选择性激光熔化#内容清晰

1、近年来，选择性激光熔化(SLM)金属粉末快速成型技术应运而生，它可以直接成型密度接近完全的金属零件。激光烧结技术克服了选择性激光烧结的问题。用SLS技术制造金属零件的复杂过程。通过选择性激光烧结技术制造金属零件的方法主要包括：(1)熔模铸造法：首先，利用激光烧结技术形成高聚物(聚碳酸酯聚碳酸酯、聚苯乙烯聚苯乙烯等)的原型零件。)，然后基于高聚物的热降解性通过铸造技术形成金属部件。(2)砂型铸造法：先用覆膜砂铸造零件的型腔和砂芯(即直接制造砂型)，然后铸造金属零件。(3)选择性激光间接烧结原型法：聚合物与金属的混合粉末或涂有聚合物的金属粉末通过激光烧结成型，金属零件通过脱脂、高温烧结、浸渍等工艺

2、成型。(4)金属原型的选择性激光直接烧结：首先，将低熔点金属和高熔点金属粉末混合，低熔点金属粉末在成型过程中主要作为粘结剂。然后用激光烧结技术形成金属零件；最后，对零件进行后处理，包括低熔点金属的浸渍、高温烧结和热等静压。用这些方法制造的金属零件的机械性能受到许多低类型工艺因素的影响。因此，德国的弗劳恩霍夫激光技术研究所(ILT)首先提出了直接制造金属零件的空间光调制器技术。选择性激光熔化技术的基本原理SLM技术是利用金属粉末在激光束的加热下完全熔化，然后冷却固化的技术。为了完全熔化金属粉末，要求激光能量密度超过106瓦/平方厘米。目前，采用空间光调制器技术的激光器主要有钕钇铝石榴石激光器、二

3、氧化碳激光器和光纤激光器。这些激光器产生的激光波长分别为1064纳米、10640纳米和1090纳米。金属粉末对短波长激光如1064nm有较高的吸收率，但对长波长激光如10640nm有较低的吸收率。因此，在金属零件成形过程中，波长较短的激光具有较高的激光能量利用率，而波长较长的Co2激光具有较低的激光能量利用率。在高激光能量密度的作用下，金属粉末完全熔化，冷却后可与固体金属进行冶金焊接。SLM技术是一种快速原型技术，通过这个过程一层一层地积累三维实体。根据模制零件的3D计算机辅助设计模型的分层切片信息，扫描系统(检流计)控制激光束作用于待模制区域中的粉末。扫描第一层后，活塞缸中的活塞将下降一层厚

4、度；然后，一定量的粉末由粉末供给系统输送，并且厚的粉末层由粉末散布系统的辊子散布并沉积在形成的层上。然后，重复上述两个成形过程，直到扫描完所有三维计算机辅助设计模型的所有切片层。这样，三维计算机辅助设计模型可以通过一层一层地积累来直接形成金属零件。最后，活塞向上推动，从成形设备中取出零件。至此，用SLM金属粉末直接成形金属零件的整个过程就完成了。选择性激光熔化技术的研究现状及进展目前，SLM技术可广泛用于制造金属零件，如模具、工具和生物植入物。然而，该技术还不够成熟，应用领域还不够广泛。SLM技术的研究主要集中在以下几个方面：成形设备、金属粉末、成形工艺、成形机理、成形零件性能、成形过程模拟和

5、成形零件应用。1台选择性激光熔化设备SLM设备的许多方面影响成型过程和成型零件的精度和机械性能。在开发可持续土地管理设备方面，只有德国、日本和美国等少数国家成功开发了商业设备。这些公司包括德国的MCP和TRUMPF、日本的MATSUUR和美国的PHENIX。这些公司的SLM设备的差异主要体现在激光、聚焦面光斑尺寸、撒粉方式和活塞缸撒粉厚度等方面。MCP公司和PHENIX公司的SLM设备中使用的激光器为100瓦光纤激光器，激光波长为1090纳米，主要工作模式为连续波/调制，光纤激光束的输出模式为Tem00(横向电子模式)；光束截面的能量分布为高斯分布，在传输过程中保持不变，光束质量好。聚焦激光束

6、的激光光斑在30微米和250微米之间。通快空间光调制器设备配有一台激光波长为1030纳米的250瓦圆盘激光器；光斑尺寸可以从200 um到400 um变化。MATSU U RA SLM设备使用500瓦脉冲Co2激光器，波长为10640纳米，峰值为1.5千瓦，频率为100千赫兹。斑点大小是600微米。除了上述公司的可持续土地管理设备的商业生产之外，包括比利时鲁汶大学和日本大阪大学在内的大学也在从事可持续土地管理设备的开发。这些大学开发的SLM设备与上述公司商业化生产的设备相似，主要在激光、聚焦光斑、粉末铺展层厚度、粉末铺展方式等方面。目前，中国华中科技大学已经开展了这一领域的研究，并跟踪可持续土

