【摘要】：激光金屬直接成形技術(shù)是基于激光熔覆技術(shù)以及快速成型理論所形成的一種新型激光增材制造技術(shù)。由于其層層堆疊的制造特點可以將傳統(tǒng)的三維減材成形轉(zhuǎn)化為二維增材成形。該技術(shù)具有加工精度高、經(jīng)濟性好、建模簡單、加工周期短等優(yōu)點,具有極其廣泛的研究前景,目前已經(jīng)被列入“中國制造2025”計劃。本課題以激光增材制造核電動力系統(tǒng)凸輪軸為背景,對12CrNi2粉末激光金屬直接成形技術(shù)進行“控形”、“控性”以及應(yīng)力分析三方面的研究,獲得成形無缺陷并且性能良好的工藝參數(shù),并借助有限元技術(shù)與實際測試對其成形試件的殘余應(yīng)力分布進行分析。通過宏觀金相分析以及滲透探傷檢驗,對SUS304不銹鋼、Q460E兩種基板材料,不同轉(zhuǎn)速的送粉量,不同激光功率參數(shù)進行工藝窗口確定。在功率1300W以上獲得了無未熔合的成形試件,選用Q460E基板獲得了無裂紋的成形試件,選用8g/min的送粉量獲得較高層厚,且無缺陷的成形試件。在確定工藝窗口基礎(chǔ)上,通過ABAQUS軟件有限元分析技術(shù)對激光功率、預(yù)熱溫度、掃描速度三種參數(shù)增材成形的溫度場以及殘余應(yīng)力分布進行了數(shù)值模擬,得出了各參數(shù)對熔池最高溫度、溫度梯度、冷卻速率、殘余應(yīng)力的影響規(guī)律,并指導(dǎo)下一步試驗。在確定工藝窗口的基礎(chǔ)上各參數(shù)成形試件致密度均高于95%,隨掃描速度與激光功率增加致密度略有下降。表層組織為貝氏體、馬氏體和針狀鐵素體,里層組織為粒狀貝氏體和鐵素體。各試件強度均高于12CrNi2國家標(biāo)準(zhǔn)強度790MPa,經(jīng)綜合對比分析1400W,預(yù)熱150℃、掃描速度8mm/s為最優(yōu)佳工藝參數(shù),其抗拉強度最高,為911MPa,高出國家標(biāo)準(zhǔn)15%。各試件截面硬度分布從表層至里層有所下降,預(yù)熱300℃與掃描速度6mm/s兩種參數(shù)試件硬度下降明顯。隨激光功率增大、掃描速度降低以及預(yù)熱溫度減少,殘余應(yīng)力值有所增加,試件測試區(qū)域縱向應(yīng)力在176MPa-293MPa之間,橫向應(yīng)力在173MPa-281MPa之間。縱向應(yīng)力在后端沉積道區(qū)域拉應(yīng)力集中,橫向殘余應(yīng)力在試件沿長度方向兩側(cè)區(qū)域拉應(yīng)力集中。
【圖文】：

并使用同軸自動化送粉裝置的將瞬間被激光熔化的粉末送入熔池區(qū)域從而實現(xiàn)粉逡逑末與基板之間的結(jié)合，最后通過軌跡運動控制，形成與最終生產(chǎn)零件尺寸接近的近凈成逡逑形零件Ｍｉ。圖１．２為激光金屬直接成形的原理圖。逡逑Ｚ逡逑ｘ邐基板逡逑圖１．２激光金屬直接成形原理圖逡逑Ｆｉｇｌ邋．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｌａｓｅｒ邋ｍｅｔａｌ邋ｄｉｒｅｃｔ邋ｆｏｒｍｉｎｇ逡逑激光金屬直接成形的工藝流程如下，在建模階段先使用ＣＡＴＩＡ、Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ等ＣＡＤ逡逑軟件進行需求零件的模型設(shè)計，而后將其轉(zhuǎn)化為３Ｄ打印的標(biāo)準(zhǔn)格式ＳＴＬ文件并將原有逡逑２逡逑

逡逑度下材料的屈服強度時就會導(dǎo)致裂紋等缺陷生成［２１］。圖１．４為激光金屬直接成形試件中逡逑應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋。逡逑圖１．４激光金屬直接成形的裂紋缺陷逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｃｒａｃｋ邋ｄｅｆｅｃｔｓ邋ｉｎ邋ｌａｓｅｒ邋ｍｅｔａｌ邋ｄｉｒｅｃｔ邋ｆｏｒｍｉｎｇ逡逑針對激光金屬直接成形的殘余應(yīng)力問題，基板預(yù)熱是一種有效的應(yīng)力調(diào)控方式可以逡逑提高金屬材料對激光的吸收率、減少溫度梯度和冷卻速率，對裂紋及顯微組織都有良好逡逑的改善［２２］。應(yīng)力問題一直都是困擾激光增材技術(shù)的瓶頸問題，急需深入的對應(yīng)力應(yīng)變機逡逑制與影響規(guī)律的研究。逡逑（３）冶金缺陷逡逑激光金屬直接成形的過程中隨基板表面狀態(tài)、熔池的不穩(wěn)定波動、工藝參數(shù)搭配選逡逑取、掃描軌跡和粉末烘干程度等條件變化，會形成一些不穩(wěn)定因素導(dǎo)致增材試樣層與層逡逑之間、相鄰兩道的搭接區(qū)域、增材層與基板之間形成冶金缺陷，如層間未熔合、搭接區(qū)逡逑未熔合、氣孔、夾雜等缺陷，最后對零件整體的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，所以工藝參數(shù)的選逡逑擇極其重要。逡逑１．３激光金屬直接成形技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀逡逑激光金屬直接成形技術(shù)從上世紀(jì)８０年代初產(chǎn)生雛形，最先由美國Ｓａｎｄｉａ與美國逡逑Ｏｐｔｏｍｅｃ公司合作研發(fā)。２０１６年３月
【學(xué)位授予單位】：大連交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM623

【參考文獻】

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本文編號：2601323