选区激光熔化用TC4粉末的性能研究

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选区激光熔化技术是一种新型的精密成型技术,不仅具有成形零件复杂、加工材料范围广泛、制作周期短、材料利用率高等优点,而且能够实现数字化,智能化的制造。产品精度较高,并具有良好的物理化学性能,因而被广泛应用于航空、航天、医疗以及工业制造领域。金属粉末是该技术的重要原材料,粉末粒径分布的差异会对粉末性能,粉末与激光的相互作用以及成型质量等造成重要的影响。目前国内外还没有针对粉末粒径分布的差异与从粉末性能到成型质量之间的关系的研究,且国内外粉末的筛分配粉工作没有一套详细的理论指导。因此,针对粉末粒径分布的差异从理论和实际出发建立粉末堆积的模型,并划分不同粒径分布的方案,对不同方案中粉末性能,激光粉末相互作用,以及成型质量之间的关系进行探索,最终筛选出最适合选区激光熔化技术的粉末方案至关重要。  本文针对粉末粒径分布的差异,首先利用理想堆积理论建立了一个理想的连续粒径粉末粒径分布模型,并研究了制粉工艺和粉末粒径分布的特点。然后结合堆积理论及实际金属粉末的特点,按照平均粒径不同和粒径范围宽窄不同划分出六种不同粒径分布的粉末方案并筛分配粉。对六种方案的粉末进行粉末性能(包括流动性、松装密度),激光粉末相互作用(包括粉末对激光能量吸收率的理论模拟和实验检测)及选区激光熔化成型质量(包括致密度、表面粗糙度、尺寸精度、内部孔洞、薄壁结构等)进行了综合研究。最后对六种方案中粉末粒径分布的差异与粉末性能,激光粉末相互作用及成型质量之间的相互影响进行了对比研究。  对堆积模型的研究表明,理想情况下若要使球体颗粒的堆积达到较小的堆积孔隙率,粉末颗粒群中大颗粒要占据较大的比例,小颗粒主要填充在大颗粒的空隙中;对粉末性能的研究表明,同种粉末的流动性与平均粒径成正比,相同平均粒径下粒径范围越宽粉末的流动性越好。松装密度与流动性息息相关,若要达到较好的松装密度既要有一定的粒径范围又要有较好的流动性;对激光粉末相互作用的研究表明,钛合金粉末熔化前对激光能量的吸收达到70%以上,一定范围内颗粒对光强的吸收率与粉层孔隙率和颗粒平均粒径成反比。由于光线的多重散射作用,激光束扫射大颗粒堆积空隙处的吸收率较激光束扫射大颗粒堆积的大球上表面时大;对成型质量的研究表明,大尺寸工件成型时相对尺寸收缩率较小,一定范围内越细小的粉末越能得到较好的尺寸精度。平均粒径偏小的方案0、方案5以及方案3的粉末成型件密度较其他方案大,纵截面孔洞分布较少。综合以上分析,平均粒径越小的粉末流动性越差,很难达到较好的松装密度,但小颗粒堆积的粉层对激光能量具有较高的吸收率,最终成型的测试件具有较高的尺寸精度和上表面粗糙度;粒径范围越窄粉末流动性和松装密度相对较好,粉末对激光的吸收率没有明显的变化,但成型件致密度和表面粗糙度相对较好。  本文从选区激光熔化的特点出发,从颗粒堆积理论与粉末不同粒径分布的研究到粉体综合性能的检测,再到成型件性能的研究,得到了一系列粉末性能,激光粉末相互作用及成型质量之间关系的结论。这将给以后金属粉末的性能研究,以及工业化的筛分配粉工作提供全面的指导,并有效促进选区激光熔化技术的发展。
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