金属激光直接成形最佳搭接率计算及试验验证

为了提高金属激光直接成形零件的表面平整度，建立了搭接率数学模型，对最佳搭接率进行了理论求解、结果表明，最佳搭接率不受成形件特征尺寸的影响，即无论其它工艺参数如何设定，采用33.3%的搭接率均能得到理想的表面平整度.为了对理论模型进行验证，利用单因素的试验方法进行了12组不同搭接率试验，在显微镜下测量得到不同搭接率对于成形件表面平整度的影响.试验结果充分说明了理论模型的正确性，并发现搭接率在30%-45%时，成形件表面平整度均较为理想，因此在实际的金属激光直接成形过程中，可以根据具体的加工情况在该范围内灵活设定搭接率.

激光金属直接成形中形貌自稳定效应的研究

为了在开环控制条件下直接制备出表面平整的薄壁零件,针对同轴送粉条件下粉末离焦对单道熔覆层厚度的影响,建立了理论模型,分析了成形表面出现的凹凸不平现象,对激光离焦和粉末离焦对单道熔覆层形貌的影响进行了实验研究.研究表明,激光离焦主要影响单道熔覆层的宽度,而粉末离焦主要影响单道熔覆层的厚度.在粉末负离焦条件下,激光金属直接成形过程具有形貌自稳定效应,能消除成形层的凹凸现象,从而制造出成形表面平整的薄壁零件样件.由于计算结果与实验结果的趋势能保持一致,形貌自稳定效应能够提高开环系统下薄壁零件的制造精度,因此具有实际的应用价值.

激光不同的波形对金属直接成形精度的影响

针对激光金属直接成形工艺中的小特征尺寸制造问题,采用数值模拟和工艺实验相结合的方法,研究了激光波形对激光金属直接成形精度的影响。研究结果表明,与连续波相比,方波和正弦波加载时具有较快的加热和冷却速度,尤其是方波,能使熔池中心具有很大的温度梯度,在平均输出功率相同的条件下,方波和正弦波能够使熔池中心达到更高的温度。同样的激光熔覆,利用方波只需要较小的平均输出功率,不但减小了热量输入,同时也减小了激光加工过程中的热影响区域。薄壁零件成形优化过程中,利用方波加载能获得最小特征尺寸的薄壁,达到提高零件成形精度的目的。

激光直接快速成形金属零件机理及特征的理论研究

分析了双组元金属粉末的激光直接快速成形金属零件的机理,阐述了烧结成形过程中的一些基本特征,主要包括翘曲变形、球化效应和裂纹。从理论上讨论了激光参数、工艺参数、材料特性、烧结气氛等对成形件质量的影响。

钛合金激光直接成形过程中热力耦合场的数值模拟

为控制成形过程的热应力,根据有限元法中的生死单元技术,利用ANSYS参数化设计语言编程实现对多道多层激光金属沉积成形过程三维温度场和应力场的数值模拟,并对熔池与粉末、激光与粉末的相互作用进行能量补偿,更加准确地计算成形过程中温度场和应力场的动态变化,得到成形过程中模型温度场、温度梯度、热应力场和残余应力的分布规律。结果表明,成形件不同层上的各节点虽然被激活的时间不一样,但它们具有相似的温度变化规律;试样内的温度梯度主要沿z轴方向分布,熔池区的温度梯度非常大,但其他方向不明显;瞬态热应力集中在温度梯度变化较大的区域,这与热应力形成的机理是一致的;通过对成形件中各方向的残余应力分析,从温度梯度的角度总结各方向残余应力变化规律,侧面验证残余应力的形成机理。通过相同工艺参数下的试验验证,证明上述分析与实际情况是基本吻合的。

