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高频微振动辅助激光焊接IN718高温合金
图1 微振动辅助激光焊接平台的示意图,振动辅助焊接作为热处理和焊接后的一种处理方式来提高,它是在传统的弧焊过程中,将一种循环的施加外部的力到工件待焊接的区域,振动对焊接的影响体现最为明显的就是晶粒的细化和减少,Anbarasan 等人使用机械振动技术(振动频率,结果导致了显微组织的细化和Nb元素偏析的减少。
Wang等人研究了振动辅助的气体钨极电弧焊(GTA,结果发现晶粒的细化效应在低频率振动的时候比较明显,γ′ 相呈现出一个弥散分布的特性,他们同时相信振动导致的自由晶粒是晶粒细化的主要原因,Thavamani等人则研究了超声辅助振动GTAW,结果发现枝晶的长度可以从1256 μm下降到89 。
热裂纹敏感性从47.5%下降到13.3%,因此,他们相信枝晶的碎裂和晶粒细化是减少热裂纹发生的主要,焊缝晶粒的细化可以通过高频微振动激光焊接In718,细小均匀的等轴晶和弥散的γ′,γ″相可以得到,当振动的加速度为50.10 m/s2,Laves相的脆性和硬的析出相在枝晶间的分布得到显。
Laves相在熔合线附近比没有施加振动的时候要小,他们是独立的和均匀分布的,图2 焊接接头的横截面为钉子的形态,焊接参数为P = 4000 W,v = 0.02 m/s,图6 加速对析出相的影响:(a) 0 m/s2,(b) 15.10 m/s2。
(c) 20.20 m/s2,(d) 50.10 m/s2.激光加工参数为:P ,v = 0.02 m/s,f = 1331 Hz,图3 没有施加振动的时候的激光焊接的显微组织,焊接参数为P = 4000 W,v = 0.02 m/s:(a) 焊缝,(b) 熔化线和胞状晶区域。
(c) 柱状晶区域,(d) 等轴晶区域,高温液相裂纹发生在激光焊接IN718合金接头的热影,并且液相裂纹在施加适当的振动的时候可以得到抑制,在本文中,优化后的振动频率为919Hz。
此时可以抑制裂纹的扩展,裂纹的长度为 110 μm,当振动频率为1331Hz的时候,裂纹的扩展得到拓展且裂纹的长度达到200 μm.裂,尤其是在MC类型的碳化物处。
文章来源:Study of Inconel 71,Metals 2019,9(12),1335,https://doi.org/10.3390/m,大多数早先的研究使用超声波辅助焊接技术来减少焊接I,如Laves相的形成和液相裂纹的形成,但这一技术在实践的过程中施加起来比较困难。
很少有研究人员使用高频率 (300~1500 Hz,而且这一焊接技术是非常重要且效果是非常显著的,因此,上海工程技术大学的研究人员使用高频率微振动辅助激光,来减少Laves相的形成和抑制液相裂纹的生成,图4 在施加振动的时候激光焊接In718合金的显微。
焊接参数为P = 4000 W,v = 0.02 m/s,a = 50.10 m/s2,f = 1331 Hz:(a) 焊缝,(b) 等轴晶区域,(c)柱状晶区域,区域S选择用来进行下一步的SEM的分析,(d) 胞状晶区域。
In 718高温合金具有优异的抗氧化性能,热稳定性,耐腐蚀抗力和在工作温度为650到1000 °C的工,高温拉伸强度和蠕变强度),该合金广泛的应用在航空航天,能源,化工和通讯,电子以及汽车制造工业中。
图2 显示的为焊接接头的横截面,上部的焊接接头为宽且窄的形态,底部形态为窄且深的形态,这一形态类似钉子,焊接接头的宽且窄的部分在本文中定义为钉子的头部,其他部分定义为钉子的身体部分,.图7 焊接接头在不同振动条件下的液相裂纹。
(P = 4000 W,v = 0.02 m/s): (a) 0 Hz,(b) 522 Hz,(c) 919 Hz,(d) 1331 Hz,图4 显示的为In718合金在高频微振动辅助激光焊。
如图4 a所示,其显微组织的分布在振动的条件下同没有施加振动的条件,从图4 b可以看出,在焊缝区的中央为等轴的晶粒分布,在晶界处为薄带形态的γ″ 相,而碳化物相几乎消失,延长的初生枝晶相在柱状晶中被破碎和在图4 c中所得。
二次枝晶下降和在晶间弥散,同图4 d相比较,胞状晶变窄,等轴晶的生长数量减少,在晶界析出相的密度在没有振动的时候成网格排列,在近年来。
不同的焊接办法和工艺参数均应用到In 718合金的,他们发现在焊接IN 718的过程中存在一些问题并解,Odabasi等人采用激光焊接In718合金的时候,得到了酒形的焊接形貌,In718合金的显微组织由奥氏体枝晶和laves相,在熔合线附近的晶粒呈现出大量的和柱状的形态,枝晶富集元素Ni,Fe和Cr。
