激光直接快速成形技術(shù)原理及應(yīng)用研究

楊銘淞

摘要：作為最近十幾年來迅速發(fā)展起來的新技術(shù)，激光直接快速成形技術(shù)不僅綜合了快速原型技術(shù)以及激光熔覆技術(shù)的全部優(yōu)點(diǎn)，同時能夠有效的實(shí)現(xiàn)高性能致密金屬零件的直接成形，不僅大大雖短了生產(chǎn)周期，同時極大限度的解決了成本問題，具有十分快速的市場響應(yīng)速度。文章以激光直接快速成形技術(shù)在金屬零件成形中的應(yīng)用為主線，重點(diǎn)研究該技術(shù)的原理以及在金屬零件直接快速成形中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：快速原型技術(shù)，金屬零件直接快速成形，致密金屬，激光熔覆技術(shù)

關(guān)于激光快速成形技術(shù)的研究最早可以追溯到上世紀(jì)70年代，當(dāng)時主要研究的是激光多層燒結(jié)，該研究是激光快速成形技術(shù)的雛形，隨著計算機(jī)技術(shù)、以及快速原型技術(shù)的不斷發(fā)展，激光快速成形技術(shù)已經(jīng)逐漸成為各個學(xué)者研究的焦點(diǎn)。

其中，蘇海軍等總結(jié)性的回顧了激光快速成形技術(shù)在我國的發(fā)展階段，并對近年來新產(chǎn)生的激光快速成形技術(shù)進(jìn)行了綜述，最后介紹了這些新技術(shù)在高性能材料加工中的應(yīng)用情況，為激光快速成形技術(shù)在金屬材料加工的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ);張永忠分析了高性能金屬零件激光快速成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及研究進(jìn)展，其重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了激光快速成形技術(shù)在金屬材料加工的過程中應(yīng)當(dāng)把重點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量控制以保證金屬零件的質(zhì)量;王雅先重點(diǎn)分析了激光直接快速成形技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用，重點(diǎn)分析了該技術(shù)在各個汽車金屬零件制備過程中的重要作用。

結(jié)合專家們的觀點(diǎn)，本文重點(diǎn)研究激光快速成形技術(shù)的原理以及在金屬材料加工成形方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為金屬材料的加工提供合理化建議。

1 激光直接快速成形技術(shù)相關(guān)概述

激光快速成形技術(shù)基于快速原型制造技術(shù)，同時也是順應(yīng)時代潮流產(chǎn)生的一種新的零件加工生產(chǎn)方式，目前，快速成型工藝有很多種，如立體光固造型技術(shù)、疊層實(shí)體制造技術(shù)等，但是這些技術(shù)都主要針對非金屬材料，針對金屬材料的快速成型技術(shù)主要有激光工程凈形制造技術(shù)、激光金屬成形技術(shù)等，用于金屬零件加工制造的快速成型技術(shù)就是本文所要論述的激光直接快速成形技術(shù)，建成LDRF技術(shù)。

LDRF技術(shù)的主要原理是基于“離散+堆積”成形機(jī)理，利用增材制造法實(shí)現(xiàn)金屬零件的直接快速成形。

2 激光直接快速成形技術(shù)的特點(diǎn)

LDRF技術(shù)主要具備以下特點(diǎn)：

第一，制造速度快，材料消耗小，能夠有效的節(jié)約成本。該技術(shù)直接將金屬材料制備成成形件，省去了很多后續(xù)加工工藝，后續(xù)的機(jī)械加工量也非常少，不僅節(jié)省了材料提高了制造速度，同時有減少了大量的后處理過程中模具制造的成本。

第二，能夠?qū)饘倭慵男阅苓M(jìn)行很好的控制。LDRF技術(shù)基于燒結(jié)法原理，實(shí)現(xiàn)對材料的有效堆積，因此對于零件的性能能夠?qū)崿F(xiàn)良好的控制，零件制造過程中可以根據(jù)需要在零件不同的部位使用不同的成分。

第三，能夠有效的提高金屬零件的特性。利用激光將原材料進(jìn)行快速的融化，并且快速凝固成所需的零件，這樣的工序能夠得到細(xì)膩、均勻致密的結(jié)構(gòu)，不僅有效的克服的材料的偏析所帶來的不利影響，同時能夠有效的提高材料的力學(xué)性能以及化學(xué)性能。

