激光直接成形金属零件的工艺

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激光多层（或称三维/立体）熔覆直接快速成形技术是在80年代末期出现的快速原型技术的基础上结合同步送料激光熔覆技术所发展起来的一项先进制造技术，它利用高能激光束局部熔化金属表面形成熔池，同时将金属原材料同步送入熔池而形成与基体金属冶金结合且稀释率很低的新金属层，加工过程中采用数控系统控制工作台根据CAD模型给定的路径往复扫描，便可在沉积基板上逐线、逐层地熔覆堆积出任意形状的功能性三维金属实体零件或仅需少量精加工的近形件，其实质是计算机控制下的三维激光熔覆。它的出现给装备制造业带来了全新的技术理念。该技术融合了CAD、激光加工、材料科学、数控加工等相关领域的关键技术，以“离散+堆积”为成形理念，能够在无工模具的情况下由计算机驱动直接沉积成形金属零件，因此，在很大程度上节省了制造周期和开销。应该说，激光熔覆直接快速制造技术是快速成形技术的进一步发展，它将现有的快速成形技术推进到直接成形全密度高强度功能性金属零件的新高度，是快速成形基本原理和激光加工技术精华的集成。主要工作就是研究如何利用激光直接成形技术成形高质量的金属零件，具体的研究内容如下： 1. 介绍激光熔覆直接快速成形技术的原理和特点，综合阐述国内外相关技术的研究进展，并分析和总结归纳该技术存在的问题，最后结合该技术的应用前景和研究背景，给出本学位论文的选题意义和主要研究内容。 2. 针对金属零件直接快速成形的特点，自主设计、开发了金属零件激光直接成形系统。成形系统结构完整、功能完善、可靠性高，可以加工成形全密度金属功能近形零件。系统阐述金属零件激光成形系统的各个组成模块，各组成模块系统在工控计算机的统一指令下完成协同运动，实现自动化程度较高的金属零件激光熔覆直接成形全部过程，从而制造出全密度金属功能近形零件。 3. 研究各工艺参数对成形件形状、质量和精度的影响规律，如激光功率、扫描速度、送粉速率、光斑尺寸等对单层熔覆厚度、单道熔覆宽度等成形特征的影响，以及搭接率对成形表面平整度的影响等。通过分析影响零件精度的因素和比较实验结果，确定合理的工艺参数，并由此加工成形具有一定复杂形状的金属零件。在全面的成形工艺研究的基础上，进一步研究工艺参数的变化对成形件内部凝固组织和总体机械性能的影响关系，如各工艺参数对凝固组织的生长方式、特征尺度、重熔深度以及硬度、强度、塑性等机械性能的影响，并结合快速凝固理论对这一过程中出现的现象进行解释和验证。具体的实验操作包括：利用扫描电镜分析成形试件熔覆层的显微组织特征；使用X-射线衍射仪测定熔覆层的物相分布；利用能谱仪分析熔覆层合金元素的化学成分偏析情况；使用硬度计对熔覆层的硬度分布进行测试和分析；并制备拉伸试样测试力学性能，采用扫描电镜分析断口形貌。 4. 搭建温度场测量系统，对激光直接快速成形过程的温度场变化采用热电偶进行测量，为该过程温度场的数值计算提供较为准确的边界条件；此外，还可以通过实测温度场来检验和校正数值模型的正确性与可靠性；通过监测成形过程温度场来实时反馈调整激光功率等工艺参数。