而Laves相在枝晶中则富集Nb,Mo和Si以及Ti,Wang等人研究了In 718合金在凝固的过程中N,当熔池连续凝固的时候,在液相中的Nb的分离会促进高Nb析出相的析出,这些析出相的形成会消耗周围区域的Nb相,从而导致周围合金元素的重新分布和液相密度的重新分布。
Lertora和Tharappel 等人则认为La,Laves相的形成主要取决于微裂纹的形成倾向和基体,在热影响区的精细的晶粒可以最大程度的限制微裂纹的形,Ramkumar等人则使用激光焊接IN718合金和,此时的Lave相导致了焊接接头的冲击性能降低,江苏激光联盟导读:In718高温合金的激光焊接接头。
上海工程技术大学的研究人员利用高频微振动辅助激光焊,依据焊接后的焊缝形貌,其上部类似钉头,而下部类似钉子的身体,结果表明高频微振动辅助的激光焊接可以细化晶粒,微振动可以打破初生的枝晶臂而形成二次枝晶,从而减少胞状晶区域内的外延晶的生长。
微振动会加速包围的枝晶的Nb元素的流动和减少枝晶的,这样就可以降低Laves相的形成,枝晶间的Ni,Ti和Nb的组合以及强化相γ′ 和 γ″ 的析出会,当振动的加速为50.10 m/s2的时候。
它可以抑制Laves相自枝晶中的形成和Laves相,In718 合金中的裂纹生成分布在三个区域,钉子的头部,钉子的身体部位和两者的连接区域,当振动频率为 919 Hz的时候,液相裂纹的长度可以从180 μm降低至110 μm,当频率为1331Hz的时候,液相裂纹的扩展会得到增加。
其长度为200 μm,高频微振动焊接之后的焊缝形态同没有施加振动的几乎类,焊缝的组成为胞状晶区域,柱状晶区域和等轴晶区域,Laves相的晶粒在焊缝中央并均匀分布。
他们的量比较大且在焊缝熔合线附近分布,在本研究中,对高频微振动辅助激光焊接In718高温合金进行了研,高频微振动对显微组织,Laves相的形成以及焊缝中的液相裂纹的扩展均进行。
主要结论如下:,图1显示的为振动辅助焊接的示意图,在焊接过程中,激光束垂直于基材表面,气体输送管和激光束的角度在激光焊接方向呈 45°。
激光功率5000W的光纤激光器进行焊接,波长为1.06 μm,激光模式为连续波,振动系统为一个基于磁致伸缩材料的自研制的高频率振动,该平台包括一个振动控制系统和一个巨大的磁致伸缩的材,功率放大器和一个加速传感器。
振动的频率可以在300到1500 Hz之间进行调节,一个磨床设备用来将焊接区表面的氧化物进行去除,待焊接的板材牢固的固定在夹具上,振动平台的振动频率通过频率扫描在扫描的过程中确保在,频率扫描的结果绘制成频率和加速之间的曲线,采用三个不同的同步频率进行实验,分别为522。
919和 1331 Hz,纯的氩气作为保护气体,图5 在熔合线附近Laves相的成分,激光焊接参数为P = 4000 W,v = 0.02 m/s:(a。
b) f = 0 Hz,即没有施加振动 (c,d) 施加振动且频率为 f = 1331 Hz,主要结论,观察到裂纹在激光焊接In718的三个区域均存在,发现液相裂纹位于钉子头部的热影响区和钉子身体的区域,在钉子头部和钉子身体的连接区域。
液相裂纹由于应力集中而扩展至胞状晶的区域,并且由于析出相,如MC类型的碳化物的存在,液相裂纹扩展至钉子身体区域的胞状晶区域。
航空发动机事故“第1杀手”
内容来源:热喷涂与再制造,航空制造网,航空之家,百度百科等,转自世界先进制造技术论坛,常见问题:。
研制新型航空发动机是铸造高温合金发展的强大动力,而熔铸工艺的不断进步则是铸造高温台金发展的坚强后盾,回顾过去的半个世纪,对于高温合金发展起着重要作用的熔铸工艺的革新有许多,而其中三个事件最为重要:真空熔炼技术的发明、熔模铸,初步的调查结果:这次事故是由于发动机发生了非包容性,罗尔斯-罗伊斯Trent900钛合金叶片。
2.铸造高温合金叶片,半个多世纪来,铸造涡轮叶片的承温能力从1940s年代的750℃左,应该说,这一巨大成就是叶片合金、铸造工艺、叶片设计和加工以。
叶片用铸造高温合金如表2所示,图11为铸造高温合金叶片,北京航空材料研究所、钢铁研究总院、沈阳金属所是铸造,4.新型材料叶片,发动机叶片的蠕变断裂,航空事故历史中,发动机叶片损坏而引发的飞机事故还真不少见,2014年。
我国南航CZ3739航班飞机引擎空中着火,事后调查显示发生故障的发动机进口处,压气机风扇的叶片有断裂,据推测,有可能是叶片断掉后进入发动机内,损伤发动机进气流场。
导致后者发生“畸变”,进而形成“喘振”,所幸的是这次事故没有造成人员伤亡,3)精锻件,机加工成成品,真空感应熔炼。
