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標(biāo)題: 加工金屬不僅僅只有機(jī)床中的車(chē)鉗刨銑磨，還有…（一） [打印本頁(yè)]
作者: jiajoin 時(shí)間: 2018-3-26 16:23
標(biāo)題: 加工金屬不僅僅只有機(jī)床中的車(chē)鉗刨銑磨，還有…（一）
激光增材制造技術(shù)是一種以激光為能量源的增材制造技術(shù)，激光具有能量密度高的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)難加工金屬的制造，比如航空航天領(lǐng)域采用的鈦合金、高溫合金等，同時(shí)激光增材制造技術(shù)還具有不受零件結(jié)構(gòu)限制的優(yōu)點(diǎn)，可用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難加工以及薄壁零件的加工制造。激光增材制造技術(shù)按照其成形原理進(jìn)行分類(lèi)，最具代表性的為以粉床鋪粉為技術(shù)特征的激光選區(qū)熔化(SLM)和以同步送粉為技術(shù)特征的激光金屬直接成形(LMDF)技術(shù)。
從今天起，夾具俠將通過(guò)一系列的文章為大家闡述這兩種典型的激光增材制造技術(shù)原理與特點(diǎn)，共同探討這兩種技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。
Part1 激光金屬直接成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀
一、LMDF技術(shù)的原理與特點(diǎn)
激光金屬直接成形(LMDF)技術(shù)是利用快速原型制造的基本原理，以金屬粉末為原材料，采用高能量的激光作為能量源，按照預(yù)定的加工路徑，將同步送給的金屬粉末進(jìn)行逐層熔化，快速凝固和逐層沉積，從而實(shí)現(xiàn)金屬零件的直接制造。通常情況下，激光金屬直接成形系統(tǒng)平臺(tái)包括：激光器、CNC數(shù)控工作臺(tái)、同軸送粉噴嘴、高精度可調(diào)送粉器及其他輔助裝置。其原理如圖1所示。
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圖1 LMDF系統(tǒng)原理圖
激光金屬直接成形技術(shù)集成了激光熔覆技術(shù)和快速成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，具有以下特點(diǎn)：
①無(wú)需模具，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造，但懸臂結(jié)構(gòu)需要添加相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)。
②成形尺寸不受限制，可實(shí)現(xiàn)大尺寸零件的制造。
③可實(shí)現(xiàn)不同材料的混合加工與制造梯度材料。
④可對(duì)損傷零件實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)。
⑤成形組織均勻，具有良好的力學(xué)性能，可實(shí)現(xiàn)定向組織的制造。
二、LMDF技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
LMDF技術(shù)是在快速原型技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合同步送粉和激光熔覆技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)激光增材制造技術(shù)。LMDF技術(shù)起源于美國(guó)Sandai國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的激光近凈成形技術(shù)(LENS)，隨后在多個(gè)國(guó)際研究機(jī)構(gòu)快速發(fā)展起來(lái)，并且被賦予了很多不同的名稱(chēng)，雖然名稱(chēng)各不相同，但是技術(shù)原理卻幾乎是一致的，都是基于同步送粉和激光熔覆技術(shù)。目前，對(duì)于LMDF技術(shù)的研究主要是針對(duì)成形工藝以及成形組織性能兩方面展開(kāi)，美國(guó)的Sandai國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和Los Alomos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室針對(duì)鎳基高溫合金、不銹鋼、鈦合金等金屬材料進(jìn)行了大量的激光金屬直接成形研究，所制造的金屬零件不僅形狀復(fù)雜，且其力學(xué)性能接近甚至超過(guò)傳統(tǒng)鍛造技術(shù)制造的零件。瑞士洛桑理工學(xué)院的Kurz等深入研究了激光快速成形工藝參數(shù)對(duì)成形過(guò)程穩(wěn)定性，成形零件的精度控制，材料的顯微組織以及性能的影響，并將該技術(shù)應(yīng)用于單晶葉片的修復(fù)。
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圖2 復(fù)雜零件直接成型
我國(guó)清華大學(xué)在激光快速成形同軸送粉系統(tǒng)的研制及熔覆高度檢測(cè)及控制方面取得了研究進(jìn)展；西北工業(yè)大學(xué)通過(guò)對(duì)單層涂覆厚度、單道涂覆寬度、搭接率等主要參數(shù)進(jìn)行精確控制，獲得件內(nèi)部致密，表面質(zhì)量良好的成形件；西安交通大學(xué)研究了激光金屬直接成形DZl25L高溫合金零件過(guò)程中不同工藝參數(shù)(如激光功率、掃描速度、送粉率、Z軸提升量等)對(duì)單道熔覆層高度、寬度、寬高比和成形質(zhì)量的影響規(guī)律，并優(yōu)化了工藝參數(shù)。
三、材料與工藝
3.1：材料
