激光选区熔化成形Ti6Al4V典型结构尺寸精度研究

论文摘要

激光选区熔化（Selective laser melting,SLM）成形技术可以制造出形状十分复杂的精密高性能金属零构件,是近年来新兴的一种近净成形的加工方法,广泛应用于航空航天、医疗器械等领域中。虽然SLM成形技术具有诸多优势,但是其成形零件的尺寸精度依然无法满足工业生产的需求,多数情况下需要后加工。目前国内外针对SLM成形尺寸精度的研究很少,而且已有的研究基本停留在实验现象层面,缺乏理论分析和支撑,无法推广应用。本论文根据SLM成形线-面-体自下而上的增材制造加工特点,对SLM成形Ti6Al4V典型结构的尺寸精度展开了系统的研究,获得了SLM成形Ti6Al4V尺寸误差产生的机制和规律,进而提出了一些提高SLM成形尺寸精度的方法。本论文的主要研究内容及获得的主要结果如下:（1）开展了SLM成形单层单道、多层单道、单层多道和多层多道下熔道宽度和表面质量的实验研究。研究发现,当固定铺粉层厚和扫描间距时,在200W400W激光功率,500mm/s2500mm/s扫描速度范围内,随着扫描速度的降低和激光功率的增加,单道熔道表面依次呈现不连续不规则、连续但是不规则、连续且规则三种形貌;熔道的表面线粗糙度减小,熔宽增加。在SLM成形垂直热循环作用下,熔宽增加,熔道表面线粗糙度增大。在SLM成形水平热循环作用下,由于热累积效应,熔宽增加,熔道连续性和规则性改善,熔道表面线粗糙度先减小后趋于稳定。在SLM成形复杂热循环作用下,熔宽增加;由于热累积和铺粉厚度随层数变化的综合作用,表面粗糙度先增大后减小最后趋于稳定。（2）系统研究了加工设备及数据前处理、加工参数和后处理对SLM成形尺寸的影响规律。研究结果表明,对于带有弧形结构的零件,数据前处理应采用0.001mm甚至更小的几何误差;而对于非弧形结构,几何误差的选取不会改变其尺寸精度和表面质量,因此建议采用大几何误差以此提高软件的运算效率。扫描速度、扫描间距和激光功率等工艺参数是影响X/Y方向成形尺寸的显著影响因素,但不是Z方向成形尺寸的显著影响因素。X/Y方向的成形尺寸随着扫描速度和扫描间距的减小、激光功率的增大而增大。当扫描速度为500mm/s、扫描间距为0.14mm和激光功率为400W时,X/Y方向最大的尺寸误差分别为417μm和420μm。当扫描速度为1500mm/s、扫描间距为0.08mm和激光功率为200W时,X/Y方向最小的尺寸误差分别为109μm和139μm。（3）根据SLM成形层层叠加的特点,建立了Z方向尺寸误差的理论模型。Z方向尺寸误差由铺粉厚度与最后一层冷却后的高度差、加工完毕后零件冷却至室温时产生的收缩以及顶表面的粗糙度三部分组成。其中顶表面的粗糙度增大Z方向尺寸,而另外两个部分减小Z方向尺寸。当零件高度达到20mm以上时,Z方向尺寸误差随高度线性增大。实验结果与理论模型预测结果吻合良好,两者之间相差在15μm范围内。（4）根据SLM成形线-面-体自下而上的增材制造特点,建立了直板、倾斜板水平方向尺寸误差和尖角角度误差的理论模型。发现直板结构X/Y方向的尺寸误差由熔道宽度和冷却收缩两部分组成。熔道宽度使成形尺寸增加,冷却收缩使成形尺寸减小。当X/Y尺寸较小时,如薄板厚度方向,其尺寸误差主要来源于熔道宽度。当X/Y尺寸较大时,如薄板长度方向,其尺寸误差除了来源于熔道宽度,冷却收缩不可忽略,甚至是主要来源。倾斜板厚度方向的尺寸误差不仅包括熔道宽度和冷却收缩,还包括悬垂效应带来的尺寸误差。直板结构和倾斜板结构的X/Y方向尺寸误差模型预测值与实际测量值之间均吻合较好,两者之间相差在20μm范围内。而无悬垂面的尖角结构,SLM成形后的角度值等于设计值。（5）X/Y方向冷却收缩包含加工过程中熔道的单边收缩Ws1、当前层加工完成后整层收缩Ws2及零件全部加工完毕后的整体冷却收缩Ws3三部分。理论上,随尺寸的增加,Ws1和Ws2先增加后趋于稳定,Ws3线性增加。但是实际中由于基板的约束,SLM成形X/Y方向的冷却收缩随尺寸增加先线性增加后趋于稳定。为了满足工程需要,本论文在大量实验数据的基础上获得了直板X/Y方向的冷却收缩计算的经验公式,并进行了实验验证,两者结果吻合良好,差值在20m范围内。（6）针对直板、倾斜板、尖角和弧形四种典型结构,分别提出了预补偿、轮廓扫描+预补偿、可变式扫描间距和铺粉层厚、轮廓+实体扫描来提高其尺寸精度的方法。本论文通过采用这些方法使得成形后的零件尺寸误差均小于±20μm,下表面粗糙度Ra从20.31μm减小到15.84μm,提高了尖角结构和弧形结构的形状精度。这些方法达到了提高SLM成形尺寸精度的目的,使得SLM成形典型结构的尺寸精度达到了标准公差数值GB/T 1800.3-1998中IT7级（基本尺寸/误差:200mm/46μm）的标准。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张珞

导师: 朱海红

关键词: 激光选区熔化成形,典型结构,尺寸精度,冷却收缩,精度控制

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,金属学及金属工艺,无线电电子学

单位: 华中科技大学

基金: 国家重点基础研究发展计划项目(973 项目):复杂形腔整体金属构件激光选区熔化 xxxxxx(NO. 613280103)

分类号: TG146.23;TN249

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004751

总页数: 138

文件大小: 12988k

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