激光金属直接成形Ti6Al4V-CoCrMo梯度材料开裂研究

激光金属直接成形制备了CoCrMo体积分数分别为10%、20%、30%变化的Ti6Al4V-CoCrMo梯度材料实体件,CoCrMo体积分数为10%的组分未开裂,而20%、30%的组分开裂严重。从断口形貌、组织和残余应力三方面对开裂现象进行了深入研究。结果表明:CoCrMo体积分数为20%、30%组分的开裂是冷裂,断口呈现准解理特征,裂纹穿晶扩展。开裂的原因主要是Ti6Al4V与CoCrMo形成了有限固溶体,脆性倾向增加;随着CoCrMo含量的增加,梯度材料的组织结构发生了显著变化,析出的CoCrMo呈网状包络Ti6Al4V-CoCrMo固溶体,不仅容易出现应力集中,形成裂纹源,而且两者间热物性参数不匹配,增大了内应力。

激光金属直接成形DZ125L高温合金零件工艺的研究

为了获得表面平整的薄壁零件,针对DZ125L高温合金材料,采用不同工艺参数组合进行了激光金属直接成形(LMDF)单道熔覆实验,系统研究了不同工艺参数(如激光功率、扫描速度、送粉率、Z轴提升量等)对单道熔覆层高度、宽度、宽高比和成形质量的影响规律,并优化了工艺参数。提出了一种三维表征单道熔覆层能量密度的新方法,推导出了相应的计算公式,从宽高比、稀释率和能量密度3个方面阐述了获得良好熔覆层和其成形工艺参数之间的相互匹配关系,为进一步根据设计的熔覆层尺寸来确定工艺参数提供了依据。实验结果表明,采用优化后的工艺参数成形出的薄壁零件质量明显提高,表面平整,无宏观缺陷。

激光增材制造技术的研究现状及发展趋势

增材制造技术能够快速将复杂结构的三维数据模型直接转化为实体零部件,是一种快速发展的数字化制造技术。激光增材制造技术是增材制造技术中最具代表性的一类,在增材制造技术领域扮演着重要的角色。主要介绍了两种典型的激光增材制造技术:激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术和激光金属直接成形(Laser Metal Direct Forming,LMDF)技术的原理与特点,归纳了其发展和研究现状,指出了激光增材制造技术的发展趋势。

液氩冷却对316L激光金属直接成形零件组织和显微硬度的影响

在激光金属直接成形过程中,为了使熔池在凝固时始终保持合理的温度梯度从而使成形件内部柱状晶组织自基板起从下到上延续生长,在成形316 L实体墙过程中采用液氩喷射冷却的方法降低成形件的温度;分析了液氩喷射冷却对实体墙金相组织和显微硬度的影响。结果显示,采用液氩喷射冷却能有效缓解激光金属直接成形过程中成形件内部的热积累现象,使柱状晶组织在实体墙内部从基板开始从下到上延续生长,一次枝晶间距最大处约为12μm,并且提高了实体墙零件的显微硬度值。

个性化钛合金假体的激光金属直接成形制造工艺

将激光金属直接成形技术应用于个性化钛合金假体的制造,能根据假体的三维模型直接制造出相应的零件,具有制造过程周期短和加工出的个性化假体力学性能好的优点。通过研究激光金属直接成形的曲率效应和倾斜角度对几何精度的影响,为激光金属直接成形的工艺模型设计准则提供参考,使假体成形件具有较高的精度。制造出的个性化假体的力学性能和化学成分经过检测,均符合假体的相关国家和医药行业标准,有两例个性化钛合金假体已经成功应用于临床并取得良好的效果。

激光金属直接成形工艺参数对形貌自愈合能力的影响

"形貌自愈合效应"是激光金属直接成形(LMDF)过程中的一个重要现象,在开环控制条件下对提高零件成形精度具有重要作用。为了分析不同材料的形貌自愈合能力,探寻主要影响因素,以指导制定合理成形工艺、提高成形精度,通过正交实验方法,在具有"凸起"特征的基板上,采用激光金属直接成形技术获得了多组单道薄壁试样,分析工艺参数对试样尺寸的影响规律。对316 L不锈钢的实验结果表明,激光金属直接成形中不同工艺参数对其形貌自愈合能力的影响有显著差别,其中扫描速度是主要影响因素,其次为激光功率,最后为送粉量。当优化的激光功率、扫描速度、送粉量分别为240 W6、.0 mm/s、7.3 g/min时,可以显著提高316 L不锈钢形貌自愈合能力,其最大愈合高度超过1.54 mm、愈合速率为每层0.038 mm。

