1 江苏中科智能科学技术应用研究院 金属3D打印中心, 常州 213164
2 江西交通职业技术学院 机电工程学院, 南昌 330013
3 常州奔拓机械有限公司, 常州 213131
为了弥补加工制造技术上的局限性, 在五轴联动计算机数控加工中心的基础上, 采用增减材混合制造的技术方法集成激光近净成形制造装置, 在结构上形成激光增减材混合制造装置; 并基于UG后处理构造器开发增减材混合制造的后处理系统, 在功能上实现对零件的增减材混合制造。结果表明, 可实现复杂金属零件的一次成形, 减少因多次装夹引起的加工误差和低效; 相较于单一的增材、减材加工模式, 产品成品率提高20%以上, 加工时间缩短45%以上, 支撑减少30%以上, 尤其对于有封闭内流道的零件, 其内流道表面精度达到0.6μm, 有效延长零件的服役寿命, 实现了零件弱支撑、无支撑、无干涉、高精度和高效率的加工。该研究可为激光增减材混合制造的工艺方案、制造模式、应用拓展提供参考。
激光技术 混合制造 五轴联动 激光近净成形 后处理 laser technique hybrid manufacturing five-axis linkage laser engineered net shaping post process
1 1.深圳大学 增材制造研究所, 深圳 518060
2 2.广东省电磁控制与智能机器人重点实验室, 深圳 518060
3 3.华中科技大学 材料科学与工程学院, 材料成形与模具技术国家重点实验室, 武汉 430074
4 4.华中科技大学 增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心, 武汉 430074
陶瓷以其优异的热物理化学性能在航空航天、能源、环保以及生物医疗等领域具有极大的应用潜力。随着这些领域相关技术的快速发展, 其核心零件部件外形结构设计日益复杂、内部组织逐步走向定制化、梯度化。陶瓷具有硬度高、脆性大等特点, 较难通过传统的加工成形方法实现异形结构零件的制造, 最终限制了陶瓷材料的工程应用范围。激光增材制造技术作为一种快速发展的增材制造技术, 在复杂精密陶瓷零部件的制造中具有显著优势: 无模、精度高、响应快以及周期短, 同时能够实现陶瓷零件组织结构灵活调配, 有望解决上述异形结构陶瓷零件成形问题。本文综述了多种基于粉末成形的激光增材制造陶瓷技术: 基于粉末床熔融的激光选区烧结和激光选区熔化; 基于定向能量沉积的激光近净成形技术。主要讨论了各类激光增材陶瓷技术的成形原理与特点, 综述了激光选区烧结技术中陶瓷坯体后处理致密化工艺以及激光选区熔化和激光近净成形技术这两种技术中所打印陶瓷坯体基体裂纹开裂行为分析及其控制方法的研究进展, 对比分析了激光选区烧结、激光选区熔化以及激光近净成形技术在成形陶瓷零件的技术特征, 最后展望了激光增材制造陶瓷技术的未来发展趋势。
激光增材制造 激光选区烧结 激光选区熔化 激光近净成形技术 陶瓷 综述 laser additive manufacturing selective laser sintering selective laser melting laser engineered net shaping ceramic review
东北大学机械工程与自动化学院， 辽宁 沈阳 110819
通过建立周向倾斜薄壁圆环模型，得到了周向偏移量和倾斜角之间的关系; 通过优选周向偏移角，并基于激光熔覆近净成形技术，获得了结构稳定、高度和宽度误差较小的周向悬臂薄壁圆环。结果表明，满足熔覆要求的熔覆件的偏移角为0.75°，倾斜角为25.95°; 周向倾斜薄壁圆环成形较优的工艺参数组合是周向偏移量为0.11 mm，Z轴提升量为0.224 mm。
激光技术 激光近净成形 悬臂结构薄壁件 周向偏移角
Key Laboratory for Precision and Non-Traditional Machining Technology of Ministry of Education,Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁 大连 116024
Al2O3-YAG共晶陶瓷材料以其出色的高温强度、抗氧化性、高温结构稳定性成为航空航天领域高温合金的理想替代材料。本文采用激光近净成形技术，分别在普通基底、水冷恒温基底上进行了Al2O3-YAG共晶陶瓷薄壁件成形实验，得到了不同基底上成形的薄壁样件，比较了两者的微观组织及显微硬度差异。结果表明，采用普通基底成形的薄壁件微观组织呈三维网状结构，平均共晶间距为0.96 μm；采用水冷恒温基底后，薄壁顶部微观组织形貌呈晶团结构，薄壁底部呈枝状晶结构，微观组织逆热流方向生长特性明显，平均共晶间距减小至0.21 μm；和普通基底上成形的Al2O3-YAG共晶陶瓷薄壁件显微硬度相比，使用水冷恒温基底成形的Al2O3-YAG共晶陶瓷薄壁件硬度提高约10%.