我国耐热钛合金开发和应用方面也落后于其他发达国家,英国的600℃高温钛合金IMI834已正式应用于多,美国的Ti-1100也开始用于T55-712 改型,而我国用于制造压气机盘、叶片的高温钛合金尚正在研制,其它像纤维增强钛基复合材料、抗燃烧钛合金、Ti-A,但离实际应用还有一个过程,早在1970s,钛合金超塑性成形技术就在美国军用飞机和欧洲协和飞机。
在随后的十年中,又开发了军用飞机骨架和发动机用新型超塑性钛合金和铝,在军用飞机及先进的民用涡扇发动机叶片等,均用超塑性成形技术制造,并采用扩散连接组装。
制造技术,叶片熔铸加工,3.超塑性成形钛合金叶片,3.2,1)镦锻榫头部位,叶片材料。
超应力,4)成品零件消应力退火处理,表1 国内飞机叶片用高温合金牌号及其工作温度,从理论上看,涡轮叶片断裂的故障机理有疲劳、超应力、蠕变、腐蚀、,可见,发动机叶片断裂不容小觑。
那么今天小编就带领大家全方位认识一下发动机叶片的断,看看它为啥有这么惊人的破坏力,制造技术,腐蚀来自于叶片所受的高温燃气,高温燃气对叶片的腐蚀既包括冲刷造成的腐蚀,也包括高温燃气对金属叶片的氧化腐蚀。
腐蚀会降低叶片的性能,当腐蚀达到一定程度,叶片材料性能不能满足要求时,就会发生断裂,尽管高温合金用于飞机发动机叶片已经50多年了,这些材料有优异的机械性能,材料研究人员,仍然在改进其性能。
使设计工程师能够发展研制可在更高温度下工作的、效率,不过,一种新型的金属间化合物材料正在浮现,它有可能彻底替代高温合金,铸造高温合金叶片,精密数控加工技术加工叶片,表2 国内叶片用铸造高温合金牌号及使用温度。
变形高温合金叶片的生产是将热轧棒经过模锻或辊压成形,模锻叶片主要工艺如下:,罗尔斯-罗伊斯Trent900钛合金叶片,2010年,美国通用公司、精密铸件公司等申请了一项由NASA支。
通过验证和评定钛铝金属间化合物(TiAl,Ti-47Al-2Nb-2Cr,原子分数)以及现在用于低压涡轮叶片的高温合金,使其投入工业生产中,如图24所示为铝化钛金属间化合物叶片(伽马钛合金),与镍基高温合金相比。
TiAl金属间化合物的耐冲击性能较差,将通过疲劳试验等,将技术风险降至最低,铬镍变形高温合金叶片,5)表面抛光处理。
分电解抛光、机械抛光两种,疲劳,2.2,真空熔炼技术,真空熔炼可显著降低高温合盒中有害于力学性能的杂质和。
而且可以精确控制合金成分.使合金性能稳定,4.2,发动机叶片中应力分布建模,2016年8月27日,一架西南航空的波音737-700型客机在执飞新奥尔,同样发生CFM56-7B型发动机的风扇叶片非包容性,所幸此次事故中客机安全降落。
并无更为严重事故发生,碳纤维/钛合金复合材料叶片,2)GH4049合金模锻易出现锻造裂纹,目前,Ti6Al4V和Ti6Al2Sn4Zr2Mo及其他,是超塑性成形叶片等最为常用的钛合金。
超塑性成形技术制造发动机叶片,腐蚀,表3 叶片等旋转件用钛合金及其特点,美国通用公司生产的GE90-115B发动机,叶身是碳纤维聚合物材料。
叶片边缘是钛合金材料,共有涡扇叶片22片,单重30~50磅,总重2000磅,能够提供最好的推重比,是目前最大的飞机喷气发动机叶片,用于波音777飞机,2010年9月在美国纽约现代艺术馆展出。
发动机工作时,由于经常起动、加速、减速、停车以及其他条件的影响,会使涡轮各部件承受复杂的循环载荷作用,使得叶片经受大量弹性应力循环,最终引起高周疲劳、低周疲劳或热疲劳,使得涡轮叶片断裂。
2.1,这是因为高温合金在高温工作下时会生成一种γ相,研究表明,这种相是使材料具有高温强度、抗蠕变性能和耐高温氧化,因此,人们开始了金属间化合物材料的研究。
金属间化合物,密度只有高温合金一半,至少可以用于低压分段,用于取代高温合金,美国Howmet公司等用于细晶铸造制造叶片等转动件,常用合金为:In792、Mar-M247和In71。
导向叶片等静止件则多用IN718C、PWA1472,1990s年代之后,为满足新型发动机之需要,计算机数值模拟在合金成分设计和铸造工艺过程中的应用,蠕变。
变形高温合金发展有50多年的历史,国内飞机发动机叶片常用变形高温合金如表1所示,高温合金中随着铝、钛和钨、钼含量增加,材料性能持续提高,但热加工性能下降,加入昂贵的合金元素钴之后。
可以改善材料的综合性能和提高高温组织的稳定性,叶片材料,美国通用公司生产的GE90-115B发动机涡扇叶片,压气机叶片的严重腐蚀,熔模铸造工艺。
国内外熔模铸造技术的发展使铸造叶片不断进步,从最初的实心叶片到空心叶片,从有加工余量叶片到无余量叶片,再到定向(单晶)空心无余量叶片,叶片的外形和内腔也越来越复杂,空心气冷叶片的出现既减轻了叶片重量,又提高了叶片的承温能力,4)GH4220合金生产的叶片。
在试车中容易发生“掉晶”现象,这是在热应力反复作用下,导致晶粒松动,直至剥落,铝化钛金属间化合物叶片。
1)钢锭头部切头余量不足,中心亮条缺陷贯穿整个叶片,金属间化合物叶片,1.2,涡轮发动机叶片根部疲劳裂纹扩展。
