金属激光直接沉积增材制造工艺研究.pdf

2023.01电子乐园271Summarize 综述1 引言随着制造业的发展，对零件精度和性能的要求越来越高，传统的加工方式已经无法满足需求。增材制造作为一种新兴的制造工艺，在适宜的工艺参数下，可以直接制造出高精度、高密度、无缺陷的金属零件，大大缩短了制造周期和成本，具有广阔的应用前景。其中，金属激光直接沉积增材制造是一种应用广泛的工艺，已经在航空、汽车、医疗等领域得到了广泛应用。2 基本背景及介绍2.1 制造业对零件精度和性能的迫切需求制造业对零件的精度和性能有着极其迫切的需求，这是因为在现代制造业中，许多产品都需要使用高精度和高性能的零件才能保证其质量和性能的稳定性。例如，在航空航天、汽车、医疗器械、电子设备等领域，都需要使用高精度的零部件来确保产品的安全、可靠和长寿命。此外，随着科技的不断进步，人们对于产品性能的要求也越来越高，这就需要制造业能够提供更加精细和高性能的零部件来满足市场的需求。而增材制造工艺的出现能够通过逐层堆叠材料来构造零件，从而突破传统制造技术的限制，制造出更为复杂、更为精密、更为高性能的零件，越来越成为工业制造的重要工具。2.2 金属激光直接沉积增材制造工艺的原理金属激光直接沉积增材制造（Laser Metal Deposition，简称 LMD）是一种先进的制造技术，它利用激光束将金属粉末直接熔化成零件形状，从而实现金属部件的快速制造。其原理是将金属粉末通过喷嘴喷射到激光束的焦点区域，激光束将金属粉末瞬间加热到熔化点以上的温度，形成熔池，通过控制激光束和工件的移动轨迹，实现金属部件逐层增材成型的过程。而金属激光直接沉积增材制造工艺可以直接将数字化三维模型转化为金属零件，一次性完成加工制造，大大提高了制造效率和精度。3 金属激光直接沉积增材制造工艺的分析通过这种技术，可以制造出高精度、复杂形状的金属零件，并且具有比传统制造工艺更高的制造效率和灵活性。该技术的研究重点包括激光熔化成形过程中的热传递、物理和化学变化、金属沉积行为以及材料性能等方面。研究结果表明，控制激光能量、扫描速度、扫描路径和粉末喷射等参数对于控制成形质量和材料性能非常关键。金属激光直接沉积增材制造工艺流程一般包括以下几个步骤。一、设计建模：根据零件的设计要求，利用计算机辅助设计软件（CAD）进行建模，生成零件的三维模型。二、切片处理：将零件模型转化为逐层增材制造所需的切片数据，切片厚度一般为几十至几百微米。三、准备工作件：将待加工的工件安装在增材制造设备的加工台上，并进行表面处理，确保其平整度和表面光洁度。四、加工过程：在设备的工作区域内，利用激光束进行金属激光直接沉积增材制造工艺研究文/黄清宇1 钟 颖2摘 要：金属激光直接沉积增材制造是一种新型的制造工艺，通过激光束在金属粉末上进行扫描熔融，逐层沉积构建出三维金属零件。本文对该技术进行了深入研究和探讨，首先对金属激光直接沉积增材制造进行基本背景及介绍，其次分析了金属激光直接沉积增材制造工艺的特点，最后总结了影响制造质量关键因素的研究分析。关键词：金属激光直接沉积；增材制造；工艺参数；关键因素电子乐园2023.01272综述 Summarize逐层增材制造，即按照预定的路径，将金属粉末喷射到激光束的焦点处熔化成固体，并逐层沉积成所需的零件形状。五、精加工处理：制造完成后，需要对零件进行精加工处理，包括去除表面多余的材料、磨光等。六、检测和测试：对零件进行检测和测试，确保其尺寸精度、机械性能等符合设计要求。4 影响制造质量关键因素的研究分析4.1 激光功率及扫描速度激光功率是指激光束单位时间内传输的能量。在金属激光直接沉积增材制造中，激光功率对打印速度和打印质量都有影响。高功率的激光能够更快地熔化金属粉末，从而提高打印速度，但同时也会引入更多的热量，使得打印出的构件存在热应力、气孔和裂纹等问题，降低打印质量。低功率的激光则需要更长时间来完成相同的打印任务，因此会降低生产效率。因此，激光功率需要在打印速度和打印质量之间进行权衡。