文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
选择性激光烧结间接制造金属零件研究
姓名:刘锦辉
申请学位级别:博士
专业:材料加工工程
指导教师:史玉升
20061028
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华中科技大学博士学位论文
摘要
选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)技术是快速原型与制造(Rapid
Prototyping & Manufacturing,RP&M)领域中极具发展潜力的技术之一。它能够制造
任意复杂结构零件,具有其它常规制造技术不可替代的优势。由于金属零件应用领
域广且价值高,因而利用 SLS 技术制造金属零件一直是 RP&M 领域的研究热点。近
年来,国际上已出现了 SLS 技术制造某些合金体系零件的相关报道,但却面临着粉
末制备复杂、成本高、成分调节困难等技术难题。而且零件形坯成形机理、工艺及
后处理方法的研究有待于进一步完善,因而还无法成为复杂结构高性能金属零件快
速制造的简单借鉴。
针对上述背景,本研究以 SLS 技术间接制造金属零件为目标,结合粉末冶金理
论方法研发了独特的 SLS 用复合金属粉末,分别对粉末的激光成形机理、工艺及形
坯后处理方法、工艺进行了系统而深入的研究,并制造出具有复杂结构的金属零件
和具有内置随形冷却流道的注塑模具。另外,本研究还将 SLS 技术与冷等静压(Cold
Isostatic Pressing,CIP)和热等静压(Hot Isostatic Pressing,HIP) 技术进行复合,用
于制造高致密度金属零件,为 SLS 技术开辟新的发展方向。因此,本研究具有重要
的理论和现实意义。
在成形理论方面:本研究应用表面和宏观热力学理论,研究了高聚物/金属复合
粉末在激光作用下的成形机理,认为高聚物在激光束的热作用下发生熔化、流动、
润湿、铺展和粘结,最终达到相对低能的稳定状态。运用界面理论研究了环氧树脂
与金属表面相互作用与界面演变,认为激光作用下两类表面通过氢键相结合。运用
激光与物质作用理论,研究了粉末对激光能量的吸收规律,并提出激光扫描作用于
粉末的光斑能量考察区和粘结有效区概念。
在成形材料方面:以环氧树脂作为粘结成分,采用混合法研发了以元素粉末为
配比成分的铁合金复合粉末,并依据颗粒位置排布关系建立了高聚物含量计算方程,
确定其含量为 4%左右。通过烧结、浸渗和热处理实验,结合材料的 SEM 分析和机
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械性能结果,确定复合粉末配比为 ,经烧结(1200℃保温 1h)、纯铜
熔渗(1200℃)及热处理(890℃淬火+200℃回火)后,该合金中含铜合金相为 50%
左右。合金的机械性能为:屈服强度 483MPa,断裂强度 546MPa,弹性模量 116GPa,
延伸率<3%,布氏硬度(HB)>200。而经过烧结(1200℃保温 1h),浸渍环氧树脂
(100℃)和固化处理(160℃保温 6h)后得到的树脂增强复合材料断裂拉伸强度超
过 90MPa,硬度(HRC)介于 25-35 之间。
在成形工艺方面:在充分考虑激光能量传输特性、粉末系统能量吸收与耗散以
及铺粉行为的前提下,设计形坯强度和精度正交试验研究了 SLS 的成形工艺,得到
的优化工艺参数为:激光功率为 14~15W、扫描速度为 2000mm/s、扫描间距为 、
切片层厚为 、预热温度为 53℃。采用优化的成形工艺制造的 SLS 零件形坯无
变形,弯曲强度达 ,尺寸误差<%。
在注塑模具制造方面:本研究应用研发的复合金属粉末并在优化的成形工艺下,
成形了具有内置随形冷却流道的注塑模具镶块形坯,模具形坯经脱脂、真空烧结和
滴渗液态青铜(或浸渍环氧树脂并固化处理),并经简单机加工后,基本达到注塑模
具性能指标。通过实际注射成形,获得了较好质量的塑料零件。
在 SLS 与等静压技术复合制造方面:本研究采用 SLS 技术成形零件形坯,而后
分别采用 CIP 和 HIP 技术对脱脂并低温烧结的形坯进行致密化再成形,在保持零件
形状精度的前提下,成功制造了具有复杂结构的致密金属零件。
综上所述,本研究促进了 SLS 技术向高精度、高性能和高复杂度金属零件的智
能化高效成形制造方向的延伸,为 SLS 技术在制造领域发挥出更大作用而做出了贡
献。
关键词:选择性激光烧结; 金属零件; 注塑模具; 复合金属粉末; 成形; 致密化;
浸渗; 热(冷)等静压
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Abstract
Selective laser