英国罗尔斯-罗伊斯公司,在1999年,申请了一项γ相钛铝金属间化合物专利,该材料是由伯明翰大学承担研制的,这种材料可以满足未来军用和民用发动机性能目标的要求,可以用于制造从压缩机至燃烧室的部件,包括叶片,这种合金的牌号。
由罗尔斯-罗伊斯公司定为: Ti-45-2-2-X,3)叶片电解抛光中,发生电解损伤,形成晶界腐蚀,2)换模具。
模锻叶身,通常分粗锻、精锻两道工序,模锻时,一般要在模腔内壁喷涂硫化钼,减少模具与材料接触面阻力,以利于金属变形流动,1.变形高温合金叶片。
4.1,叶片是航空发动机关键零件它的制造量占整机制造量的三,航空发动机叶片属于薄壁易变形零件,如何控制其变形并高效、高质量地加工是目前叶片制造行,随着数控机床的出现,叶片制造工艺发生重大变化。
采用精密数控加工技术加工的叶片精度高,制造周期短,国内一般6~12个月(半精加工),国外一般3~6个月(无余量加工),高温环境下。
蠕变断裂是涡轮叶片主要的失效形式之一,随着涡轮后燃气温度从20世纪50年代的1150K增,蠕变将导致叶片的塑性变形过大甚至产生蠕变断裂,金属件化合物的规则重复的图案,NB-Si系化合物,叶片材料,熔模铸造涡轮叶片。
1.1,涡轮叶片由于其形状的不规则,叶片中存在应力集中部位,尽管在设计中往往会采取一系列措施加以避免,但实际上,超应力仍然是造成涡轮叶片断裂的一个原因,叶片的断裂除此还和材料和制造手段有一定的关系,下面小编介绍一下叶片的材料和主要制造技术。
其实据不完全统计,我国空军现役飞行的发动机事故中,80%都跟发动机叶片断裂失效有关,而这么娇贵的部分一旦发生断裂失效,对发动机乃至整个飞机的损害往往是致命性的。
3.1,制造技术,2018年4月17日,西南航空1380号航班(Southwest Air,突然发生发动机爆炸事故,事故导致1人遇难,148人生还。
微观选择性激光熔化技术发展的现状及未来展望
NS: Not specified,D90 : the diameter of the,该系统的实施可能存在以下问题:①将基板定位在激光照,②在每层之间穿过基板可能会导致定位不准确和零件移位,③在移位之前处理捕获的粉末可能很困难,此外,该系统可能仍然缺乏实现进一步分层的能力,HSS: high-speed steel。
CVD: chemical vapor depos,NA: not available,振动方法在细粉供给领域受到越来越多的关注,这些方法使用振动行为来增加自由体积,从而改善粒子位移,震动法还能破坏粒子附聚物。
Matsusaka首先使用垂直毛细管的振动[如图1,由于黏合性,细粉末不能完全通过重力流过毛细管,当通过可变直流(DC)电动机在毛细管上引起振动时,它会传播到粉末中。
导致管壁和粉末之间的摩擦应力降低,振动的幅度和频率都是影响流速的关键参数,粉末流速与振动频率成正比,但与振幅成反比,该研究小组使用超声波换能器来引起毛细管振动,Yang和Evans [如图12(b)所示]开发了,使用基板上尺寸为12 μm的粒子来印刷多边形碳化钨,Li等使用由压电传感器产生的超声振动来馈送3 μm。
由于超声频率中的微振动,内壁附近的薄粉层表现为润滑剂,由于超声波沿着毛细管行进,超声波粉末进料的好处在于其防止粉末聚集并实现连续和,Yang和Evans开发了一种系统,如图12(c)所示,使用单独的粉末料斗和混合料斗混合和沉积多种材料。
其中流速由声振动控制,这些研究工作已经证明了基于超声波的微馈电装置的能力,该微馈电装置可以与激光器集成并用于普通的AM系统中,七、结论,激光束直径是影响特征分辨率的最重要参数之一,激光交点处的光斑尺寸最小,常被用于AM工艺,因为功率密度在这个焦点能被最大化。
PBF工艺使用直径在50~100 µm范围内的激光,而DED工艺使用大小处于毫米级的斑点,Ma等研究了通过激光熔覆工艺(LCD)和SLM工艺,其中,LCD工艺的光斑尺寸(> 1 mm)远大于SLM工,SLM工艺下熔池的深宽比、冷却速率更高。
主蜂窝臂间距更小,颗粒纵横比更低,显微硬度、强度更高,虽然通过本研究很难将SLM工艺的表现归因于光束直径,但这项研究为后续研究提供了一些方向,表明光斑尺寸的变化会产生的不同的能量输入及凝固速率。
并在熔体池和微观结构方面产生差异,Liu等使用SS 316L粉末研究了激光束直径在S,当光束直径从48 µm减小到26 µm时,工艺在部件密度、表面光洁度和力学性能方面都得到了改,Makoana等使用两种应用不同的光束直径(80 ,为了研究光束直径的影响,功率密度保持恒定。