第四，可以加工高熔點(diǎn)的材料。對于一些金屬材料，如鎢，其熔點(diǎn)相當(dāng)?shù)母?，因此利用傳統(tǒng)的方法對其進(jìn)行加工往往非常的費(fèi)時費(fèi)力。而采用LDRF技術(shù)，可以利用激光的高能量密度有效的實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)金屬材料的加工，降低加工難度的同時提高加工精度。

雖然LDRF技術(shù)擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中還需要在以下幾個方面加以注意：

第一，應(yīng)當(dāng)發(fā)展激光快速成形技術(shù)的實(shí)時觀測技術(shù)，密切關(guān)注材料成型過程中的質(zhì)量與精度的變化，把控整體質(zhì)量。

第二，把握成形精度與成形速率之間的最佳匹配。

3 激光直接快速成形技術(shù)在金屬零件中的應(yīng)用

在金屬零件的激光直接快速成形過程中，金屬粉末的燒結(jié)是一個非常復(fù)雜的過程，也是金屬零件加工中的最重要的一步，因此，對于激光直接快速成形技術(shù)在金屬零件中的應(yīng)用，需要充分的把握這一關(guān)鍵步驟。

3.1激光直接快速成形技術(shù)在單組元金屬零件粉末成形過程中的應(yīng)用

對于單組元金屬粉末，其成形過程大致可以分為三個階段。第一個階段為粉末顆粒相互吸引階段，主要依靠其表面微溶液相的作用;第二個階段為熔化階段，依靠激光的能量使粉末顆粒繼續(xù)熔化，在第二個階段，由于激光的作用，會使得粉末顆粒發(fā)生飛濺;第三個階段是球形顆粒的形成階段，主要依靠熔化粉末的表面張力的作用。

3.2激光直接快速成形技術(shù)在雙組元金屬零件粉末成形過程中的應(yīng)用

對于單組元金屬粉末，其成形過程也可以分為三個階段。第一個階段為顆粒重排階段，在這一階段主要發(fā)生的現(xiàn)象時金屬顆粒的熔化與重新排列，通過高能量密度的激光所帶來的足夠高的溫度，使得粉末顆粒熔化成為液相，并且隨著液相的流動，熔化的顆粒發(fā)生滑動、旋轉(zhuǎn)最后進(jìn)行重排;第二個階段是溶解-析出階段。該階段主要發(fā)生的現(xiàn)象時大顆粒的不規(guī)則部分以及細(xì)小的顆粒溶解在液相中，隨著顆粒溶解的不斷增多，固相在液相中的溶解度達(dá)到平衡最總出現(xiàn)飽和，之后大顆粒將會重新析出;第三個階段是固相骨架成形級階段。在該階段，顆粒的頸部繼續(xù)增大，晶粒在生長的同時出現(xiàn)空洞粗化現(xiàn)象。

在實(shí)際燒結(jié)過程中，由于受到溫度、氣氛以及液相量的影響，會使得三個階段之間發(fā)生相互重疊，因此，一般說來三個階段的區(qū)分不是那么的嚴(yán)格。

3.3激光直接快速成形技術(shù)在預(yù)合金零件粉末成形過程中的應(yīng)用

與單元金屬不同，預(yù)合金粉末在融化的時候由于合金的兩種或者幾種金屬的熔點(diǎn)不同會出現(xiàn)共融區(qū)，而預(yù)合金的成形也需要通過燒結(jié)的過程來實(shí)現(xiàn)，因此預(yù)合金粉末的成形過程要更為復(fù)雜，主要包括液相的產(chǎn)生、粉末顆粒的破碎、顆粒的重新排列、晶粒的再填充、晶粒的滑動、粗化以及溶解-再沉淀等組成。

4 結(jié)論

在金屬零件激光直接快速成形過程中，由于操作或者技術(shù)本身的弊端，會出現(xiàn)一些問題，主要如下：第一，零件的表面質(zhì)量問題。在燒結(jié)過程中，不可避免的少數(shù)粉末會粘在已經(jīng)固化材料的表面，進(jìn)而影響零件的表面質(zhì)量，針對這一現(xiàn)象，可采用逐層激光成型以及機(jī)械修整的方法來解決;第二，氣孔問題。在粉末融化過程中，由于氣體的存在，會使得這些氣體在快速凝固過程中無法快速逃逸便面而形成氣孔。針對這一現(xiàn)象，可以通過惰性氣體保護(hù)或者減緩熔池冷卻結(jié)晶速度來解決。綜上所述，金屬零件激光快速成形技術(shù)擁有諸多有點(diǎn)，然而，其在實(shí)際操作中還需要注意各種影響零件質(zhì)量的問題，只有這樣才能加工出高質(zhì)量的零件。

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