刮板机构，可实现加工时单层厚度为20-100m11，保证成形零件的精度可靠，可成形材料包括不锈钢、钛合金、钴铬钼合金等金属材料。德国Concept Laser公司的SLM设备M3所采用的激光器为半导体泵浦单模Nd:YAG激光器，功率为100-200W，其光学系统使用F-聚焦镜与数控激光头，零件可成形尺寸最大为300mm350mm300mm，加工时单层厚度可达到30m，提高成形零件的精度，且表面精度好12。此外，德国SLM Solutions公司长期专注于SLM技术，其推出的SLM 3D金属打印机最大成形空间达到500mm280mm325mm，可以同时装备两个1000W激光器，利用高精度激光束可以完成包括钛、钢、铝、金在内的金属粉末的快速成形制造。英国Renishaw公司新推出的RenAM 500M设备配备了500W的激光器，可成形零件最大尺寸为250mm250mm350mm。日本的Matsuura公司的SLM设备采用500W的脉冲式CO2激光器，其波长为10.6m，聚焦光斑大小为600m9。日本的Osakada实验室利用自制SLM实验平台对钛金属粉末进行成形实验，可以得到致密度为92%的金属零件。比利时鲁汶大学也对SLM技术进行了较为深入的研究，并自制研发了SLM设备，该设备采用300W的Nd:YAG激光器，激光波长为1064nm。光学系统利用扫描振镜，其扫描速度可达5m/s。工作台运动精度高，单层铺粉层厚最低可达到10m。铺粉系统采用辊筒式铺粉。通过向成形室通入保护气体或抽真空的方式来防止成形零件发生氧化13。在国内，由于SLM技术的自身优势逐渐被各行各业所重视，近年来部分高校和科研单位也都针该技术进行了研究以及SLM设备的研制，如华中科技大学、华南理工大学等。华中科技大学从2003年开始进行SLM技术的研究，并在SLM系统制造技术上不断取得突破和创新。目前，该中心先后推出了两套SLM设备：HRPM-和HRPM-14。这两套SLM设备主机构成基本相同，均由YAG激光器、扫描振镜、可升降工作台及预热装置组成，性能参数见表1-1。针对国外SLM设备制造大尺寸零件仍有困难的现状，从预热装置、激光扫描方式等方面进行了创新，成功解决了大尺寸SLM零件容易产生变形的问题。这两套设备的主要区别为激光器与送粉装置，HRPM-采用双缸下送粉方式，设备大，送粉时间长，影响成形效率。HRPM-采用上送粉方式，可提高成形效率15。表 1-1 华中科技大学HRPM系统主要参数型号HRPM-HRPM成形空间250mm250mm350mm250mm250mm400mm激光器类型YAG激光器光纤激光器激光功率150W100W扫描速度5m/s5m/s成形速度7000mm3/h7000mm3/h铺粉厚度50-100m50-100m送粉方式双缸下送粉双缸上送粉华南理工大学自制开发出一套商业化设备DiMetal-100，采用具有小焦距光斑（20-60m）、输出功率为200W的半导体泵浦Nd:YAG激光器，选用德国Scan Lab公司的振镜系统，最高扫描速度可达7m/s，该设备可成形致密度近乎99%的金属零件，表面粗糙度Ra在5-30m之间，具有很高的尺寸精度4。针对SLM设备的研制，可以表明：（1）现阶段国外研制的工业级的SLM设备相对较为成熟，但是造价较为昂贵，且配套使用的金属粉末材料也价格不菲，高昂的成本无法满足国内市场的普及与需求，制约着国内针对该技术的广泛应用。（2）国内自主设计研制的SLM设备造价相对国外设备较为低廉，但是设备性能还有所不足，所成形的零件并不能够完全保证质量，这就抑制了国内制造企业的市场竞争力，提高了国内制造SLM成形件的费用。因此，在国内自主开发研制较为成熟的SLM设备，实现可快速高效成形高质量高性能的成形零件，对建立国家快速成形技术标准、提高国内针对SLM技术的市场竞争力、降低现有成形件成本具有重要的意义。1.2.2 SLM技术工艺研究现状现阶段，针对激光选区熔化技术的研究主要是探究成形工艺参数对SLM成形过程的影响规律，以及对成形零件质量、性能与精度的评估。所研究的成形工艺参数主要包括：激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉层厚与扫描方式等。金属粉末的直接成形是一个快速熔化后冷却凝固的过程，工艺参数的不同组合会对金属粉末熔化凝固的过程产生不同的影响，进而影响并改变最终成形零件的质量和性能。Tang等人16研究了激光功率、扫描线间距、扫描速度、铺粉层厚等工艺参数对金属成形零件质量的影响规律。