研究发现较小的光束直径和较小的激光功率会产生较窄和,并导致较小的填充间距和层厚度,表5总结了不同喷砂处理对各种材料的最终表面质量的影,可以推断,喷砂处理可以有效地将表面粗糙度降低50% ~70%,最小Ra 小于1 µm,即使磨料喷砂的工艺可重复性受到限制。
却常被用于微组件,因为它在工艺简单性、灵活性、循环时间和成本方面是有,• 有效的粉末分配策略,以避免粉末堵塞,本文还研究了SLM部件表面处理技术。
虽然大多数工艺可以实现小于1 µm的表面粗糙度,但是选择一个理想的微观SLM工艺要基于许多因素,包括零件几何形状、特征分辨率和精加工要求,文献表明,喷砂是目前微零件常用的精加工技术,在混合处理的方法中,激光抛光作为微观SLM的二次精加工技术似乎比其他技。
表3 粉末耙动系统的比较,(2)干粉末分配系统比传统的粉末重涂方法具有更高的,与常规制造工艺相比,当AM已经解决了更高循环时间的问题时,将增加粉末床工艺的工艺循环时间。
混合制造系统将AM与减法或其他辅助系统集成在一起,以提高机器系统的生产率和定制性能,AM中的混合系统把激光熔覆头(在LMD的情况下)安,然后集成激光系统和CNC铣床,总的来说,系统设计应该以最少的后处理来提高结构的构建性能、精,在粉末床熔融添加剂制造(PBF-AM)的情况下,除了Sodick OPM250E和Matsuura。
很少有混合系统可用,尽管PBF-AM之后的组件的表面质量一直存在问题,虽然在粉末床AM加工过程中,精密加工已经改善了许多,但是还没有开发出包括加成和减成加工的混合系统来制造,与表4中列出的精密加工工艺相比,激光重熔或激光抛光与微SLM集成来开发混合系统似乎,可以在现有SLM系统中使用相同的激光源或不同的激光。
尽管如此,应该承认每种精密加工技术都有其自身的优点和局限性,而选择一种理想的表面处理工艺取决于SLM制造零件的,因此,应改进SLM技术的能力以制造具有精细表面光洁度的特,以便消除对任何二次加工的需要。
为了克服当前粉末分配系统存在的问题,Vaezi等建议使用干粉分配技术,特别针对微观PBF工艺流程,干粉分配的机械方法包括气动、容积和螺旋/螺旋钻方法,这些方法进料速度慢并且不能处理细粉末,这些方法的空间分辨率比微SLM所需的空间分辨率低至,除了凝聚之外。
为了改进微观SLM体系,还需要解决细粉粒子带来的其他问题,这些问题如下:,2013年,Gieseke等开 发 出 一 款 微 观SLM系,用于生产美国钢铁协会(AISI)的316L空心微针,其最小壁厚为50 µm,为了呈现精细特征。
激光光斑直径缩小至19.4 µm,为了生产内径为160 µm、层厚为20 µm的针,研究人员采用了粒径为5~25 µm的粉末,尽管光斑和粉末的尺寸都十分精细,但是生产的部件表面粗糙度仍然不佳(Ra ≈ 8 µ,细粉的团聚会造成粉末扩散不均匀,这一原因可以解释光洁度不佳的结果,由于高能量输入。
墙上明显出现粉末黏附现象,虽然部分支柱失效,但也产生了更复杂的螺旋形状,其最小支柱直径为60 µm,随后Gieseke的研究团队使用形状记忆合金(Ni,如图8(a)所示,在较低的激光功率和较高的扫描速度下分辨率为50 µ。
Yadroitsev和Bertrand使用PM 1,如图8(b)所示,光斑直径和层厚分别为70 µm和5 µm,他们还制造了100~150 µm的正常运行部件,其中结构原件为20 µm,值得注意的是,此处的光斑直径仍然很大。
表面粗糙度很差,三、选择性激光熔化,一、引言,表4 AM制造零件表面精加工技术的比较,尽管已证明振动和静电粉末分配在粉末床工艺中精确和选,但这些技术具有一定的局限性:。
SLM中微观结构的形成受到许多机制的影响,包括热传递、材料的热物理性质和相变,凝固形式和由此产生的微观结构由熔化槽的温度梯度(G,R)控制,这通过凝固图(G对应R的图像)表示。
凝固形式有等轴枝晶型、柱状枝晶型、胞状晶型和平面状,已经发现在SLM中经常观测到的微观结构是柱状晶,因为AM工艺通常在相邻层的熔化过程中经历快速加热、,SLM中柱状晶的形成主要可归因于沿构建方向的温度梯,SLM中产生的微观结构主要受激光功率、扫描速度和扫。
虽然元素组成、构建方向、零件几何形状等因素也有影响,使用SLM制造的AM组件的特性通常根据应用程序的不,通过多个过程结果进行评估,图4总结了SLM制件的一些重要特征,与任何常规工艺一样。
为了评估最终制造部件的质量,从而评估SLM过程,对其特征分辨率、表面光洁度、力学性能和微观结构进行,图5说明了在SLM中可能会发生的缺陷,缺陷的形成本质上取决于工艺变量。
为了制造无缺陷部件,需要对其进行优化,关于AM过程中的缺陷的详细报告可在其他文章中获得,• 采用全新的涂布机设计,结合精密的刀片和滚轮,滚轮装有线性音圈致动器,以提供极低幅度的高频振动。
