發(fā)布時間：2018-01-19 04:10

  本文關(guān)鍵詞： 增材制造 3D打印 激光金屬沉積 高沉積率 鎳基高溫合金 Inconel718　出處：《中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：增材制造(Additive Manufacturing,AM)技術(shù)與傳統(tǒng)去料加工不同,采用填加材料逐漸累加的方法制造3D物理實體。該技術(shù)可加工制造具有復(fù)雜幾何形狀并承受一定機械載荷的零部件,是一種“自底而上的快速“實體自由制造”(Solid Free-form Fabrication)技術(shù)。激光金屬沉積(Laser Metal Deposition,LMD)作為金屬材料增材制造技術(shù)的典型代表與快速成型同被視為金屬材料激光3D打印技術(shù)。與傳統(tǒng)的加工工藝相比,LMD工藝具有諸多優(yōu)勢,例如可以大幅度降低材料浪費、提高新產(chǎn)品開發(fā)周期、適合個性化零件生產(chǎn)等。同時,可以通過LMD對材料的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能等進行控制和設(shè)計。經(jīng)過近30年的發(fā)展,傳統(tǒng)LMD工藝已經(jīng)較為成熟,且越來越廣泛地應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶等領(lǐng)域。近年來,工業(yè)界對應(yīng)用LMD技術(shù)實現(xiàn)大尺寸零件加工生產(chǎn)的需求日益迫切。由于傳統(tǒng)LMD工藝的沉積率較低(一般不大于0.3kg/h),在面對大尺寸零件生產(chǎn)時的時間成本較高、經(jīng)濟性較期望低;而在高沉積率LMD方面的研究又明顯不足,目前仍沒有可以直接用于實際生產(chǎn)的高沉積率LMD增材制造工藝�；诖吮尘�,本文以航空航天材料鎳基高溫合金Inconel718(IN718)為主體材料,研究高沉積率LMD增材制造技術(shù)。論文首先研究開發(fā)高沉積率LMD增材制造實驗系統(tǒng)并對系統(tǒng)特性的表征及材料理化特性進行研究。在此基礎(chǔ)上,對高沉積率LMD工藝、工藝的成型特性和工藝特性控制、降低材料孔隙率的方法等進行研究。最后,研究材料的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能,對論文研究開發(fā)的高沉積率LMD工藝進行驗證的同時,考察其是否是具有實際工業(yè)應(yīng)用的潛力。論文的主要工作包括以下幾個方面:1.研究開發(fā)了高沉積率LMD增材制造實驗系統(tǒng):論文首先提出鍍層橫截面輪廓線為劣弧等若干合理假設(shè),結(jié)合LMD同軸送粉工藝機理,對高沉積率LMD的系統(tǒng)需求進行分析的基礎(chǔ)上,提出了增加LMD工藝沉積率的途徑;然后,論文提出了高沉積率LMD增材制造系統(tǒng)對送粉分系統(tǒng)、激光分系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)要求,研究開發(fā)了滿足上述相應(yīng)要求的高沉積率LMD系統(tǒng)的送粉分系統(tǒng)、激光分系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng),其中包括高沉積率LMD粉末噴頭的開發(fā)、激光光學(xué)系統(tǒng)中可變焦光學(xué)系統(tǒng)的集成、超高功率激光源及快速粉末開關(guān)的集成等;最后,論文對各分系統(tǒng)進行了系統(tǒng)集成,開發(fā)了高沉積率LMD增材制造實驗系統(tǒng),該系統(tǒng)可以實現(xiàn)激光光斑直徑3mm-9mm可變工作,且具有高靈活性、高粉末效率及高粉末利用率。2.研究了系統(tǒng)特性表征及粉末材料特性:為量化實驗環(huán)境,保證實驗的穩(wěn)定性和可重復(fù)性,論文研究了系統(tǒng)特性及IN718粉末材料特性。首先,針對送粉分系統(tǒng)和激光分系統(tǒng),論文分別研究了系統(tǒng)特性的表征方法,并對送粉分系統(tǒng)的噴粉特性和激光分系統(tǒng)的激光輸出特性進行了定性、定量分析;然后,論文對LMD系統(tǒng)的工藝氣體流量進行了矯正,同時,研究了工作區(qū)域附近的氧環(huán)境;最后,論文研究分析了粉末材料理化特性,包括粉末的化學(xué)元素組成百分比、粉末的孔隙率情況及粉末的形態(tài)學(xué)特征等。3.