选区激光熔覆材料及应用的评论外文翻译资料

英语原文共 22 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

选区激光熔覆材料及应用的评论

作者：C.Y.Ya p ,^1,2,a)C. K.Chua,^1,b)Z. L.Dong,^3,c)Z. H.Liu,^1,d)D. Q.Zhang,^1,e)L. E.Loh,^1,f)和S. L.Sing^1,g)。

文献期刊日期：投稿日期2015年7月14日，收录日期2015年10月23日，在线出版日期2015年12月9日。

摘要：选择性激光熔化（SLM）是一种特殊的设计使用高能量密度激光熔化合金粉末的快速成型技术，3D打印，增材制造技术。一个组件是由选区熔化和熔化层内和层间粉末形成。SLM技术通常也被称为直接选择性激光烧结，激光聚焦，和直接金属激光烧结。而且这种技术已经被证实可生产近净形配件。这使得这种成型技术能够生产近乎满致密度的功能部件并具有可观的经济效益。近期光纤和高能密度激光的发展也使得SLM技术能够生产各种不同的合金材料，例如铜，铝，钨等。同样，这也开辟了SLM在陶瓷和复合材料方面的研究机会。本综述展示了SLM过程和这种增材制造技术的一些常见物理现象。它主要聚焦在以下的领域：（a）SLM制造材料的应用（b）SLM部件在研究报道中已达到的力学性能。本综述论并不在于给SLM过程的能力设置上限而是使读者能够对发展到目前的SLM过程所制造的材料的性能有个概观。在最后一个章节阐述了SLM的研究趋势。

目录

1．介绍

1.1选区激光熔覆的背景

1.2适用范围

2.SLM中的物理现象

2.1激光与物质相互作用

2.2球化

2.3热波动及其影响

3.SLM中的金属及其应用

3.1钢和铁基合金

3.1.1应用

3.1.2性能

3.2钛及其合金

3.2.1应用

3.2.2性能

3.3镍及镍基合金

3.3.1应用

3.3.2性能

3.4其他金属

3.4.1应用

3.4.2性能

3.4.2.1显微硬度

4.陶瓷

4.1应用

4.1.1医疗及牙科应用

4.2性能

4.2.1相对密度

4.2.2抗压强度

4.2.3表面粗糙度

5.复合材料

5.1应用

5.1.1医学植入材料

5.1.2航空航天及汽车行业

5.1.3其他应用

5.2性能

5.2.1相对密度

5.2.2抗压强度

5.2.3显微硬度和磨损率

6.总结及研究趋势

1．介绍

1.1选区激光熔覆的背景

选区激光熔覆是一种增材制造技术，由F amp; S Stereolithographietechnik公司的M. Fockele 博士和D.Schwarze博士以及Fraunhofer ILT的W. Meiners博士, K. Wissenbach博士和G. Andres博士共同研发来用合金粉末生产金属制品的。它是一种粉末床融合过程，采用高强度激光作为能量来源，根据计算机辅助设计（CAD）的数据，一层一层地熔化和融合选区的粉末。这项技术的专利是1997年首次申请于德国专利和商标办公室，并在1998年发表。2011年，专利也被Das 和 Beaman在直接性激光烧结（SLS）方面的开创性工作所发展。

SLM过程由一系列步骤组成，从CAD数据准备到平台建设去除制作部件的步骤。在CAD数据上传到生产部件的SLM机器上之前，标准模板库（STL）的文件就已经被如Magics这样的软件处理过以便提供任何突出部位的支撑结构和产生单层激光扫描的片层数据。构建过程开始于在生产室的基板上放置一层薄薄的金属粉末。在粉末放置好之后，根据生产数据，高能量密度激光被用来熔化和融合选择的区域。一旦激光扫描过程完成，平台将会被降低，一个新的粉末层会放置在上面然后激光扫描新的表层。然后这个过程将在连续的粉末层上重复，直到需要的工件完全成型。如激光功率，扫描速度，扫描间距和铺粉厚度都被调整了以便单道熔化激光束能和旁边的激光束和上一层完全融合。一旦激光扫描过程完成，松散的粉末就会从生产室移除并且工件可以手动或者通过电火花加工从基板上分离下来。而且从数据准备到从生产台上移除制造件整个过程是全自动的。表一展示了SLM生产过程的相关流程。

在SLM过程中，生产室经常被充满氮气或者氩气来提供一个惰性气体环境保护加热的金属工件不被氧化。此外，一些SLM仪器还可以给基板或者整个生产室预加热。铺粉厚度一般在20到100微米。这个选择可以使高分辨率和保持好的粉末流动性之间保持平衡。大颗粒粉末会带来低分辨率和差的建造耐受性，然而小颗粒粉末由于范德华力易于团聚，导致粉末流动性差因此粉末铺陈较差。

