【激光熔化沉积技术概述2800字】

激光熔化沉积技术概述目录TOC\o"1-3"\h\u10662激光熔化沉积技术概述 152211.1激光熔化沉积技术及原理 220971.2激光熔化沉积特点及应用 244511.3激光熔化沉积钛合金研究现状 3通常，采用传统加工方法加工钛合金零部件的生产周期较长、材料的利用率较低、总成本非常高，因此开发低成本、高品质的近净成形零部件已受到了广泛的关注。3D打印技术是一项颠覆性技术，距今已发展了四十多年ADDINNE.Ref.{B5AF2B63-EEDB-4997-8E3E-4B206F9A869E}[46]。这种方法不仅可以实现上述的几何目标，还可以提供与传统制造工艺相当甚至更好的机械性能。增材制造通过离散+堆积原理，依据计算机化的三维模型可以很容易地制成实体，而无需借助摸具和机加工，其具有设计灵活性高、生产周期短、材料的利用率较高、生产成本较低、适用范围较广和全致密近净成形等优点ADDINNE.Ref.{59892139-7664-4E1C-9DF1-85DA3A5A03B1}[47]。图1-8为钛及钛合金增材制造技术的分类，表1-2为各种钛合金增材制造技术的优缺点对比分析ADDINNE.Ref.{813FED61-73B6-45A8-A63C-3131AE55CC4E}[48]。图1-8钛及其合金增材制造技术分类表1-2各种增材制技术的优缺点技术名称优点缺点LMD无需模具、可加工大尺寸零件、成形效率高消耗大量惰性气体用来提供保护气氛以及送粉，表面较为粗糙需要后续加工处理EBF3扫描速度快、电子束易控制、成形效率高、真空环境成形原材料为丝材，表面光洁度差，尺寸精度差、不适合成形结构形状复杂零件SLM成形精度高，无模具生产，可制造致密样品，无需后续处理不适合制造复合材料、成形效率低、尺寸小、粉末粒度要求超细SEBM成形精度高，易实现复杂零件的成形无法实现大尺寸零件加工，设备复杂1.1激光熔化沉积技术及原理LMD技术是基于激光熔覆(LC)与快速原型制造(RP)相结合的一项制造技术，图1-9为该技术的工作原理示意图ADDINNE.Ref.{C2F92BFF-E83E-4133-9BA1-46C1A8A2BB25}[49]。在LMD过程中，聚焦的激光束照射在部分预沉积层或基板上产生一个熔池，粉末材料通过氩气被输送到熔池中，并被局部注入以快速熔化，当激光热源离开时，熔池通过热传导、对流和辐射的散热并迅速凝固成珠。建造完一层后，将激光和粉末沉积头沿Z方向升高到预设高度，然后开始建造下一层。在LMD过程中，预沉积层被部分再熔化，用作新的“衬底”，从而有助于下一层的形成。重复相同的不揍，直至生成最终的零件形状。LMD工艺通常在充满氩气的惰性环境中进行，此外沉积后未使用的吹散粉末可以回收循环使用。图1-9激光熔化沉积原理示意图ADDINNE.Ref.{094776AA-4409-4F7E-9884-FC40725DC9F0}[49]自20世纪90年代，美国桑迪亚国家实验室提出激光工程化净成形(LENS)技术ADDINNE.Ref.{A6FDCFDE-E858-44E3-B7E2-B6555FF7D567}[50]以来，激光熔化沉积技术如雨后春笋发展为多种形式，并且被赋予了不同的名称，如美国杜邦公司与密歇根大学联合开发的金属直接沉积(DMD)技术ADDINNE.Ref.{7AD2C71A-C955-4AB9-B6EA-8E91CEEFAFB9}[51]、英国曼彻斯特大学的激光直接沉积(DLD)技术ADDINNE.Ref.{18231A11-7409-4554-9AAD-E05727564263}[52]、中国西工大的激光立体成型(LSF)技术ADDINNE.Ref.{8A3E030B-78A2-439B-B5A4-8787C39B0F59}[53]等，这些技术虽然名字不同，但其基本工作原理却是完全一致的。1.2激光熔化沉积特点及应用同传统加工技术相比，该技术具有以下特点ADDINNE.Ref.{7AE3D1E2-E088-4D02-B7A5-F405DB4535CA}[53,54]：(1)高度柔性化。只需要创建计算机CAD三维模型，通过调整和设定工艺参数，便可以完成多类型、多批次零件加工的快速成形转换。(2)生产周期短。LMD技术将生产过程简化三个阶段：即零件的计算机三维设计、激光熔化沉积和少许后处理，与传统加工工艺相比，其工序简单、流程短，由于无需模具设计和加工，大大缩短了产品的生产周期。(3)LMD过程中由于激光作用于熔池，导致热影响区较小、温度梯度大、冷却速度快，易于获得均匀、致密且细小的微观结构，没有传统铸锻件中的宏观缺陷，故其部分性能可以得到改善。(4)由于激光束具有较高的能量密度，因此可以用来实现难熔难加工材料(如Ti、Nb、Mo、W、Ta等)复杂形状的近净成形。(5)能够同时熔化两种及以上的材料，非常适合用于制备复合材料，此外还可以随时调控合金粉末的输送量，因此还可以用来制备功能梯度材料。LMD技术具有传统加工工艺无法实现的能力，已被公认为制造业的新范式，其应用已扩展到众多领域，其中包括航空航天、国防科技、汽车制造、医疗卫生、建筑和消耗品部门ADDINNE.Ref.{134BF6E5-7BA3-4B71-9398-F418CB076D72}[55]。