7、地管理技术的最新发展。华中科技大学快速制造中心开发了具有自主知识产权的商业化SLM设备HRPM系列金属粉末熔化成型设备。该设备采用武汉滨湖机电技术产业有限公司生产的150瓦连续波nd-YAG激光器和100瓦连续波光纤激光器，已在市场上销售，打破了国外公司在这方面的垄断，大大降低了设备价格，给国内用户带来了方便。2用于选择性激光熔化技术的粉末适用于SLM技术的金属粉末非常广泛。如果由我们自己设计适合SLM成形的材料成分并制备粉末，其成本相对较高且不经济。因此，目前用于SLM技术研究的粉末主要来自商用粉末。可以研究它们的成形性，并提出该技术的粉末选择标准。用于SLM成型的粉末可分为三类：混合粉末、

8、预合金粉末和简单金属粉末。(1)混合粉末。混合粉末通过将粉末与某些成分均匀混合而形成。设计混合粉末时，应考虑激光光斑尺寸对粉末粒度的要求。铁基混合粉末(包含铁、镍、铜、铁、磷)由Kruth J.P .等人开发。因为激光光斑是600 u 111，所以要求混合粉末中颗粒的最大尺寸不应超过光斑直径。使用这种混合粉末的SLM成型件不能满足100%密度的要求，其力学性能有待进一步提高。吕忠良等研制了铁镍碳混合粉，其组成为(铁)=91.5%，(镍)=8.0%，(碳)=0.5%。铁粉和镍粉为-300目，碳粉为-200目。使用这种混合粉末的SLM模制件的密度低，并且有许多孔。混合粉末的SLM成型研究表明，混合

9、粉末成型件的密度有待提高，其力学性能受密度和成分均匀性的影响。(2)预合金粉末。根据预合金的主要成分不同，预合金粉末可分为铁基、镍基、钛基、钴基、铝基、铜基、钨基等。铁基合金粉末包括工具钢M2、工具钢H13、不锈钢316L(1.4404)、Inox 904L、314s-HC和铁合金(Fe-15cr-1.5b)。成形结果表明，低碳钢的成形性能优于高碳钢，成形件的相对密度仍不能达到100%。镍基合金粉包括Ni625、合金、Waspaloy合金和镍基预合金(镍)=83.6%，(铬)=9.4%，(硼)=1.8%，(硅)=2.8%，(铁)=2.0%，)钛酸锶钡合金是主要的钛合金粉末，激光熔模成形结果表明

10、，成形零件的相对密度可达95%。钴合金粉末主要为钴铬合金，激光熔模成形结果表明，成形零件的相对密度可达96%。铝合金粉末主要为A16061合金，SLM成形结果表明，成形件的相对密度可达91%。铜合金粉末包括铜/锡合金、铜基合金(84.5铜-8锡-6.5P-1Ni)和预合金化铜-磷。SLM成型结果表明，成型件的相对密度可达95%。钨合金粉末主要由钨铜合金组成，SLM成形结果表明，成形零件的相对密度仍小于100%。(3)简单金属粉末。元素金属粉末以钛粉为主，SLM成型结果表明钛粉具有良好的成型性，成型件的相对密度可达98%。综上所述，SLM技术中使用的粉末主要是简单金属粉末和预合金粉末。简单金属粉

11、末和预合金粉末成型件的成分分布和综合力学性能较好。因此，成型工艺的研究主要集中在预合金化和简单金属粉末的工艺优化上，以提高成型件的密度。选择性激光熔化成型工艺SLM成型工艺主要研究工艺参数对粉末成型轨迹和密度的影响。(1)工艺参数对成型轨迹的影响。在SLM成型工艺中，成型轨迹特性受工艺参数的影响。成形轨迹主要包括激光对粉末的单点和单程扫描、单层和多程扫描成形轨迹。通过对成形轨迹的评价，研究了工艺参数对成形轨迹的影响。(2)工艺参数对密度的影响。金属零件的密度是影响其机械性能的主要因素。金属粉末SLM成型的密度是一个关键的技术指标，它受激光波长、激光功率密度和粉末成分的影响。在Co2激光(波长为