除了影响打印速度和质量之外，激光功率还影响金属激光直接沉积增材制造的材料选择。一些高熔点的金属如钨、钼和铂，需要更高的激光功率才能完全熔化。因此，激光功率的大小直接决定了能否使用这些材料进行金属激光直接沉积增材制造。扫描速度是指激光束在工作平台上扫描的速度，通常以毫米/秒为单位。它决定了激光在打印构件时的移动速度。较高的扫描速度可以提高打印效率，但同时也会导致打印质量下降。高速扫描下的激光束熔化金属粉末的时间更短，而且激光照射的区域也更小，使得打印出现颗粒堆积、表面光滑度降低、形状变形等问题，从而影响打印质量。因此，扫描速度需要在打印效率和质量之间进行平衡。除了影响打印速度和质量之外，扫描速度还直接影响打印成本。较慢的扫描速度会导致打印时间和能耗的增加，从而增加生产成本。因此，为了在保证质量的前提下降低成本，需要选择合适的扫描速度。激光功率和扫描速度在金属激光直接沉积增材制造中具有以下特殊属性。第一、相互作用性：激光功率和扫描速度之间存在相互作用关系，调整其中一个参数会影响另一个参数的选择。因此，在进行金属激光直接沉积增材制造过程中需要综合考虑这两个参数的作用。第二、材料依赖性：不同材料需要不同的激光功率和扫描速度，因此需要针对不同的材料选择适当的参数，以获得最佳的打印效果。第三、时间依赖性：激光功率和扫描速度的选择还与打印时间有关。在生产效率和质量之间进行平衡时，需要考虑到打印时间的限制。以航空航天行业中的涡轮叶片制造为例，涡轮叶片是航空发动机中的重要部件，对发动机的性能和寿命有重要影响。传统的涡轮叶片制造工艺采用铸造和加工等传统技术，由于工艺复杂、成本高、生产周期长等问题，难以满足航空工业中对高精度、高性能、高可靠性的要求。而采用金属激光直接沉积增材制造技术，则可以将整个涡轮叶片一次性打印完成。在这个过程中，激光功率和扫描速度则起着至关重要的作用。涡轮叶片需要使用高熔点的合金材料进行制造，因此需要使用较高的激光功率来熔化材料。然而，如果激光功率过高，则容易引起颗粒堆积、热应力等问题，从而影响打印质量。因此，需要在保证材料熔化的前提下选择合适的激光功率。涡轮叶片的制造需要非常高的精度，因此需要使用较低的扫描速度来保证质量。然而，较低的扫描速度会导致打印时间和能耗的增加，从而增加生产成本。因此，在进行打印参数选择时需要在保证质量的前提下降低成本，选择适当的扫描速度。通过合适的激光功率和扫描速度的选择，可以保证涡轮叶片的打印质量和生产效率，从而实现快速、高效、精确的涡轮叶片制造。4.2 粉末质量及扩散粉末质量及扩散是影响金属激光直接沉积增材制造质量和性能的关键因素，也是当前研究的热点之一。粉末质量是指粉末的形状、大小、分布和化学成分等特性。在金属激光直接沉积增材制造过程中，粉末质量的好坏直接影响到构建件的质量和性能。高质量的粉末可以保证构建件的高密度、均匀性和机械性能等方面的优异表现。因此，粉末质量的控制是金属激光直接沉积增材制造过程中非常重要的一步。扩散是指金属激光直接沉积增材制造过程中金属粉末的熔化和凝固过程中原子扩散的行为。这种扩散现象会导致构建件的内部应力增加，从而降低了构建件的机械性能。因此，控制扩散是金属激光直接沉积增材制造过程中另一个非常重要的环节。目前，粉末质量和扩散的研究已经成为金属激光直接沉积增材制造领域内的热点问题。研究者们通过控制激光功率和扫描速度等参数来改善粉末质量和扩散行为。他们通过调整激光功率和扫描速度等参数，改变金属粉末的熔化和凝固过程中的温度和速率等因素，从而控制粉末的质量和扩散行为。粉末具有重要的物理与化学性质。物理性质：金属粉末的粒径、形态、密度、流动性等物理性质对制造过程的影响较大。粉末质量的控制可以提高金属激光直接沉积增材制造的制造效率和制品质量。化学性质：金属粉末的氧化程度、含气量等化学性质对金属激光直接沉积增材制造的过程和质量具有2023.01电子乐园273Summarize 综述重要影响。扩散性：粉末的堆积密度、表面质量、粒径分布等因素都会影响粉末在制造过程中的扩散性，进而影响到制品质量。