目前，采用激光熔化沉积技术可以将多种材料，包括钢、铝和钛等，制成致密零件，因此LMD技术越来越多地从快速原型开发转变为快速制造应用ADDINNE.Ref.{1C03AF8E-19EE-42CC-AA7A-7442301FD163}[56]。图1-9为国内外激光增材制造的钛合金构件ADDINNE.Ref.{704F9F83-5837-4227-BC61-EDE336EC8B84}[56,57]。图1-9国内外激光增材制造的钛合金构件ADDINNE.Ref.{5AB1BC91-85CA-4DEE-8240-7801CEE68B94}[56,57]:(a)美国通用公司制造的风扇叶片加强边ADDINNE.Ref.{734A2ABE-3A27-4911-B58D-066648DAC5CA}[57];(b)英国罗罗公司成形引擎部件ADDINNE.Ref.{619DB293-0504-4082-8FBF-9E5C2D48D5D3}[57];(c)LENS成形钛合金叶片ADDINNE.Ref.{DA8819E0-521C-4E9B-A20C-55BD50E6F0E1}[56];(d)西工大激光立体成形钛合金飞机翼肋ADDINNE.Ref.{B5A1634D-C565-411C-8DA1-6817B0EC450B}[56];(e)北航激光快速成形制备的飞机大型钛合金加强框ADDINNE.Ref.{418A5BF6-0D6A-4ED8-B797-EB837FAEEDE5}[56]1.3激光熔化沉积钛合金研究现状在LMD过程中，高能激光束将合金粉末熔化，在基板表面形成熔池。由于基体具有较强的散热能力，因此熔池经历快速冷却/凝固，其冷却速率甚至可以达到104~106K/sADDINNE.Ref.{1027D27B-CEF5-4D1A-AE22-656C7B0ADF28}[58]。定向凝固生长的原始β柱状晶是沉积态钛合金最显著的特征之一。同时在沉积层的顶部也可以观察到等轴晶粒。P.Kobryn和S.SemiatinADDINNE.Ref.{5434C7F2-F991-416B-8BEF-B3D40F8E0923}[59]研究了扫描路径对沉积态Ti6Al4V组织特征的影响，研究发现，采用单向扫描方式进行沉积时，原始β柱状晶并非垂直于扫描方向生长，而是倾斜于扫描方向，如图1-10(a)所示；当采用往复扫描方式沉积时，原始β柱状晶呈“S”型，凸出的部分也是指向扫描方向，如图1-10(b)所示。这是由于熔池强烈的外延生长特性决定的。此外，他们还研究了不同激光器类型对柱状晶形貌的影响，结果表明，采用不同的激光器沉积Ti6Al4V时均会产生柱状晶，但是柱状晶的宽度有明显的不同，采用Nd:YAG激光器沉积形成的柱状晶宽度明显小于使用CO2激光器沉积形成的柱状晶宽度，如图1-10(c)所示。图1-10LMD成形TC4合金试样ADDINNE.Ref.{7DBD9C6E-A41C-4BFA-B074-5E1146085408}[59]:(a)单向扫描;Nd:YAG型激光器;(b)往复扫描;Nd:YAG型激光器;(c)CO2型激光器Wang等ADDINNE.Ref.{1DE0F4FF-D6B9-4D74-8995-9886088DE4A9}[60]研究了LMD成形钛合金的晶粒形貌演变行为。研究发现，熔池的凝固机制主要有两种，分别为柱状晶的熔池底部基底外延生长和部分未熔化粉末的等轴晶异质形核，沉积态晶粒的最终形貌取决于二者凝固机制之间的竞争主导关系。张凤英等ADDINNE.Ref.{022CFC65-BA3C-4EDC-AC62-0C4536CDD2C0}[61]分别使用混合元素法与预合金法制备的粉末进行了LMD实验。研究发现，在较小的激光输入功率下，采用混合元素法获得的沉积态试样的微观组织为等轴晶形貌，当提高激光功率时，等轴晶会转变为柱状晶；而采用预合金法获得的沉积态试样的微观组织为粗大的柱状晶，并且通过提高激光功率，可以将柱状晶转变为等轴晶。此外，还发现采用混合元素法获得的沉积态试样中存在V元素的偏析现象ADDINNE.Ref.{71E29686-924C-46F8-ACC4-60E2AB56043E}[62]。在LMD过程中，每一层都经历了大量的热循环过程，各沉积层的峰值温度呈不断降低趋势ADDINNE.Ref.{F77336EE-00B7-4F07-A1A3-D46DDF641DBB}[63]。当此温度高于β相变温度Tβ时，α会全部转变为β，随着温度的降低，会从β中再次析出α；当峰值温度在两相区之间时，会有部分α转变成β，在随后的冷却中，会从β中再次析出新的α，其余尚未转变成β的α会发生粗化；当峰值温度低于相变温度时，沉积态试样的组织会经历退火或再结晶过程，最终趋于稳定。此外，受循环热处理的影响，沉积态试样中还存在层带结构特征。Zhu等ADDINNE.Ref.{C9865C8B-16D0-4123-BD34-CFC70B5B164D}[64]研究了LMD成形TC11合金的晶粒形貌和微观组织，研究发现沉积试样中存在两种不同的层带，分别为底部的稳定带和顶部的不稳定带。在整个沉积试样中，层间带分布均匀，而最后几层沉积的不稳定区中未观察到有暗热影响带的存在。在不稳定区中，由于冷却速度非常大，沉积试样的微观组织由细小的网篮组织组成，而在稳定区由热影响