激光快速成形在金属材料中的应用研究.pdf

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1、钐论坛嘲uM应用研究张立波，张立武。吴军(西安航天动力机械厂，西安710025)【摘要】叙述了激光快速成形技术的基本原理，详细介绍了激光快速成形技术在几种典型金属中的研究进展及应用现状，展望了激光快速成形技术的发展趋势。总体来看，该技术在研究与实际应用方面均取得了重大突破，但国内较国外还有一定差距。关键词：激光快速成形；金属材料；应用现状Dol：10．16080巧．issnl67l一833x．2016．12．056张立波毕业于航天动力技术研究院。现就职于西安航天动力机械厂，主要从事材料成形及控制研究工作。激光快速成形(激光立体成形)技术最早产生于20世纪90年代

2、初，该技术通过高能激光束将金属表面局部快速熔化，形成熔池，从而实现金属原料与基体原子尺度的结合，能够完成复杂金属构件的快速、无模具、近净成形。激光快速成形具有快56航空制造技术·2016年第12期速凝固特征，使得制造出的金属构件枝晶组织细密，性能优良，其性能指标可与锻件相当⋯。激光快速成形满足了材料加工技术追求短流程、低能耗、高柔性、环境友好、成形与组织性能控制一体化等主要需求旺l，因而在各种金属材料研究应用中倍受关注。激光快速成形金属材料的研究激光快速成形技术自身具有很多优点，例如适用材料广泛，凝固组织致密，高能量密度等，这些优点有利于材料各方面性能的大幅提高

3、，因此制造出来的零件性能高于铸件水平，与锻件相当口1。从20世纪90年代起，世界各国研究机构相继对多种金属材料进行了激光快速成形的设计和开发。本文主要介绍近些年国内外学者对不同金属材料所进行的探索与研究。1钛合金钛合金比强度高、耐腐蚀、热强性好，在航空航天等领域应用广泛。常规加工方式成形精度高、形状复杂的钛合金零件有很大难度，激光快速成形技术的发展开辟了钛合金成形新思路，拓展了钛合金的应用空间。美国的Sandia国家实验室最早开发了LENS激光快速成形技术，通过对钛合金的大量快速成形试验，制造出了形状复杂的钛合金零件，且力学性能与传统零件相比有显著提高。Areo

4、Met公司成立于1997年，在短短的几年内，其激光快速成形钛合金(Ti一6Al一4V)技术已经达到实际应用阶段【4】。在与滨州大学、约翰·霍普金斯大学共同开发“钛合金的柔性制造”的基础上，MTS公司发展了LasformTM技术，力求实现高性能大体积钛合金零件尤其是大型整体带筋加强结构零件的成形制造。继国外开始激光快速成形研究不到20年，国内学者也意识到该技术的巨大发展前景。1995年，西北工业大学的黄卫东教授首先提出了激光快速成形的技术构想，并于1997年依附于凝固技术国家重点实验室对该技术进行了系统的试验研究15】，材料涉及TC4、TCll、TC2l等钛合金型

5、号及其他多种金属材料，研究内容包涵材料工艺参数选择、组织演化规律、力学性能、裂纹形成机理以及成形件热处理方面【6】。北京航空航天大学在王华明教授带领的团队努力下，成立了激光材料成形与制备实验室，在“十五”和“十一五”期间解决了大型钛合金成立构件在变形和开裂方面的技术难题，开发出钛合金激光快速成形工艺，引进成套工艺设备，突破了工程化应用的关键技术州。北京有色金属研究总院嘲也于1998年在LENS原理的基础上开展了激光快速成形工艺的研究，主要内容为TC4等钛合金力学性能19】。2不锈钢国内对激光快速成形铁镍系合金进行了广泛的研究工作，其中以316L不锈钢的研究最为全

6、面细致。顾冬冬等¨哪通过金属激光烧结的方法对316L不锈钢进行了一系列烧结试验，在试验中发现316L不锈钢在激光的直接作用下容易产生球化现象，适当减小激光功率或者提高扫描速度时，316L不锈钢粉末的球化效应可以在一定程度上减小。陈静【l”等为了研究316L不锈钢熔覆层在成形过程中的热裂机理，进行了激光快速成形裂纹试验，结果发现，在熔覆组织凝固过程中，晶界处的残余液相受到拉伸应力的作用，导致液膜分离，最终导致了熔覆层裂纹的产生。张永忠”21等采用激光快速成形技术制备出致密无缺陷的316L不锈钢试样(图1)，成形参数为：激光功率600w，送粉速率7．29／min，运

7、动I。I)1n

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9、j：lt-J平fi1二十I描力‘向丛f扛基体图1激光快速成形316L不锈钢组织Fig．1MicrOstructu怕of316Lsta．nlesssteeIbylaserrapidfOrming速度3mm／S。通过对其组织和力学性能的分析测试，最大抗拉强度可达694MPa，延伸率40％，得出激光快速成形316L不锈钢试样的力学性能高于对应的铸态和锻造退火态组织，可以满足直接使用要求。杨健【13l则利用钻孔试验的方法，对激光陕速成形316L不锈钢薄板的二维残余应力分布情况进行了研究，并进一步绘制出了二维薄板的应力分布曲线。3

10、高温合金高温合金具有耐高