316L不锈钢精密大型金属零件直接激光加工的形状和性能控制外文翻译资料

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1. 导言

直接激光制造(DLF)是由激光熔覆和快速成型共同发展起来的一种新兴制造技术，近年来受到了广泛的研究，因为它可以直接从CAD固体模型中构建全密度和高性能的金属零件，而不使用任何模具或工具[1–7]。 在DLF过程中，聚焦激光束扫描基片表面以产生熔池，其中合金粉末通过粉末喷嘴同步注入。 粉末通过移动熔池捕获，然后迅速熔化和凝固，然后逐行形成熔覆层。 进一步地，可以通过逐层堆叠得到三维金属零件。这种新的制造技术具有良好的加工灵活性，与传统的制造技术相比，从最初的概念到最终部分的时间长度可以大大减少。它还可以修复损坏的部件[1] 特别是用功能性分级材料制造产品[2]。 还提出并开发了其他几种类似的技术来制造金属零件，它们具有相同的基本原理，如激光工程净成形(LENS)[3,4激光固体成形(LSF)[5],

定向金属沉积(DMD)[6]激光添加剂制造(LBAM)[7] 等等。

DLF技术在模具、航空航天、医用植入、特殊材料加工等领域有着广阔的应用前景[1–7].例如，对于航空和航天工业，据报道，一些尺寸超过500毫米~500毫米~500毫米的大型金属结构，如飞机应用中的塔架肋骨或机翼部件的稀疏，需要由DLF一次性整体制造，这可以大大减轻飞机对所需强度的损害[8]。 通常，利用传统的制造技术制造这些大型金属零件会浪费大量的加工时间和材料，而DLF技术可能会使加工时间节省80%，总成本节省20-50%[9]。 此外，由于DLF中的快速局部凝固特性，零件的微观结构和力学性能优于铸造，相当于锻造[8]。 因此，DLF技术用于大规模金属零件的制造是一个重要而有吸引力的研究领域。

然而，在以前的大多数作品中，许多技巧和

提出了DLF技术制备相对较小尺寸约为200mm~200mm~200mm甚至更小(构建速率小于4g/min)的精密金属零件，激光扫描速度也在300~800mm/min之间甚至更低[10–13]。 虽然有些团体也

用DLF生产大型金属零件，建造率较高，约为100g/min[13]由于使用了1~10mm的大直径激光扫描点和1-3mm的高厚单轨激光熔覆，他们只获得了形状精度差的粗铸生产[14,15].因此，根据DLF技术的基本构建原理，如果有人想通过DLF获得形状精度好的零件，首先需要一个小直径的激光扫描点和一个低厚度的单轨激光熔覆。 如果是这样，则应适当提高激光扫描速度，以获得可接受的生成速率，从而缩短大规模金属零件的加工时间和总成本。 由于数控工作台的加速度和连续移动熔池的限制，如果在DLF中以较高的激光扫描速度扫描单层激光熔覆会发生什么？它会严重影响作为DLFed金属零件的形状和性能吗？ 然而，到目前为止，还没有关于DLF技术制造精密大型金属零件的形状和性能控制的报告，因此这也是一个悬而未决的问题。

在本文中，我们提出了一个详细的调查

采用DLF技术在开环控制下控制316L不锈钢精密大型金属零件的形状和性能[12]。 通过调整和优化加工方法和参数，在较高的激光扫描速度下建立了一批表面均匀的精密长方体金属样品，这对提高制造率具有重要意义，从而降低了大规模零件制造的总体制造成本。 特别是基于上述加工参数的As-DLFed长方体样品表现出均匀的微观结构和明显的细化晶粒，以及优异的极限强度性能

和屈服强度0.2)，甚至与之相比

较低的激光扫描速度。 最后，根据优化的加工方法和参数，用DLF在1400mm/min的激光扫描速度下成功地制备了尺寸精度高、表面均匀的316L不锈钢大型金属零件。

1. 实验程序

本研究中DLF系统的示意图如图所示图1。1.在系统内，一个ROFIN连续波CO₂采用高斯能量分布的激光(功率输出0-5000W)输送激光和熔融金属粉末。 采用HUST-III送粉机和自行设计的同轴喷嘴以氮气为携带气体，准确、稳定地将粉末注入熔池。 氮气也能部分防止熔池氧化。 采用三轴HNC-1数控单元控制X-Y工作台的运动和Z轴的升高。 件的3D-CAD文件转换成STL文件格式，导入软件HUST-RP到