金属激光直接沉积增材制造中的粉末质量及扩散对制造零件的质量、性能、成本等方面具有重要意义。粉末质量的好坏直接关系到制品的性能和品质。粉末质量的控制可以有效提高制品质量。例如，一些汽车制造商已经开始采用金属激光直接沉积增材制造技术制造汽车发动机零件和底盘零件。这些零件需要高强度、高耐磨性、高耐腐蚀性等特点，粉末质量的差异可能导致制品的密度、气孔率、表面光洁度等方面的差异，进而影响到零件的可靠性和寿命，而通过精确控制粉末质量及扩散，可以实现零件的高质量制造，进而提高汽车的性能和可靠性。4.3 惰性气氛保护在制造过程中，惰性气氛保护被广泛应用于保护熔池和保证粉末的质量和性能，以确保制造出高质量的零件。惰性气氛是指不与金属材料反应的气体，例如氩气、氮气、氦气等。在金属激光直接沉积增材制造过程中，惰性气氛可以通过包裹在工作区域周围的气体，形成一个惰性气氛保护区域，以保护熔池不受氧化或其他污染物质的影响。同时，惰性气氛也可以用于保证金属粉末的质量和性能。在目前的金属激光直接沉积增材制造技术中，惰性气氛保护已经成为一项基本的技术要求，被广泛应用于工业领域。惰性气氛保护可以显著提高零件的质量和性能，特别是在制造高品质、高精度和高负荷的零件方面具有重要作用。此外，惰性气体应具有良好的热传导性能和稳定性，可以帮助控制金属熔池的温度和形态，保证制造出高质量的零件。惰性气氛保护对于金属激光直接沉积增材制造具有重要意义。首先，惰性气体保护可以显著提高制品的质量和性能，特别是在制造高品质、高精度和高负荷的零件方面具有重要作用。其次，惰性气体保护可以提高金属粉末的流动性和减少粉末的氧化，从而提高制造过程的稳定性和效率。同时，惰性气氛保护还可以减少金属零件表面的氧化和其他化学反应，防止氧化层的产生和表面缺陷的出现，从而提高零件的机械性能、耐腐蚀性和耐磨性。例如在医疗领域中，金属激光直接沉积增材制造技术可以用于制造人体骨骼替代材料，比如人工关节。传统的人工关节材料，如不锈钢、钛合金和聚乙烯等，存在许多问题，如金属敏感性、腐蚀性和疲劳性等。为了解决这些问题，金属激光直接沉积增材制造技术被用来制造人工关节材料。在这个过程中，惰性气氛保护可以用于保护熔池和保证粉末质量。在使用金属激光直接沉积增材制造技术制造人工关节材料时，需要使用高品质的金属粉末。通过惰性气氛保护可以保证金属粉末的质量和性能，避免金属粉末被氧化或污染。此外，惰性气氛保护还可以防止熔池受到氧化或其他污染物质的影响，保证制造出高质量的人工关节材料。金属激光直接沉积增材制造技术在制造人工关节材料方面的应用已经得到了广泛的应用。这种技术可以根据患者的个体化需求，精确地制造出适合患者的人工关节材料，从而提高手术的成功率和患者的生活质量。在医疗领域中，金属激光直接沉积增材制造技术也可以用于制造其他医疗器械，如骨钉、骨板等，以及口腔种植体、颅骨修复等。5 结束语金属激光直接沉积增材制造工艺的应用领域广泛例如航空航天、汽车制造、医疗器械、能源等领域。未来，随着技术的不断发展和进步，该技术有望实现更高的制造效率和更大的制造尺寸，成为制造业的重要领域之一。参考文献：1 王晨光,沈显峰,王国伟,吴华玲,吴鸿飞,&王开甲等.金属面曝光选区激光熔化原理装置及试验研究.强激光与粒子束,2021(2):138144.2 杨鑫,王犇,谷文萍,张兆洋,刘世锋,&武涛.金属激光3d打印过程数值模拟应用及研究现状J.材料工程,20213 陈洁,张博弘,曹宇,刘文文,&孙兵涛.一种梯度结构高熵合金的冷轧复合激光增材制造工艺方法.CN112222413A.作者简介：黄清宇（1989）性别：男，民族：汉族，籍贯：四川成都，学历：硕士，职称：实验师，研究方向：机械自动化、数控、专创融合。钟 颖（1984）性别：男，民族：汉族，籍贯：四川成都，学历：本科，职称：助理工程师，研究方向：机械自动化、电气自动化。作者单位：1.成都工业职业技术学院；2.成都天成恒信科技有限公司