12、10640nm)作用下，成形件的密度较低，这与金属粉末对激光的低吸收率和激光功率密度有关。然而，在YAG激光(波长为1064纳米)的作用下，模制件的高密度是由于其高激光功率密度和金属粉末对激光的高吸收率。此外，粉末的化学成分是影响其润湿性的主要因素，因此低碳铁基合金粉末具有良好的润湿性，并且其SLM成型件具有高密度。选择性激光熔化成形机理在SLM成形过程中，为了改善粉末的成形性，必须改善液态金属的润湿性。在成形过程中，如果液态金属被球化，则表明液态金属的润湿性不好。液态金属对固态金属的润湿性受工艺参数的影响，因此可以优化工艺参数以提高特定粉末的润湿性。研究结果表明，在没有与氧化物发生化学反应的

13、情况下，液态金属不能润湿固体氧化物膜，因此在成型过程中应防止氧化。尽管可通过添加合金元素P来改善润湿性，但元素P将影响模制部件的机械性能。5选择性激光熔化成型零件的性能成型件的性能主要包括残余应力、残余应变、微观结构和力学性能。(1)残余应力和应变。在SLM成形过程中，由于温度梯度，金属粉末会产生热应变和残余应力，影响成形过程。结果表明，翘曲、裂纹、热应力、表面粗糙度和微观结构主要是由成形过程中激光作用下的快速加热和快速冷却(淬火)引起的。因此，提出了一种双激光扫描系统。(2)微观结构。工艺参数会影响SLM成型件的微观结构。如果激光扫描速度快，冷却速度也快，这将使显微组织更细，并有助于改善SL

14、M成型件的机械性能。(3)机械性能。模压成型的力学性能主要包括强度、硬度、精度和表面粗糙度。激光加工模式影响激光熔模成型件的弯曲强度。在脉冲和反冲工作模式下，SLM成型件的最大弯曲强度为630兆帕，未经任何处理的成型件表面粗糙度达到10 um 30 um。由于SLM成型件的相对密度未达到100%，其机械性能如抗弯强度会受到一定程度的影响。6选择性激光熔化过程的数值模拟激光熔模成形工艺是激光熔粉、相变和凝固冶金相结合的过程。在SLM成形过程中，粉末在极短的时间内(毫秒级)熔化，且温度梯度大，难以用实验方法测量其温度动态过程，用有限元法进行模拟分析，揭示其成形过程，可为制定合理的工艺参数、减少试验

15、次数、成形高质量零件提供重要的理论指导。选择性激光熔化成形技术的应用选择性激光熔化成形技术可以直接成形金属零件，主要是生物医学零件、散热器零件、超轻结构零件、微型器件等。因此，SLM技术在薄壁零件和超轻结构零件的成形中有许多研究和应用。选择性激光熔化和热等静压复合成型技术SLM成型过程中存在残余应力，其密度仍需提高，从而影响其力学性能。为了提高成型件的综合力学性能，可以采用SLM和热等静压复合成型技术。然而，这种将激光烧结和热等静压成型相结合的金属粉末复合成型技术还不成熟，且激光烧结技术难以直接成型致密的壳体。为了解决这一问题，sLM技术可以直接形成致密的金属壳体而不是夹套，从而实现了SLM和

16、HIP的复合成型技术，为快速成型技术的应用提供了新的发展思路。选择性激光熔化技术的发展趋势目前，中国正在大力发展飞机制造业。选择性激光熔化技术在飞机零件制造中具有无可比拟的优势，不仅可以快速生产小批量飞机零件，而且在产品开发阶段大大缩短了样品的加工时间，节约了大量的开发成本。通过以上分析，可持续土地管理技术的优势总结如下：(1)计算机辅助设计模型可以直接制成终端金属产品，只需要简单的后处理或表面处理过程。(2)适用于各种复杂形状的工件，特别是不能用传统加工方法制造的复杂异形结构(如空腔和三维网格)的复杂工件。(3)可获得非平衡过饱和固溶体和均匀细小金相组织的固体，密度几乎可达100%。SLM零

17、件的机械性能等同于锻造工艺获得的机械性能。(4)采用高功率密度激光和小光斑激光束，加工出的金属零件尺寸精度高(可达0.1毫米)，表面粗糙度值好(Ra=30 um 50 um)。(5)由于激光光斑直径非常小，高熔点金属可以用较低的功率熔化，这使得用单组分金属粉末制造零件成为可能，并且可供选择的金属粉末的类型大大扩展。(6)钛粉和镍基高温合金粉末可用于解决航空航天中广泛使用的组织均匀的高温合金零件复杂零件的加工难题；它还可以解决生物医学中成分不断变化的功能梯度材料的加工问题。由于上述优点，SLM技术具有广阔的应用前景和广泛的应用领域，如机械领域中的工具和模具(微制造零件、微器件、工具嵌件、模具等)。)，生物植入部件或生物医学领域的替代部件(牙齿、椎骨等。)，电子领域中的散热装置，航空航天领域中的超轻结构部件，以及梯度功能复合部件等。特别是在航天领域，典型的多品种小