文档介绍：华中科技大学
硕士学位论文
Research on the Key Basic Issues in Selective Laser
Melting of Metallic Powder
姓名:Li Ruidi
申请学位级别:硕士
专业:Material Processing Engineering
指导教师:Shi Yusheng
2010
摘要
选择性激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)是激光快速成形制造(Rapid
Prototyping & Manufacturing, RP&M)领域中最具发展潜力的技术之一。它基于分层叠
加制造原理,通过激光束逐层熔化金属粉末而成形复杂结构金属零件,在此方面与其
它常规制造技术相比具有不可替代的优势,已经成为研究热点。但目前 SLM 研究尚
处于起步阶段,研究中涉及的球化、孔隙、物理冶金、材料广泛性等问题都有待于深
入探讨。
针对上述背景,本论文首先以 AISI316L 为代表材料,对 SLM 过程中球化、孔隙
形成及控制、物理冶金机理等普适性理论进行了系统而深入地研究,旨在提高 SLM
的成形质量,推动该技术的整体进步。在此基础上,本论文还研究了 SLM 成形稀有
金属材料、SLM/热等静压(Hot Isostatic Pressing, HIP)复合技术,为 SLM 技术开辟
新的发展方向。论文主要完成了以下工作:
(1)研究了 AISI316L 粉末 SLM 球化形成规律以及抑制方法。首先对球化进行
了表征与分析,发现主要存在大尺寸球(椭球形,500µm 左右)与微尺寸球(球形,
10µm 左右)两种典型球。前者是熔体润湿性较差造成的,容易产生 SLM 的工艺缺陷;
后者是激光束的冲击能量转化为球体的表面能导致的,由于球体体积小所造成的工艺
缺陷可忽略。通过研究粉体特性与成形工艺,揭示了球化现象的主要影响因素,提出
了抑制球化的主要方法:采用气雾化法制备金属粉末、从粉体与气氛因素减少熔体氧
化、采用高的线能量密度以提高熔体的润湿性、减小切片厚度以降低熔池与润湿面的
距离。最后,研究了镍粉激光熔化时球化现象,结果表明其球化规律与 AISI316L 类
似。
(2)研究了 SLM 成形过程孔隙的类型、形成机理、工艺因素以及控制方法。结
果表明水雾化粉末比气雾化粉末的氧含量高且堆积密度低,熔体易产生球化,低的线
能量密度与过厚的铺粉层厚也容易导致球化,以上导致球化的因素都会促使孔隙产
生。在较高线能量密度下制备的连续熔化道,如果搭接状况不良,也会产生孔隙。通
过上述研究,归纳出了孔隙形成的主要因素:球化(不规则孔)、扫描线未搭接(规
I
则孔)、裂纹、未逸出气孔(球形孔)。优化制备致密金属工艺为:(激光功率 100~200W、
扫描速度 90~100mm/s、扫描间距 ~、铺粉层厚 20~60µm),上述工艺制备
的成形件的相对密度可达 96%以上。同时,本研究还可通过调控工艺条件制备孔隙可
控的多孔、以及梯度孔隙金属制件。
(3)从物理冶金角度探讨了 AISI316L 粉末在 SLM 条件下的组织形成与性能特
点。发现激光单熔化道的鱼鳞线处富含氧、硅、碳元素。由于传热作用,靠近激光单
熔化道边界处为垂直界面生长的柱状晶,延伸至熔池内部后由于对流作用逐渐变为胞
状晶。成形件微观组织主要表现为极细的晶粒与多方向结晶,前者是由于激光的快速
凝固所导致,后者是由于 SLM 线面体复杂扫描方式所导致。微观组织与工艺过程有
关:提高熔池温度、延长凝固时间的因素(如高能量密度、厚的粉体厚度、悬臂结构
件)会促使组织粗化。SLM 制件的力学性能受相对密度控制,96%相对密度下拉伸强
度可达 654MPa,而 78%相对密度下仅为 135MPa。
(4)通过成形钨合金与镍合金,研究了 SLM 成形材料的广泛性,探讨了其相应
的成形规律及冶金机制。90W-7Ni-3Fe 合金的成形机制为完全熔化/液相烧结共存,其
中镍铁粉能全部被熔化以形成 Ni-Fe 固溶相,而钨颗粒仅为部分熔化。钨合金的激光
熔化表现出了良好的成形性。镍基混合粉末的成形中,尚有部分 Cr 颗粒没有熔化,
其余元素大多溶入了 Ni 的晶格中形成固溶体,晶粒表现出三角形或六边形特征,尺
寸约 2µm。
(5)探讨了 SLM/HIP 复合成形技术。相对密度较高的 SLM 制件,HIP 可使其
内部的孔隙与裂纹得到闭合,并最终达到全致密化;孔隙较多的 SLM 制件,HIP 则
难以提高其相对密度。同时,SLM 制件经 HIP 后,细小晶粒不断合并,