这一全新设置能利用振动压实粉末,得到几微米的薄层,图11 粉末床AM中现有耙动系统的示意图,(a)刮刀,(b)正转滚筒(FR)。
(c)反转滚筒(CR),(d)合并FR-CR,(e)组合刮刀和振动CR,(f)三滚筒系统,(g)带压实机构的圆柱形耙动系统,十余年前,一家名为“Mittelsachsen”的激光研究所,即激光微烧结。
该系统涉及一项特殊的耙动步骤,首先施加一层厚粉末,再从相反的方向不断剪切以得到薄层,为了确保涂层厚度的精度达到亚微米级,撒粉器和建模平台的分辨率达到0.1 µm。
通过这种方法制造的微部件结构分辨率小于30 µm,纵横比大于10,表面粗糙度为5 µm,如图7所示,研究测试了钨(W)、铝(Al)、铜(Cu)、银(A。
图7(a)展示了此设备用300 nm钨粉得到的初始,虽然粉末在10–3 Pa的真空条件下耙动更好,但是耙动后的粉床密度(powder-bed den,PBD)仍在15%左右,钨铜粉末混合物烧结后可得到90%的最大部件密度,不限于SLM/SLS,制约微AM应用的常见因素有:粉末粒径有限,由于金属中的高散热导致加热区的限制较低。
分辨率控制困难,表面粗糙,粉末处理能力不理想以及取模困难,这些因素表明有必要开发新的系统,使用新型的方法来进行粉末配置和部件的后期处理,应用材料公司(Applied Materials 。
将扩散粉末层与基板或预烧结部分致密,如图13(c)所示,当电极和新鲜进料粉末层之间的间隙处的电位降大于穿过,应用静电压实,通过气流产生的等离子体也可用于增加压实力,在这种情况下,大部分潜在的下降发生在任何先前沉积的层和新鲜进料材。
Paasche等概念化了使用静电粉末沉积的AM粉末,如图13(d)所示,在他们的设置中,带正电的基板在施加电压的情况下从带负电的粉末容器中,一旦粉末沉积,衬底就朝向激光束横穿以便随后熔化,重复该过程直到制造整个部件,尽管已经对SLM工艺进行了广泛的研究。
但值得注意的是,对于光斑尺寸对工艺表现的影响的研究,特别是在特征分辨率上的研究是非常稀缺的,从表1中可以看出,微SLM系统的光斑尺寸在20~30 µm的范围内,而相应的最小特征分辨率与光斑尺寸相似或略大,与之类似。
商业微SLM系统具有大于20 µm的激光光斑尺寸(,为了实现精细的微观特征,有必要实现更精细的激光束光斑尺寸,DebRoy等强调需要通过小光斑尺寸和低功率来实现,光斑尺寸通常可以由光纤纤芯直径、聚焦透镜和准直透镜。
通过适当的光学设计,减小激光光斑尺寸非常简单,SLM工艺中的光学系统通常由准直器、光束整形器、扫,传统和微观SLM机器中的扫描系统通常使用由两个反射,以在至少两个轴上引导激光束,在由Regenfuss等开发的最初的一套SLS系统,扫描场为25 mm×25 mm的SCANLAB光束。
在TEM00模式下功率为0.1~10 W,为了实现更精细的光斑尺寸,光学设计还可以包括其他机制,例如数字镜装置,然而,对光学系统的详细评测超出了本研究的范围。
SLM制造的部件的表面粗糙度通常大于10 μm,所以后续处理还是必要的,尽管为了得到粗糙度小于1 μm的光滑表面已经做出了,但仍不可避免地要对微观AM部件要进行二次精加工,本节首先重点介绍AM组件的典型表面处理技术,以及这些技术的功能。
接下来,简要讨论了这些方法能否适用于微观SLM零件,即能否单独后期处理SLM零件或者能否与微观SLM零,来源:中国工程院院刊,Helmer等通过改变激光焦点研究了激光光斑大小在,结果表明,对应于聚焦(400 µm)和散焦光束(500 µm,McLouth等最近的一篇论文将改变激光焦点的分析。
与使用散焦光束制造的样品相比,在激光焦点处制造的IN718样品具有更精细的微结构,这种行为被归因于较小光斑尺寸导致的较高功率密度,一篇关于激光焦点偏移对孔隙率、表面粗糙度和拉伸强度,研究观察到从负偏移(–2 mm)处的熔合不足到由于。
能量输入的变化以及焦点偏移和光斑尺寸与光束呈高斯分,然而,研究也注意到最佳焦点偏移以及光斑尺寸与扫描速度和激,对类似工艺(即激光焊接)的研究强调了由于功率密度的,更小的激光光斑大小通过实现更快的焊接速度或更深的穿,(四)粉末重涂系统,图1 用于微观尺度制造的AM技术的主要分类,MSL:微型立体印刷术。
FDM:熔融沉积建模,LOM:目标分层制造,经Springer-Verlag London,©2012许可摘自参考文献,几种粉末特性(图3)会影响SLM工艺的性能,并由此影响制造的部件质量,粉末形状、尺寸和表面粗糙度是影响粉末流动性的最重要。
并会因此影响粉末床性质、熔池性能和部件特性,除粒径外,PSD也会显著影响SLM过程,Liu等发现PSD越宽,表面粗糙度和部件密度越好。