研究发现，随着激光功率的增加，成形零件的抗拉强度增大，但是零件尺寸精度和表面粗糙度却逐渐变差；随着扫描速度的增加，成形零件的抗拉强度逐渐减小，但是零件尺寸精度和表面粗糙度却有所改善。在激光功率与扫描速度固定不变的情况下，随着扫描间距的不断增大，成形零件的抗拉强度减小，表面粗糙度变差，但是零件的尺寸精度逐渐变好；随着铺粉层厚的不断增大，成形零件的抗拉强度减小，表面粗糙度变差，但是对零件的尺寸精度影响并不明显。Averyanova M.等人17对单道与单层成形过程进行分析，进而优化了SLM成形工艺，较为详细的研究了工艺参数对成形质量的影响，并得出较好的表面质量所对应的工艺参数。王黎18研究了SLM工艺参数对单道及单层成形表面粗糙度的影响。华中科技大学的彭昌吻19采用正交试验研究了SLM成形过程中，工艺参数对成形零件表面粗糙度的影响，成形零件致密度达到96.8%以上。华南理工大学的王迪20等人研究了不同的激光能量输入条件下成形件表面状态，并将其分为条虫状、过熔状、粒秋状、砂散状、网结状与细线状六种形貌。Song B.等人21针对工艺参数对钛合金成形零件的微观组织和力学性能的影响进行了研究，得到了激光功率和扫描速度对表面粗糙度的影响规律。Kruth等人13对金属粉末在成形过程中的受热变形和球化现象进行了分析，研究表明，采用合适的扫描方式可以改善受热变形和球化现象，并使用优化的工艺参数对混合粉末进行成形，经过工艺研究，得到成形金属零件的致密度可达91%，抗弯强度可达630MPa。Singh等人22对成形过程中工艺参数对收缩率造成的影响做了研究，分析认为扫描间距是减小收缩最重要的影响因素。Spierings A.B.等人23研究发现不同金属粉末粒径对成形零件的致密度、表面粗糙度及力学性能均有所影响，其中粒径较细的金属粉末成形出的零件表面质量高、力学性能好。Yasa等人24-27研究了表面重熔对成形零件表面粗糙度的影响，并提出表面重熔具有提高成形零件致密度和改善表面质量的作用，并用此方法制作出了表面质量好的成形零件。表面重熔的原理即为铺上一层粉末后，利用激光热源对粉末进行两次扫描熔化，可以极大减少成形零件内部孔隙，提高致密度及力学性能。但是由于每一层都进行两次扫描，势必增加成形时间，从而了降低成形效率。因此，对于只需要提高表面质量的成形零件，可以在成形零件的最后几层甚至最上表面进行表面重熔处理。Abe等人28研究了激光功率、扫描速度对成形零件性能的影响，并成形出致密度达92%以上的实体零件；Santos等人29进一步研究工艺参数对成形零件的微观结构、疲劳强度和硬度等性能的影响，显微硬度高于锻造件，通过调整扫描间距和铺粉层厚，成形零件的致密度可达98%以上。Song B.等人30分析了不同工艺参数对成形零件的微观硬度、致密度和表面粗糙度的影响，并成形出致密度为98%的FeAl合金零件。Sun等人31研究了激光功率、扫描速度、铺粉层厚、扫描方式对致密度的影响，并成形出致密度高于95%的钛合金零件。以上研究，可以发现：（1）工艺参数如激光功率、扫描速度、扫描方式、扫描间距及铺粉层厚对成形零件表面形貌、精度、致密度性能等均有所影响，但是在不同实验平台上利用不同金属材料成形所得出的结论并非完全一致，即针对不同SLM设备、不同金属材料，需要进行完整的基础工艺试验，探究出针对该设备、特定材料所适应的成形工艺规律。（2）虽然针对成形零件致密度、力学性能的研究较多，但是并非所有成形零件均能达到完全致密，在实际应用中，达到力学性能要求即可，但是相对应所需要的致密度是多少并没有完全确定。（3）热应力集中造成的翘曲现象、精度偏低等问题仍然是金属增材制造技术发展的一个难题。1.3 研究内容及技术路线1.3.1 研究内容本文的研究内容主要包括以下四个方面：1）激光选区熔化成形设备的构建及改进自主设计研发一套成形设备激光选区熔化(SLM)系统，包括硬件系统和软件系统。SLM硬件系统需要包含光路系统、铺粉系统、气体循环净化系统及冷却系统，为工艺实验提供硬件支撑；SLM软件系统主要由数据处理系统和工艺控制系统，对SLM软件系统中的工艺控制系统进行开发优化，使其能够满足不同工艺实验要求。结合工艺实验不断对成形设备进行优化改进，达到改善零件成形质量和提高成形效率的目的。2）激光选区熔化成形工艺研究分析研究激光选区熔化成形基础工艺实验，包含单道单层、多道单层及多道多层的成形工艺。研究单道单层成形工艺实验中激光功率、扫描速度对单道表面形貌及单道扫描线宽、线高的影响规律；针对多道单层成形工艺，建立搭接率模型，探究针对不同工艺实验所广泛适合的搭接率值，并通过实际工艺实验进行验证，以期为后续多层成形实验提供指导；研究铺粉层厚对成形质量的影响规律；针对实体零件成形时的翘曲现象，提出