激光近净成形 Al2O3-YAG共晶陶瓷 水冷恒温基底 微观组织 显微硬度 laser engineered net shaping Al2O3-YAG eutectic ceramic water-cooled constant temperature sub-strate microstructure microhardness
1 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁 大连 116024
2 大连三垒机器股份有限公司，辽宁 大连 116024
利用激光近净成形技术进行了316L不锈钢单道多层结构的制备。在相同的激光功率及扫描速度条件下，通过调整送粉率及层间提升量实现了不同沉积效率的成形，并讨论了不同沉积效率下成形结构的微观组织及力学性能特征。结果表明，在一定的激光功率及扫描速度条件下，随着送粉率及层间提升量的提升，沉积效率由初始工艺参数条件下的12.14 mm3/s提高至22.62 mm3/s，提高了86.3%。同时成形单位有效体积消耗的激光能量由初始工艺参数条件下的98.84 J/ mm3降低至53.06 J/mm3，能量利用效率提高了46.32%。成形结构的微观组织呈柱状枝晶形态，随着沉积效率的提高，枝晶长度呈明显的增大趋势。性能检测结果显示，不同沉积效率下的样件力学性能保持了较高的一致性，并未随沉积效率的提高而降低，成形样件抗拉强度及屈服强度分别稳定在510 MPa与290 MPa，延伸率稳定在40%左右，显微硬度也未出现明显波动，处于180 HV，均达到了锻造的同等水平。该研究表明，在一定的工艺参数范围内，可以实现沉积效率及力学性能的协同优化，达到低能耗高效制备高性能零件的效果。
激光近净成形 316L不锈钢 沉积效率 微观组织 力学性能 laser engineered net shaping 316L stainless steel deposition efficiency microstructure mechanical property
上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240
在激光近净成形制备多孔材料过程中,可以通过改变多孔零件的孔隙率来获得理想的弹性模量。通过实验研究了在激光功率、扫描速度、送粉速率及搭接率确定情况下,不同偏移距对Ni60粉末多孔材料孔隙率和通孔率的影响;在参数优化的基础上制备了多孔金属镍材料并进行了压缩性能实验,建立了多孔镍合金材料孔隙率与压缩强度及压缩弹性模量的对应关系。
多孔零件 激光近净成形 压缩性能 孔隙率 porous part laser engineered net shaping compression performance porosity
1 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240
2 上海出版印刷高等专科学校，上海 200093
在激光近净成形过程中，为了改善熔覆层组织形态，提高熔覆层力学性能，通过实验研究了激光功率、扫描速度和送粉速率对Ni60粉末成形组织和力学性能的影响。研究结果表明，成形组织形态随着激光功率增大变得粗大，随着扫描速度、送粉速率的增大变得细小；从基体到热影响区再到熔覆层，其硬度值明显增加；显微硬度随着激光功率的增大而减小，随着扫描速度和送粉速率的增加而增加。研究为多孔金属生物材料的制备提供了优化工艺参数组合的依据。
激光近净成形 工艺参数 成形组织 力学性能 laser engineered net shaping process parameters organization structure mechanics performance
上海交通大学机械与动力工程学院, 上海 200240
为提高激光近净成形多道搭接熔覆层表面平整性, 通过实验研究了在临界搭接条件下激光功率、扫描速度和送粉速率对Ni60粉末多道搭接熔覆层高度、表面波动幅值、熔覆层高度波动值以及幅高比的影响规律。建立了搭接率与激光功率、扫描速度和送粉量之间的关系预测模型, 并进行搭接率优化。研究结果表明, 随激光功率增大, 熔覆层高度波动增大, 表面波动幅值先降低后增加; 随扫描速度增大, 熔覆层高度波动减小, 表面波动幅值先降低后增加; 随送粉量增大, 熔覆层高度波动增大, 表面波动幅值增加; 搭接率选择要适当小于临界搭接率。
激光近净成形 工艺参数 熔覆层高度 表面波动幅值 laser engineered net shaping process parameters laser cladding height surface fluctuation amplitude
大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024
采用同轴送粉激光近净成形系统，研究同轴送粉粉末分布特征，开展氧化铝(Al2O3)陶瓷薄壁件成形实验，结合粉末分布密度函数分析光斑直径和激光功率对激光近净成形Al2O3陶瓷薄壁件表面形貌的影响。结果表明，同轴送粉粉末成双重高斯分布，激光光斑大小影响光束直接辐照粉末量，进而影响薄壁件表面形貌，光斑大小与光束直接辐照粉末量成高斯积分函数；增大激光功率可减弱高斯分布粉末对激光能量分布的影响，有利于获得较好的表面形貌，但激光功率过大会导致薄壁件表面形貌变差；采用合理的工艺参数成形的Al2O3陶瓷件相对密度可达99.72%。
激光技术 激光近净成形 氧化铝 粉末分布特征 双重高斯分布 表面形貌