研究開發(fā)了高沉積率LMD工藝:基于實驗環(huán)境已量化的高沉積率LMD增材制造實驗系統(tǒng),論文研究開發(fā)了高沉積率LMD工藝,相比傳統(tǒng)同類LMD技術(shù),鍍層沉積率提高至少一個數(shù)量級。首先,論文研究了LMD工藝氣體流量的確定方法,建立了LMD工藝中主要工藝參數(shù)間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,使用該模型可以快速鎖定具有高沉積率LMD工藝能力的基礎(chǔ)參數(shù),為高沉積率工藝開發(fā)奠定了基礎(chǔ);然后,論文定義了具有明確物理含義的混合工藝參數(shù)能量質(zhì)量密度和能量面密度,并提出了應(yīng)用兩混合參數(shù)定義高沉積率LMD工藝窗口的方法;最后,論文基于理論分析和實驗,建立了沉積率約為2kg/h和沉積率約為5kg/h的兩套高沉積率LMD工藝的工藝窗口。4.研究了高沉積率LMD工藝的成型特性控制和工藝特性控制:為增加LMD工藝的靈活性,使工藝可以根據(jù)實際需要進行優(yōu)化,論文研究了高沉積率LMD主要工藝參數(shù)(激光功率、掃描速度、送粉量)對工藝成型特性及工藝特性的影響。首先,論文研究了主要工藝參數(shù)對材料孔隙率的影響,并提出了如何通過調(diào)整工藝參數(shù)對孔隙率進行控制;然后,論文研究了LMD主要工藝參數(shù)對鍍層幾何形態(tài)的影響,提出了通過調(diào)整工藝參數(shù)對高沉積率LMD鍍層幾何形態(tài)進行控制的方法,并繪制了高沉積率LMD工藝鍍層幾何形態(tài)控制圖;最后,論文研究了LMD主要工藝參數(shù)對工藝沉積率及粉末效率的影響,并提出了通過調(diào)整工藝參數(shù)對工藝沉積率及粉末效率進行控制的方法。5.研究了降低材料主要宏觀缺陷孔隙率的方法:孔隙率作為LMD工藝材料的主要宏觀缺陷,影響材料的力學(xué)性能。論文研究了主要工藝參數(shù)對材料孔隙率的影響的同時,研究了其他因素對材料孔隙率的影響,提出并證明了若干可用于降低高沉積率LMD工藝材料孔隙率的方法。論文分別對加工前粉末的干燥處理、粉末的標稱顆粒尺度、粉末的圓度及工藝保護氣強度等影響材料孔隙率的因素進行了研究。6.研究分析了高沉積率LMD材料微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能:首先,利用論文開發(fā)的沉積率約為2kg/h的高沉積率LMD工藝,加工制造了可用于制備拉伸式樣的3D物理實體;然后,對高沉積率LMD加工的IN718材料的微觀結(jié)構(gòu)進行了分析;接著,論文參考AMS(航空航天材料標準)標準對材料進行了熱處理,研究了熱處理對材料微觀結(jié)構(gòu)的影響;最后,論文對熱處理前后材料的力學(xué)性能,包括材料的硬度、抗拉伸性能、延展性等進行了分析與研究。結(jié)果表明,論文開發(fā)的高沉積率LMD工藝加工制造的IN718材料3D物理實體經(jīng)熱處理后,其抗拉強度、延展性等力學(xué)性能指標優(yōu)于AMS對傳統(tǒng)制造工藝如鑄造、鍛造等對IN718材料力學(xué)特性的要求。
[Abstract]:In recent years , the research and development of LMD technology has many advantages , such as greatly reducing material waste , improving the development cycle of new products , and decreasing the porosity of material . The paper studies the characterization of LMD process with high deposition rate , and establishes a mathematical model for the high deposition rate LMD process . In this paper , the influence of the main technological parameters on the porosity of the material is studied . The influence of other factors on the porosity of the material is studied .

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG665;TG132.3

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本文編號：1442554