【摘要】：馬氏體時(shí)效鋼(18Ni300)是一種高強(qiáng)度鋼,經(jīng)過(guò)固溶處理和時(shí)效處理即可獲得極高的硬度,具有熱處理變形小、加工及焊接性能優(yōu)良的特點(diǎn),在精密模具、航空航天、導(dǎo)彈、飛機(jī)起落架等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。激光選區(qū)熔化技術(shù)(Selective Laser Melting,SLM)是最有發(fā)展?jié)摿Φ脑霾募夹g(shù)之一,具有成型自由度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn),使其在精密性高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的個(gè)性化、定制化功能件直接制造中得到快速應(yīng)用。SLM直接成型的馬氏體時(shí)效鋼具有微米級(jí)尺寸的細(xì)小晶粒組織,且硬度低(380HV),易于機(jī)械精密加工。因此,可以先通過(guò)SLM技術(shù)可以獲得結(jié)構(gòu)復(fù)雜的馬氏體時(shí)效鋼功能零件,然后通過(guò)機(jī)械加工提高其精度,再進(jìn)行時(shí)效處理獲得硬度高達(dá)650HV的零件。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)SLM直接成型馬氏體時(shí)效鋼缺乏系統(tǒng)性研究,對(duì)典型結(jié)構(gòu)特征及精密成型的研究較少,尚未將SLM成型高性能馬氏體時(shí)效鋼零件推向應(yīng)用。本課題基于以上現(xiàn)狀,重點(diǎn)研究SLM成型馬氏體時(shí)效鋼的基礎(chǔ)工藝、性能控制及結(jié)構(gòu)特征與精密加工,并在SLM直接成型高精度馬氏體時(shí)效鋼模具應(yīng)用上進(jìn)行了初步探索。主要內(nèi)容包括以下幾點(diǎn):(1)馬氏體時(shí)效鋼SLM成型機(jī)理與工藝研究。采用單道掃描、熔道搭接以及層間熔合實(shí)驗(yàn),歸納SLM成型馬氏體時(shí)效鋼的熔化特性、熔道及其搭接形貌與塊體性能的演變機(jī)制。以致密性為目標(biāo),采用單因素實(shí)驗(yàn)、正交實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行工藝優(yōu)化,優(yōu)化后的試樣致密度高達(dá)99.302%的零件。研究了SLM直接成型馬氏體時(shí)效鋼的顯微組織形成機(jī)制以及成型方向、傳統(tǒng)固溶處理與時(shí)效處理對(duì)微觀組織、硬度、拉伸性能及其沖擊性能的影響規(guī)律�；谝陨蠈�(shí)驗(yàn)結(jié)果,分析SLM工藝中激光與物質(zhì)的相互作用機(jī)理,討論了金屬粉末的吸熱、熔化、凝固的物理過(guò)程。(2)SLM成型馬氏體時(shí)效鋼精度優(yōu)化與車削加工。分析了SLM工藝中的數(shù)據(jù)處理、打印、后處理三個(gè)過(guò)程對(duì)精度影響的因素。采用光斑補(bǔ)償和設(shè)計(jì)補(bǔ)償方式降低數(shù)據(jù)處理及光斑尺寸對(duì)成型尺寸精度的不利影響;采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法進(jìn)行工藝優(yōu)化,優(yōu)化后獲得X方向的尺寸偏差在0.087mm以內(nèi),Y方向尺寸偏差在0.129mm以內(nèi),表面粗糙度在6.427μm以內(nèi);研究了SLM成型馬氏體時(shí)效鋼車削加工性能,致密度高有利于表面精度的提升,車削后粗糙度降低為0.98μm;車削深度、成型方向和熱處理對(duì)車削加工的粗糙度及硬度影響不大。(3)典型特征結(jié)構(gòu)成型能力。以馬氏體時(shí)效鋼復(fù)雜功能零件為藍(lán)本,提取出薄壁、間隙、圓柱方柱、圓孔方孔以及傾斜角等典型幾何特征結(jié)構(gòu),研究特征結(jié)構(gòu)的極限尺寸成型能力,發(fā)現(xiàn)成型方向和成型尺寸對(duì)成型精度影響顯著,包含懸垂區(qū)域和小尺寸結(jié)構(gòu)的成型誤差較大;評(píng)估特征結(jié)構(gòu)的表面形貌與尺寸精度,分析概括了限制特征結(jié)構(gòu)成型的約束條件,為SLM成型馬氏體時(shí)效鋼功能零件提供設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與指導(dǎo)。(4)SLM成型馬氏體時(shí)效鋼熱處理工藝與控性研究�；隈R氏體時(shí)效鋼粉末及其SLM成型件的DSC特性,設(shè)計(jì)熱處理工藝方案。由于SLM工藝的快速冷卻特性,直接成型零件由大量的馬氏體組織和少量的奧氏體組織組成,為時(shí)效處理提供了良好的基體組織�；谝陨咸攸c(diǎn),研究直接時(shí)效處理的溫度及時(shí)間對(duì)組織、物相以及力學(xué)性能的影響規(guī)律。并對(duì)固溶處理后再時(shí)效處理后的組織與性能進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)直接時(shí)效處理不僅繼承了SLM直接成型件的精細(xì)組織,而且獲得了與固溶處理后時(shí)效處理基本相同的力學(xué)性能,因此可以省略固溶處理過(guò)程而直接進(jìn)行時(shí)效處理。研究了熱處理對(duì)尺寸精度的影響,發(fā)現(xiàn)熱處理后試樣總體尺寸略微變大,直接時(shí)效后的最大膨脹率為0.18%,小于固溶處理后時(shí)效處理的最大膨脹率0.26%。(5)基于SLM的隨形冷卻通道精密模具的設(shè)計(jì)與成型研究。研究了馬氏體時(shí)效鋼SLM成型件的熱膨脹性能與導(dǎo)熱性能,不同熱處理狀態(tài)下的熱膨脹率在低溫階段基本相同,直接時(shí)效后的導(dǎo)熱系數(shù)為23.8W/m·K略低于固溶處理+時(shí)效處理后25.7W/m·K。提取了隨形冷卻通道的曲面結(jié)構(gòu)特征,成型方向?qū)νǖ赖某尚唾|(zhì)量影響較小,通道傾斜角度對(duì)成型質(zhì)量影響顯著,當(dāng)通道完全水平時(shí)形狀精度最差,變形率超過(guò)了22%。設(shè)計(jì)了隨形冷卻通道注塑模具,冷卻效率比擋板式直流道模具提高了10%左右。采用三維逆向掃描技術(shù)對(duì)SLM直接成型以及車削加工后的馬氏體時(shí)效鋼模具進(jìn)行尺寸精度研究,直接成型后的模具尺寸偏差在-0.23-+0.27mm之間,而經(jīng)過(guò)車削加工后,精度得到明顯提升,總體上尺寸偏小0.1mm。對(duì)模具車削前后以及熱處理前后的粗糙度與硬度進(jìn)行測(cè)試,車削后的粗糙度降低到1μm以下,硬度基本保持不變。
【圖文】：