對(duì)于金屬材料激光增材制造技術(shù)來(lái)說(shuō)，金屬粉末就是其原材料，金屬粉末的質(zhì)量會(huì)直接影響到成形零部件最終的質(zhì)量。然而，目前還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)為激光增材制造生產(chǎn)的金屬粉末，現(xiàn)在激光增材制造工藝所使用的金屬粉末都是之前為等離子噴涂、真空等離子噴涂和高速氧燃料火焰噴涂等熱噴涂工藝開(kāi)發(fā)的，基本都是使用霧化工藝制造。這類(lèi)金屬粉末在生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)形成一些空心顆粒，將這些空心顆粒的金屬粉末用于激光增材制造時(shí)，會(huì)導(dǎo)致在零件中出現(xiàn)孔洞、裂紋等缺陷，因此激光增材制造使用的金屬粉末將成為今后的一個(gè)研究重點(diǎn)。
3.2：工藝
雖然目前對(duì)激光增材制造的工藝展開(kāi)了大量研究，但是在零件的成形過(guò)程中依然存在許多問(wèn)題。在SLM成形過(guò)程中伴隨著復(fù)雜的物理、化學(xué)、冶金等過(guò)程，容易產(chǎn)生球化、孔隙、裂紋等缺陷，在LMDF成形過(guò)程中隨著高能激光束長(zhǎng)時(shí)間周期性劇烈加熱和冷卻、移動(dòng)熔池在池底強(qiáng)約束下的快速凝固收縮及其伴生的短時(shí)非平衡循環(huán)固態(tài)相變，會(huì)在零件內(nèi)部產(chǎn)生極大的內(nèi)應(yīng)力，容易導(dǎo)致零件嚴(yán)重變形開(kāi)裂。進(jìn)一步優(yōu)化激光增材制造技術(shù)的工藝，克服成形過(guò)程中的缺陷，加強(qiáng)對(duì)激光增材制造過(guò)程中零件內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律、變形開(kāi)裂行為及凝固組織形成規(guī)律以及內(nèi)部缺陷形成機(jī)理等關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題的研究，依然是今后的研究重點(diǎn)。
四、技術(shù)應(yīng)用
近年來(lái)，LMDF技術(shù)同樣也受到了許多國(guó)家的重視和大力發(fā)展，2013年歐洲空間局(ESA)提出了“以實(shí)現(xiàn)高技術(shù)金屬產(chǎn)品的高效生產(chǎn)與零浪費(fèi)為目標(biāo)的增材制造項(xiàng)目”(AMAZE)計(jì)劃，該計(jì)劃于2013年1月正式啟動(dòng)，匯集28家機(jī)構(gòu)來(lái)共同從事激光金屬增材制造方面的研究，其首要目標(biāo)是快速生產(chǎn)大型零缺陷增材制造金屬零件，幾乎實(shí)現(xiàn)零浪費(fèi)。
美國(guó)國(guó)防航空航天局(NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出一種新的激光金屬直接成形技術(shù)，可在一個(gè)部件上混合打印多種金屬或合金，解決了長(zhǎng)期以來(lái)飛行器尤其是航天器零部件制造中所面臨的一大難題——在同一零件的不同部位具有不同性能。
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圖3 美國(guó)NASA多種金屬混合激光成型
英國(guó)的羅·羅(Rolls·Rovce)公司計(jì)劃利用激光金屬直接成形技術(shù)，來(lái)生產(chǎn)TrentXWB一97(羅·羅研發(fā)的渦輪風(fēng)扇系列發(fā)動(dòng)機(jī))由鈦和鋁的合金構(gòu)成的前軸承座，其前軸承座包括48片機(jī)翼葉，直徑為1.5m，長(zhǎng)度為0.5m。
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圖4 直接成型引擎部件
北京航空航天大學(xué)也利用激光金屬直接成形技術(shù)制造出了大型飛機(jī)鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框。
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圖5 飛機(jī)鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框
西安交通大學(xué)在國(guó)家“973項(xiàng)目”的資助下，展開(kāi)了利用激光金屬直接成形技術(shù)制造空心渦輪葉片方面的研究，并成功制備出了具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片。
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圖6 高溫合金空心渦輪葉片
五、總結(jié)
激光增材制造帶來(lái)的改變不止于此，該技術(shù)還可以與傳統(tǒng)加工復(fù)合，例如德國(guó)DMGMORI旗下的Lasertec系列，通過(guò)整合激光增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)切削技術(shù)，不僅可以制造出傳統(tǒng)工藝難以加工的復(fù)雜形狀，還改善了激光金屬增材制造過(guò)程中存在的表面粗糙問(wèn)題，提高了零件的精度。這項(xiàng)金屬成形技術(shù)，你了解了嗎？
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作者: yangjunjie4 時(shí)間: 2018-3-26 16:29
激光熔覆，當(dāng)年我畢業(yè)設(shè)計(jì)的東西~~~沈陽(yáng)自動(dòng)化所有做那個(gè)
作者: 韓寒11 時(shí)間: 2018-3-26 22:01
德瑪吉的那臺(tái)增材制造機(jī)床，費(fèi)用可不低啊，如果增材制造的設(shè)備成本能降低的話，將來(lái)可能會(huì)對(duì)鑄造行業(yè)產(chǎn)生一定的沖擊
作者: 麥田守望者bj 時(shí)間: 2018-3-27 09:02
學(xué)習(xí)了
作者: universal 時(shí)間: 2018-3-29 10:19
只不過(guò)是3D打印的一種，還有離子束呢
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