在一些文献中表明，除了部件的移除和基板的支撑。SLM能够在不需要预处理的情况下完全熔化粉末材料，生产出完全致密的净成型工件。这使得SLM相较于SLS是一种更加优越的增材制造技术，SLS是通过固态烧结或者粘结剂来使粉末材料融合，导致部件孔隙率高而强度低。像热处理和材料熔渗这种后处理需要用来改善SLS制造工件，既耗时又明显拉长了生产过程。在SLM过程中，通过使用高强激光粉末可完全熔化且不需要粘结剂，去除了上述的后处理步骤的需要。当前的SLM技术相比于以粘结剂为基础的激光烧结增材制造过程改善了产品质量，生产时间和制程可靠性。

除了直接成型，SLM也适用于在执行维修损坏部件上。Georgia Tech的直接数字生产实验室已经发展了扫描激光外延技术（SLE）来对如CMSX-4,Rene 80,和IN100一些镍基合金的增材修复。SLE需要少量粉末来修复，只要覆盖损失工件表面粉末厚度达到2毫米就够了。然后一个高能激光器用于熔化粉末材料，覆盖住损伤工件中的裂缝和空隙。

其他一些增材制造技术，如激光切工和直接金属激光烧结，本质上和SLM是一样的。为保证本期评论重点突出，生产过程包括完整的激光熔化粉床的出版物都将包含且SLM这个术语会被用来表示这些过程。

1.2适用范围

本综述首先展示了一些SLM相关文献中提及的常见物理现象。第2节到第5节是根据使用的材料组织的，主要是金属，陶瓷和复合材料。在金属的范畴下，材料进一步分为不锈钢及铁基合金，钛及其合金，镍及镍基合金和其他材料。

在每个材料组中，SLM材料的应用都很详尽。而且，最高相对密度，最高强度，最大硬度，最低表面粗糙度均已实现且被编辑制成表格以便读者可快速轻松对比。SLM部件经常被检测相对密度来判断组件中所有粉末是否完全熔化。强度和硬度是判定SLM部件相较于铸造零件适合各种应用的基本材料性能。表面粗糙度决定是否需要如打磨和抛光等后处理。然而，有必要说明一下这些数值并不是展现这个技术的极限。相反，他们是用来展示SLM过程的研究水平。第6节阐明了SLM的研究趋势及未来展望。

2.SLM中的物理现象

SLM在得到目标工件过程包含用激光束加热和熔化粉末材料以及熔化材料的快速固化。有几个物理现象对这个过程至关重要，如粉末材料对激光辐照的吸收率，球化现象对连续熔化的破坏，过程中的热波动可导致裂缝形成和工件失效。在本节中，SLM这些方面的调查研究展示聚焦在SLM中的物理现象。关于SLM的模拟和数值分析超出了本文的范围。

2.1激光与材料的相互作用

SLM设计意图加热和熔化金属材料。SLM激光系统是由CO₂激光发展而来，从选择性激光烧结过程改进到Nd系YAG纤维激光随后又改进承Yb系YAG纤维激光。这是因为金属粉末对这样的红外波长区域的激光有更高的吸收率。而且，与通常使用的Nd:YAG晶体相比，Yb：YAG晶体拥有更大的吸收频带宽度减小了对二极管激光的热管理需求，一个更长的高能态寿命和单位泵功率更低的热负载。Yb：YAG有望取代Nd：YAG晶体用于高能二极管泵浦激光和其他可能的应用。激光技术的进步将会继续给SLM过程带来更高的能量效率。

在SLM中，激光功率，扫描速度，扫描间距和铺粉厚度是优化过程中调整的一些基本参数。表二提供了这些工艺参数在SLM中研究的基本情况。和粉末对激光辐照的吸收率一样，这些参数影响着可通过加热和熔化粉末获得的体能量密度。当加热和熔化发生时，热容和相变潜热必须考虑在内。这些都主要取决于材料和总体熔化的比例。通常是由低激光能量，高扫描速率和更大的铺粉厚度引起的能量不足经常会导致球化，因为上一层粉末的熔池没有湿润。然而，高能激光和低扫描速率可能导致大量材料蒸发以及锁孔效应。另外，差的扫描间距由于毗邻的融道之间没有完全融合在一起经常导致生产零件规则的孔隙。而且，SLM中的蒸发经常导致易挥发材料在激光窗口的凝结，干扰激光能量的传递。所以，合适的激光功率，扫描速率，扫描间距和铺粉厚度的组合对成功构建近乎全致密度的工件是必要的。激光和材料相互作用的一方面就是粉末对能量的吸收。吸收率，是定义为材料吸收的能流占入射在材料上的能流的比率，影响着SLM过程的能量效率。它甚至可以决定材料通过一个特殊的激光加工的可行性。物理学家已经研究了各种材料对不同波段辐照的吸收率。然而，这些工作很少是关于粉末材料的。在SLM过程中，激光被辐射到一个薄的粉床上，粉末材料对激光辐照的吸收率和他们对应的块体材料是完全不同的。Tolochko等人研究了粉末材料对CO2（波长10.6微米）红外激光和Nd-YAG（波长1.06微米）红外激光的吸收率。与平滑表面的块体材料的吸收率相比，无论辐射波长多少，粉末材料拥有显著更高的吸收率。例如，在波长为1.06微米时，钛的块体材料的吸收率是30%而钛粉末的吸收率是77%。

