随着激光直接制造金属零件技术在应用领域的扩展,生产制造企业越来越关注该技术产品的生产效率、产品的重现性以及可控性。体现在应用研究领域则是内部缺陷和内部组织的控制、变形开裂的预防、表面质量的改善以及生产效率的提高和制造成本的降低等。这些方面已经成为制约该技术在制造领域进一步扩大应用的“瓶颈”。
一方面,极快的冷却速度、超高的局域温度场分布以及变化的激光扫描方式作用下的非平衡快速凝固形核和长大过程直接决定了最终零件的组织形态、尺寸、晶体取向、晶界结构、化学成分均匀性等,也直接决定了成形件的综合机械性能。由于过程中会发生工艺参数的变化、外部环境的不同、熔池的波动以及扫描方式的变化等,可能会在扫描层之间、扫描面之间以及扫描线之间形成未融合、卷入气体、夹杂而形成内部缺陷,最终影响成形件的质量、力学性能和使用安全。
另一方面,在激光直接制造金属零件过程中,激光与粉末之间发生相互作用,在材料的基体中建立了循环的、峰值较高的、冷却速度较快的温度场,其冷却速度可达1×106℃/s,与铸造过程的冷却速度1×104℃/s相比快2个数量级,其极快的冷却速度、超高的局域温度场分布以及变化的激光扫描方式对成形件内应力的形成、积累甚至变形开裂具有决定性的作用。因为在成形件内部不仅有激光循环加热形成的热应力,也有非平衡凝固形成的组织应力,还有移动热源作用下的热收缩应力,这些应力共同作用,存在于成形件内部,并随着成形过程的进行在成形件内部积累,使成形件的变形开裂控制难上加难。
目前采用激光直接制造金属零件方法制造的成形件表面质量较为粗糙,一般不能直接使用,需要后加工来提高尺寸精度、表面质量。影响成形件尺寸精度和表面质量的因素有很多,可以概括地分为软件因素、硬件因素以及工艺因素等。软件因素有图形处理软件的影响以及工艺软件的影响。硬件因素包括加工系统中的光源、导光系统、铺(送)粉系统、控制系统等。工艺因素包括扫描方法、光源直径、粉末颗粒度、搭接量等因素,因而激光加工设备的整体性是保证成形件尺寸精度以及表面质量的必要条件,是促进激光直接制造金属零件研究与应用的工程问题。
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