TiNi合金选区激光熔化快速成型工艺研究

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选区激光熔化(SLM-Selective laser melting)是一种近十年来发展起来的快速原型(RP-Rapid Prototyping)技术,它从CAD原型出发,利用直径为几十微米的高功率密度聚焦激光束,把金属或合金粉术逐层选区熔化。相对于其它快速原型技术而言,该技术能一步加工出具有冶金结合,相对密度接近100%,具有复杂结构、高的尺寸精度及好的表面粗糙度的金属零件。 本文从激光与材料的相互作用出发,分析了SLM成型机理,讨论了粉末材料特性(包括液相表面张力,吸收率与反射率,粉末颗粒形状、尺寸及分布,导热率等)对成型过程的影响。针对成型材料设计了两种气体保护装置,并对激光光路进行了改进,由前聚焦改进为后聚焦。 选用适用于医学植入体的Ti-Ni合金材料进行了选区激光熔化成型实验研究。文章讨论了扫描速度、铺粉厚度、激光功率、扫描方式、扫描间距等加工参数对成型致密性及成型精度的影响。研究表明:合适TiNi合金粉末和Ti、Ni混合粉末的SLM工艺条件为激光功率100W,扫描速度0.088m/s,铺粉厚度80-100μm,扫描间距45μm。 对TiNi合会粉末和Ti、Ni混合粉术成型试样进行物相分析和显微组织分析,结果表明:TiNi合金粉末成型试样的组成相为单斜晶系的TiNi相和立方晶系的TiNi相;Ti、Ni混合粉末成型试样的组成相为单斜晶系的TiNi相、立方晶系的TiNi相和面心立方晶系的NiTi2。成型试样达到完全的冶金结合,内部主要由少量的枝晶和大量的等轴晶两种组织构成,其分布取决于扫描方式、扫描速度、激光功率等参数。 文章最后分析了成型件缺陷的产生原因及防止措施,主要包括裂纹和翘曲变形。裂纹主要由结晶裂纹和高温低塑性裂纹形成,通过降低成型件表面拉应力和优化工艺参数可以降低或防止裂纹的产生。翘曲主要由材料的收缩引起的,通过预热粉末和基体,优化工艺,选用合适的扫描方式可以降低翘曲变形。
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