選擇性激光燒結(jié)間接制造金屬零件研究.pdf

1、選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）技術(shù)是快速原型與制造（Rapid Prototyping & Manufacturing，RP&M）領(lǐng)域中極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。它能夠制造任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，具有其它常規(guī)制造技術(shù)不可替代的優(yōu)勢。由于金屬零件應(yīng)用領(lǐng)域廣且價(jià)值高，因而利用SLS技術(shù)制造金屬零件一直是RP&M領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來，國際上已出現(xiàn)了SLS技術(shù)制造某些合金體系零件的相關(guān)報(bào)道，但卻面臨著粉末

2、制備復(fù)雜、成本高、成分調(diào)節(jié)困難等技術(shù)難題。而且零件形坯成形機(jī)理、工藝及后處理方法的研究有待于進(jìn)一步完善，因而還無法成為復(fù)雜結(jié)構(gòu)高性能金屬零件快速制造的簡單借鑒。 針對(duì)上述背景，本研究以SLS技術(shù)間接制造金屬零件為目標(biāo)，結(jié)合粉末冶金理論方法研發(fā)了獨(dú)特的SLS用復(fù)合金屬粉末，分別對(duì)粉末的激光成形機(jī)理、工藝及形坯后處理方法、工藝進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究，并制造出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬零件和具有內(nèi)置隨形冷卻流道的注塑模具。另外，本研究還將SL

3、S技術(shù)與冷等靜壓（Cold Isostatic Pressing，CIP）和熱等靜壓(Hot Isostatic Pressing，HIP) 技術(shù)進(jìn)行復(fù)合，用于制造高致密度金屬零件，為SLS技術(shù)開辟新的發(fā)展方向。因此，本研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。 在成形理論方面：本研究應(yīng)用表面和宏觀熱力學(xué)理論，研究了高聚物/金屬復(fù)合粉末在激光作用下的成形機(jī)理，認(rèn)為高聚物在激光束的熱作用下發(fā)生熔化、流動(dòng)、潤濕、鋪展和粘結(jié)，最終達(dá)到相對(duì)低能的穩(wěn)

4、定狀態(tài)。運(yùn)用界面理論研究了環(huán)氧樹脂與金屬表面相互作用與界面演變，認(rèn)為激光作用下兩類表面通過氫鍵相結(jié)合。運(yùn)用激光與物質(zhì)作用理論，研究了粉末對(duì)激光能量的吸收規(guī)律，并提出激光掃描作用于粉末的光斑能量考察區(qū)和粘結(jié)有效區(qū)概念。 在成形材料方面：以環(huán)氧樹脂作為粘結(jié)成分，采用混合法研發(fā)了以元素粉末為配比成分的鐵合金復(fù)合粉末，并依據(jù)顆粒位置排布關(guān)系建立了高聚物含量計(jì)算方程，確定其含量為4％左右。通過燒結(jié)、浸滲和熱處理實(shí)驗(yàn)，結(jié)合材料的SEM分析和

5、機(jī)械性能結(jié)果，確定復(fù)合粉末配比為Fe8Cu4Ni0.5C，經(jīng)燒結(jié)（1200℃保溫1h）、純銅熔滲（1200℃）及熱處理（890℃淬火+200℃回火）后，該合金中含銅合金相為50％左右。合金的機(jī)械性能為：屈服強(qiáng)度483MPa，斷裂強(qiáng)度546MPa，彈性模量116GPa，延伸率<3％，布氏硬度（HB）>200。而經(jīng)過燒結(jié)（1200℃保溫1h），浸漬環(huán)氧樹脂（100℃）和固化處理（160℃保溫6h）后得到的樹脂增強(qiáng)復(fù)合材料斷裂拉伸強(qiáng)度超過90

6、MPa，硬度（HRC）介于25-35之間。 在成形工藝方面：在充分考慮激光能量傳輸特性、粉末系統(tǒng)能量吸收與耗散以及鋪粉行為的前提下，設(shè)計(jì)形坯強(qiáng)度和精度正交試驗(yàn)研究了SLS的成形工藝，得到的優(yōu)化工藝參數(shù)為：激光功率為14～15W、掃描速度為2000mm/s、掃描間距為0.1mm、切片層厚為0.1mm、預(yù)熱溫度為53℃。采用優(yōu)化的成形工藝制造的SLS零件形坯無變形，彎曲強(qiáng)度達(dá)2.42MPa，尺寸誤差<1.5％。 在注塑模具制

7、造方面：本研究應(yīng)用研發(fā)的復(fù)合金屬粉末并在優(yōu)化的成形工藝下，成形了具有內(nèi)置隨形冷卻流道的注塑模具鑲塊形坯，模具形坯經(jīng)脫脂、真空燒結(jié)和滴滲液態(tài)青銅（或浸漬環(huán)氧樹脂并固化處理），并經(jīng)簡單機(jī)加工后，基本達(dá)到注塑模具性能指標(biāo)。通過實(shí)際注射成形，獲得了較好質(zhì)量的塑料零件。 在SLS與等靜壓技術(shù)復(fù)合制造方面：本研究采用SLS技術(shù)成形零件形坯，而后分別采用CIP和HIP技術(shù)對(duì)脫脂并低溫?zé)Y(jié)的形坯進(jìn)行致密化再成形，在保持零件形狀精度的前提下，成功