粉末材料的高吸收率可以用激光光束在粉床中多重反射来解释，这也使得光学渗透深度更大。将粉末的几何结构和结构纳入考虑，Wang等人用2D光学射线追踪模型研究了这个现象。试图给SLM过程建立模型，Gusarov和 Kruth对比了粉床和块体材料的有效吸收率并且匹配了各向同性镜面反射模型和漫反射模型的实验数据。模型已由数据证实，可用于预测建立在表三的块体材料基础上的粉床的吸收率。他们的工作提供模型去计算关于材料吸收率的整个吸收比率和预测加工特殊材料的最佳激光参数。

除了对于不同材料对辐照的吸收率的研究外，也有研究工作是检测激光能量分布状况的效应和脉冲激光与连续激光的不同。Loh等人用一直铝合金AA6061来调查SLM中高斯激光剖面与均匀激光剖面的不同效应。他们的调查发现均匀光束激光能够在差不多的熔渗总量情况下实现更大的熔化宽度。因此，均匀光束激光可用于通过减小过程中的扫描间距来增加SLM的生产率。而且，建立在AA6061基础上的SLM简化模型已经发展出来了。数字模型将材料的体积収缩量和由蒸发过程引起的材料损耗均纳入考虑。

Mumtaz和 Hopkinson报道了一项关于镍625在SLM中使用脉冲激光的的研究。使用脉冲激光使得他们在控制SLM过程上多了一个维度，因为激光脉冲可以调整成不同的脉冲持续时间、频率和脉冲形状。他们的结果表明斜降的脉冲形状降低了顶部表面的粗糙度但是对侧表面不利的。然而，脉冲形状对其他性质，如硬度和强度的影响仍有待测试。而且，人们注意到系统的扫描速率最大只能达到400 mm/s，可能是在熔覆道连续情况下被最高频率和最长脉冲持续时间所限制的。

除了激光参数，粉末尺寸和粉末分布对必要的加工参数也有影响。然而，很少有关于这方面的研究报道。一项由Bourell发表的研究表明与直径38微米的不锈钢粉末相比，15微米和28微米直径这样更小的316L不锈钢粉末只需更小的能量密度来实现99%的致密度。另一个由Liu等人发表的研究证实了存在更小粉末允许了以更低的激光能量强度和更好的表明完成度构建高密度部件。而且，颗粒尺寸分布窄小的粉末流动性更好且生产出来的部件强度和硬度更大。这些研究仅仅表明了粉末尺寸和尺寸分布对必要的SLM加工参数的可能影响。粉末尺寸和尺寸分布对不同材料的加工包迹影响仍不明确因为他们仍是各自独立地研究着。而且，这些效应对不同材料的普遍性也尚未建立。

2.2球化

球化是SLM中的一种特殊现象，由于上一层的湿润度不足和表面张力而导致磨具金属形成球形珠。它阻碍了连续熔道的形成，形成粗糙的球状的表面。更严重的情况下，球化可能使下一层恶化，破坏SLM过程，并且延伸到粉床之上的金属珠会堵塞粉末涂层机制。

在Li等人对球化现象的研究中，它表面了球化可通过保持氧气含量在0.1%应用高激光功率和低扫描速率的组合或者应用激光二次扫描明显改善。Das和Kruth等人解释在上一层的氧气膜阻碍了夹层的连接又因为在不发生化学反应的情况下液态金属通常不会润湿氧气膜以致产生球化。在热应力的作用下，不好的夹层连接也会导致分层。因此，降低过程中的氧含量和引入激光的重复照射来打破氧气膜是使球化减到最小的方法。

2.3热波动及其影响

材料在SLM过程中会经历不同程度的热波动。这导致了建造的工件上的残余应力，正如Kempen等人用温度梯度机制解释的那样。这种机制会导致如表5展示的裂缝形成及部件分层。一个最近的研究比较了SLM过程中316L和Ti-6Al-4V的温度曲线，它发现由于热性能的不同在Ti-6Al-4V的过程中热梯度更明显。

Shiomi等人解决了残余应力的问题以及减少他们在铬钼钢和镍

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[136670]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word