激光金属直接成形DZ125L高温合金柱状晶连续生长的数值模拟与实验研究

采用"生死单元"技术模拟了激光金属直接成形DZ125L单层单道和单层两道试样时扫描单元内部温度场的分布情况,分析了熔池温度梯度的分布与试样内部金相组织演变的关系并进行了实验验证。结果表明,成形单层单道试样时,柱状晶能够从基材连续向上生长,熔池中间部位柱状晶连续生长得最高,并且熔池顶部容易形成等轴晶;成形单层两道试样时,扫描方式与搭接率对温度场分布及金相组织的转变影响较大,往复扫描方式下搭接区容易产生转向枝晶,搭接率过小会严重影响两道搭接处柱状晶的连续生长。模拟结果和实验结果吻合得较好。

方波参数对激光金属直接成形特征尺寸的影响

针对激光金属直接成形过程中的特征尺寸问题,采用ANSYS有限元分析软件,对方波作用模式下的激光熔池温度场进行了模拟分析。结果表明,在平均输出功率一定的情况下,熔池作用尺寸范围随着方波作用时间的减小而增大,而在光斑重叠率足够大的情况下,改变重复频率对熔池作用尺寸范围影响较小;在其它参数一定的情况下,熔池作用尺寸范围随着平均功率的降低而减小。结合模拟分析,设置相应的实验方案对方波作用下的各参数对金属直接成形特征尺寸进行了分析,实验结果变化规律与计算结果吻合。利用方波,成形出了具有小特征尺寸的薄壁零件。

基于Logistic回归模型的钛合金件激光直接成形工艺参数分析

如果使用激光金属直接成形方法制备金属零件时,能够通过最优的工艺参数来有效地控制金属成形件内部的不同区域及成形件与基板间的温度梯度和能量分布,使成形件内部产生缺陷的几率减小,会极大地提升成形件的力学性能。针对激光金属直接成形方法制备金属零件内部是否存在缺陷的二分类问题,通过使用正交旋转实验设计的方法进行工艺实验,得到不同参数下的钛合金激光金属直接成形试样是否存在内部缺陷情况。对实验结果进行Logistic回归建模,使用Logistic回归模型计算的工艺参数进行验证实验,样件内部未发现内部缺陷,说明Logistic回归模型结果与实际结果有较高的一致性。Logistic回归模型对激光金属直接成形工艺参数的选择具有积极的指导意义。

扫描方式对激光直接成形过程中热力耦合场与残余应力分布的影响

利用有限元中的"单元生死"技术,通过ANSYS参数化设计语言(APDL)编程研究了长边扫描、短边扫描以及交错扫描方式对成形过程的热力耦合场以及残余应力分布的影响,并详细分析了各种扫描方式下,所选节点温度和热应力随时间的变化规律及残余应力沿各方向的分布规律。在与模拟过程相同条件下,实际成形实验所得结果与模拟结果吻合较好。

保护气压力对光内送粉喷嘴粉末流场的影响研究

为了提高激光金属直接成形中光内同轴送粉喷嘴粉末流场的汇聚性，获得大的聚焦焦距、小的聚焦直径及小的发散角，对卸载及载气两种方式下不同保护气压力对粉末流聚焦参数的影响规律进行了实验研究。结果表明：在卸载方式下，随保护气体压力逐渐增大，粉末聚焦焦距逐渐增大，粉末聚焦直径变小，发散角减小，粉末汇聚效果变好；在载气方式下，随保护气体压力逐渐增大，粉末聚焦焦距先增大后减小，聚焦直径逐渐变小，发散角逐渐降低。因此，在载气方式下应选择保护气压力与载气压力大小接近为宜。研究结果对光内送粉激光金属直接成形工艺优化具有指导意义。