生成激光束的扫描路径。

作为一个很好的候选，本文选择长方体金属样品来研究不同激光扫描速度下精密大尺度金属零件的成形表征，因为长方体金属样品具有大尺度零件的基本几何特征，并经历了关键的加工条件[16]。 因此，首先系统地建立了一批316L不锈钢长方体金属样品，以获得DLF精密大型金属零件生产中的最佳加工方法和参数。最后，根据上述实验结果，利用所获得的最佳方法和参数，成功地制备了一种精密大型金属零件316L不锈钢，其形状和几何形状类似于飞机应用中著名的机翼部件的塔架肋。

为了获得尺寸精度好、表面均匀的零件，将采用小直径激光扫描点和低厚单轨激光熔覆，与其他文献中的DLFed粗铸零件相比[14,15]。 因此，本研究将激光光斑直径控制为1.0mm，选择z-增量值为

0.5毫米，始终等于每个沉积厚度

所有实验中的包层。 单轨重叠率设定为20%，已成功地应用于DLF精确制造金属零件[17].采用316L不锈钢粉末，尺寸约为80~150目，作为成形粉末材料。 粉末的化学成分和基本的实验加工参数清楚地列出在表1.

在实验中，将As-DLFed金属长方体切割加工成小立方体或标准拉伸试验样品，进行显微组织观察和力学性能测试。 采用标准金相技术和光学显微镜(EPIP HOT300)对材料进行了王水刻蚀。 用HVS-1000显微硬度计对样品进行维氏硬度试验，以评价显微组织的均匀性。 拉伸试验试样按中国GB/T228-2002标准设计，如图所示图1。 2。 用zwick/roell测试仪对As-DLFed样品的标准拉伸试件进行了测试，以评价室温(RT)下的拉伸性能)。

1. 结果和讨论

在本研究中，显然应该提高激光扫描速度来制造大规模的金属零件，这将有利于提高制造率和降低整体成本。 但是，如果在高激光扫描速度下扫描单轨激光熔覆层，会发生什么

单轨激光熔覆主要是由于数控工作台的加速度和运动粉末的惯性的限制。显然，这些凸会严重影响单层激光熔覆的形状精度，从而影响最终的金属零件。 因此，在高激光扫描速度下消除大型金属零件制造中的凸面之前，很难获得表面均匀的精密金属零件。

同样，在以前的DLF制造复杂和小薄壁金属零件的工作中，扫描方向突然改变的部分的一些角落在整个扫描路径中异常高于其他地方，但Li等人。

[12] 通过改变粉末聚焦点与基体之间的对峙距离，获得了零件的均匀构建高度。

表1

45反射器

z

给粉机

G-Code

喷嘴

x

镜头

5K WCO2 激光

本研究中使用的DLF路由的基本处理参数。

316L不锈钢粉末，字符

图1。 1.DLF系统示意图。

图1。 2.本研究中使用的拉伸试样的配置

。

r0.03C，r1.0Si，r2.0Mn，16.0-18.0Cr，

10.0-14.0Ni，r0.03S，r0.045P，2.0-3.0Mo

（质量%），80-150目

载气，流量 n₂，4-5升/分钟

基底 低碳钢板，厚度35mm

Z增加 0.5毫米

激光光斑直径 1.0毫米

六组单层激光熔覆的工艺参数。

图1。 3.六组不同扫描速度沉积的单层激光熔覆

DLF的过程？ 会严重影响单层激光熔覆的尺寸精度和表面质量吗？ 为了研究这一效应特征，在400~1400mm/min的不同激光扫描速度下，对六组单层激光熔覆进行了初始实验，步长为200mm/min。 每个单层激光熔覆由五个沿一定方向来回扫描路径的单层激光熔覆组成。 表2列出其他详细的处理参数和图1。 3给出了DLF在不同激光扫描速度下沉积在衬底上的六组单层激光熔覆。

如图所示图1。 3可以清楚地看到，在较低的激光扫描速度下，单层激光熔覆的整个表面是非常平坦的。 然而，随着激光扫描速度的提高，单层激光熔覆层的两端出现了凸。还可以进一步看出，激光扫描速度越高，凸度越大，速度为1400mm/min的凸度最大，高度接近2mm。 在DLF以较高的激光扫描速度进行单层激光熔覆的过程中，这些凸在两端的出现

然而，在目前的工作中，大规模的制造

通过控制和优化加工方法和参数，特别是在较高的激光扫描速度下，还可以获得良好的尺寸精度和均匀的表面。

根据DLF工艺的原理，从逐层堆叠的方式构建出最终的金属零件，因此每一层的激光扫描图案是整个过程中的重要影响因素之一，这将影响热输入和散热，DLF工艺中零件的微观结构和宏观结构形状精度的演变[5]. 因此，为了在较高的激光扫描速度下用DLF获得精密的大型金属零件，需要一种最佳的激光扫

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