圖 1-1 SLM 設(shè)備原理圖Fig.1-1 Schemiatic diagram of SLM equipmentM 采用激光作為能量源，其聚焦后的高能量密度可熔化甚至汽金屬材料[56]。這可以滿足一些極端條件的迫切需求，也為航空領(lǐng)域提供了一個(gè)制造方法的選擇。其中特殊功能結(jié)構(gòu)的特種加業(yè)技術(shù)與高技術(shù)發(fā)展有著緊密的聯(lián)系，特別是在航空航天、運(yùn)品中，為了滿足高溫、高壓、重載、高強(qiáng)度等特殊環(huán)境而設(shè)計(jì)涉及到復(fù)雜、薄壁、大型或微細(xì)結(jié)構(gòu)[57]。研究輕量化金屬鋁合的銅合金以及高強(qiáng)度的馬氏體時(shí)效鋼 SLM 成型工藝，獲得性能 SLM 技術(shù)設(shè)計(jì)具有特定功能的復(fù)雜功能件[58]，研究成型規(guī)律體時(shí)效鋼 SLM 成型工藝與性能研究

a）橫向力（FX） b）進(jìn)給力（FY） c）軸向力（FZ）圖 1-2 沿著主要方向的平均銑削力[91]Fig.1-2 Average cutting forces along the main directions1.4 SLM 成型隨形冷卻通道模具研究現(xiàn)狀由于隨形冷卻通道的模具在產(chǎn)品的制造周期、制造質(zhì)量上具有傳統(tǒng)水道模具無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，因此其設(shè)計(jì)思想出現(xiàn)較早，但是由于當(dāng)時(shí)制造工藝的限制，，多集中在冷卻系統(tǒng)的理論模擬分析與模型設(shè)計(jì)[93-95]。隨著 3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，具有隨形冷卻通道模具的成型迎來(lái)了機(jī)遇，其中的 3DP、SLS、EBM、DMLS、SLM 等技術(shù)被用來(lái)進(jìn)行模具的的成型，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始對(duì)采用 3D 打印技術(shù)直接成型隨形冷卻通道模具進(jìn)行研究。20世紀(jì) 90 年代末期，美國(guó)麻省理工學(xué)院的 Sachs 教授在 SFF 年會(huì)上首先提出了注塑模具的隨形冷卻技術(shù)，并將其作為 3D 打印技術(shù)最主要的應(yīng)用之一，并對(duì)其展開研究[96-97]。Xu[98]等人隨后在 2001 年提出了基于 3DP 技術(shù)的完整的隨形冷卻通道設(shè)計(jì)方法（圖 1-
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG665

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2703473