而PSD越窄,硬度和拉伸强度越好,确定最佳粉末粒径和PSD是具有挑战性的,因为具有窄PSD的细粉末会导致聚集,而具有更宽PSD的粗粉末则会导致分离,此外,许多研究强调双峰或多峰粉末分布增加了粉末堆积密度和,基于这一优势。
Vaezi等提出了一种用于微尺度黏合剂喷射工艺的双,以改善零件表面质量,• SLM机器中常用的检流镜在本装置中替换为数字微,以提高系统吞吐量,在过去十年中。
珠宝行业一直在尝试使用AM加工珠宝,这个领域正在不断发展,因为几乎所有主要的AM设备制造商都不断加大使用AM,AM除了一些常见的优势,如近净成形制造,减少材料浪费,以及加快小批量的整体工艺周期速度外。
微观AM制造薄壁、花丝、网状物的能力,还有轻巧的部件可以增强设计的自由度和美感,是吸引珠宝行业的特定因素,珠宝制造商的多项研究强调,尽管目前局限性仍然存在,但是SLM将与传统铸造共存。
以节约成本和实现设计的多功能性,近年来,人们对微制造技术的需求不断增加,以此来满足不同行业的发展需求,这些行业包括电子学、医学、汽车、生物技术、能源、通,许多产品和部件,包括微制动器、微机械装置、传感器和探针、微流控元件。
以及最重要的微机电系统(MEMS)设备,都是通过微加工技术制造的,商业系统可达到的最小光斑尺寸和层厚度分别为20 µ,现有文献的一个主要限制是,没有一项工作试图研究制造零件的物理性质和微观结构,这使得跨尺度比较SLM工艺变得困难,图2 SLM工艺示意图,• Nguyen等观察到在IN718的SLM期间。
惰性气体流带走了粒径小于几微米的细微粉末颗粒,现有的耙动系统对于传统的SLM工艺是有效的,因为在现有工艺中,粉末扩散中的微小不准确性可以忽略不计,然而。
在微观尺度上,类似的问题可能导致制造的零件尺寸出现较大的偏差,由于微粉末被用于微观SLM,这样的情况会加剧,尽管一直致力于改进耙动方法,但那些方法缺乏微SLM所需的精度,现有的重涂方法无法在粉末床上获得均匀、致密的细粉末。
细粉末颗粒与耙粒组分之间的相互作用极大地影响粉末扩,二、 微型金属 AM,材料挤压、光聚合、材料喷射一般应用于非金属材料,层压可以加工金属,其基础是对金属片进行精密切片,然后再用键合、焊接或超声波加固进行堆垛,(1)通过基于喷嘴的系统的粉末分配受到工艺环境的强,并且喷嘴堵塞将妨碍粉末输送的可靠性。
Hirt等设想可以将设备和传感器直接印刷应用到航空,微米级或纳米级分辨率的部件有助于实现可控的微结构,利用微结构的精确控制来改善AM制造部件的机械强度和,微观SLM未来方向应侧重于两个方面:与设备有关的因,应设计一种系统来处理纳米级且易于聚集的金属粉末。
重点应放在开发一种创新性的粉末重涂系统,该系统可以实现亚微米级厚度的均匀粉末层,同时不会影响重涂速度,关于工艺知识,需要更多的研究来了解纳米级粉末颗粒与激光束之间的相,由于目前研究数量有限。
需要进一步了解微SLM制造的部件的微观结构和力学性,考虑到具有优良性能的金属微粒在精密工程、生物医学、,SLM的进一步改进将扩大它本身甚至AM的应用领域,文献综述表明,耙动系统不仅可以将粉末分散到粉末床上,而且可以提供更好的体积填充密度,因此,需要有效的粉末重涂系统来将层厚度控制到亚微米级或纳。
同时沿着粉末床产生均匀的粉末分布,该研究团队还开发了一款改进后的系统,配备两个横截面呈圆形的耙子,用于铺开粉末,图7(b)~(d)展示了用改进设备制造的不同的特征。
两款设备的不同之处在于粉末重涂机制,新款的耙子在粉末储存器和建模平台之间以圆周运动穿行,具有锋利边缘的金属圆柱体用作耙刀,配备两个耙子的设计能够利用多种材料制造部件,或使部件的晶粒尺寸随部件厚度梯度变化,如图7(d)所示,除耙动之外。
重涂系统还可通过压力手动压实粉末,这种独特装置能够通过激光微烧结生产各种金属的微部件,包括钨、铝、铜、银、316L、钼(Mo)、钛(Ti,不断改进工艺特性之后,金属的激光微烧结的最小分辨率为15 µm。
表面粗糙度为1.5 µm,据报道,氧化陶瓷和合金的最大部件密度可达98%和95%,• 使用额外的黏合剂进行有效分配(基于浆料),表1总结了使用微观SLM/SLS处理金属材料的研究,值得注意的是,CW激光和脉冲激光在微观SLM系统中均有应用。
而在传统SLM系统中,CW激光的应用突出,Regenfuss等起初在激光微烧结装置中使用Q调,其有效原因如下:①提高部件分辨率,②减少残余应力。
③减少氧化效应,可能由于气体或等离子膨胀产生屏蔽效应,④消除低压下基底部件黏附性差和材料升华等问题,这些问题通常在使用CW激光烧结亚微米级粉末时产生,⑤适合处理电介质,脉冲激光和CW激光相比,激光强度更大,能够产生窄而深的切口、冷冻喷射和扁平凹坑。
但是脉冲激光的熔池不稳定,会导致表面光洁度差、轨迹不规整和球化现象,2,干粉分配,商用SLM系统通常采用粒径为20~50 µm的粉末,涂层厚度为20~100 µm,为了使传统SLM的应用更加精确,提高特征分辨率。
作者主要从三个方面开展研究:激光束直径、涂层厚度和,Fischer等将微观SLM的范围定义如下:激光束,涂层厚度小于10 µm,颗粒尺寸小于10 µm,最近,新加坡制造技术研究所(SIMTech)的研究者开发,具有精细的激光光斑尺寸和一种能够处理精细粉末的新型,使用SS 316L粉末(D50 ≈10 µm。
其中D50 是微粒的直径,50%的微粒直径分布在该值以下)的初始实验结果证明,通过改变激光功率、扫描策略、扫描速度和孵化密度,对这个系统进行了各种实验验证,图9(b)显示了使用微观SLM系统制作的各种特征。
其工艺参数如下:层厚度为10 µm,光斑直径为15 µm,激光功率为50 W,扫描速度为800~1400 mm·s−1,孵化间距为10 µm。
目前,可以实现的最小特征尺寸为60 µm,最小表面粗糙度(Ra )为1.3 µm,而该系统能够处理亚微米和纳米级粉末以产生1 µm的,随着层厚和粉末粒度的进一步减小,使用该研发系统可以获得更精细的特征分辨率(< 15,与设备相关的缩放比例因素包括建筑平台、光学系统、粉。
对于微观SLM系统,建筑平台的尺寸和整个设备的占地面积都较小,为了满足实现精细光斑尺寸的主要要求之一,必须对光学单元进行修改,这将在第4.2节中描述,微观SLM的另一个重要要求是得到更小的层厚,这可以通过用于粉末分配和建筑平台的精密驱动来实现。
与按比例缩小尺寸有关的主要设备问题是需要使用亚微米,由于细小的纳米颗粒暴露在环境中会带来安全和健康危害,因此建议尽量减少人工处理这些粉末,对于任何SLM机器来说,为建筑室提供一个紧密的封闭空间是非常必要的,粉末粒度和重涂系统的影响将分别在第4.3和4.4节,后处理差异包括对AM部件上进行的表面处理和热处理。
对薄的微部件进行热处理可能会导致零件变形,粉末黏附于墙体在SLM中是一种常见的现象,这需要在印刷后进行进一步精加工,在微尺度上,薄壁的加工是不可能的,正如Gieseke等所观察到的,非接触式精加工如电抛光也可能是无效的,因此。
有必要制造表面和沿壁表面光洁度均良好的零件,而不是依靠二次处理,第5节详细讨论了表面处理效果,本文系统地回顾了SLM技术在金属材料上实现微尺度特,微观SLM与传统SLM的区别在于三个因素:激光光斑,微观SLM的现有研究成功证明了在不同材料上(包括聚,目前的微观SLM系统的最小特征分辨率为15 µm。
最小表面粗糙度为1 µm,最大部件密度为99.3%,考虑到该领域的学术研究有限,让人惊叹的是,市场上已经出现了一些商业化的微观SLM系统,微观AM的最新研究成果来自得克萨斯大学奥斯汀分校。
其微观SLS系统由一个超快激光器、一个基于微镜的光,特征分辨率可达1 µm,他们对典型SLS系统做出三项重要修改:,AM的另一种有应用前景的粉末进料机制是基于静电的分,静电涂层和喷涂已广泛用于工业涂料和建筑行业,在Yang等所详述的最近的一篇综述中。
它已经在药片的干燥包衣中得到应用,该方法基于相反电荷之间的静电吸引原理工作,如图13(a)所示,粉末颗粒在暴露于强电场的同时被充电,带负电的颗粒被吸引到基板上,基板带正电或接地,在静电喷涂中,当粉末颗粒通过喷枪时。
粉末开始充电,然后沉积在接地基板上,与其他干涂布方法相比,静电涂层由于电引力而大大提高了涂层效率和黏附性,增材制造是对传统制造方法的巨大变革。
为制造产业提供了一种全新的制造模式,在医疗、航空、航天、汽车、建筑、国防、消费领域具有,从上世纪80年代崭露头角以来,增材制造技术的快速发展为金属制造开辟了新的领域,近年来,微观尺度和纳米尺度的增材制造引起了人们的关注,改编原文:,微观AM也可以应用于牙科领域。
目前,除了最常见的立体光刻和数字光投影(DLP)之外,SLM和SLS也用于牙科,牙桥和牙冠、牙种植体、局部义齿和模型铸件都是微观A,滚筒是第二常用的粉末耙动设备,滚筒通过在粉末床上的平移或顺时针旋转产生向前旋转运。
称为正向旋转滚筒(FR),如图11(b)所示,这种方法倾向于将粉末压实,因为在其平移期间滚筒前面有更多的粉末,但是在向前运动期间,会有粉末黏在滚筒上并在粉末床中形成凹坑,在相反方向上的滚筒旋转。
称为反向旋转滚筒(CR),具有更好的流动性,因为它在粉末流化的同时迫使粉末上升[图11(c)],但是,通过CR方法无法压实粉末,Niino和Sato提出了FR和CR的组合设置,如图11(d)所示,CR首先从床上除去多余的粉末。
这对于通过FR将粉末更好的压实有帮助,Budding和Vaneakar用刮刀取代了CR,以便在减少处理时间的同时得到相同的刮擦效果,然而,这些方法仍然会在粉末床上产生凹坑。
Roy和Cullinan分别使用刮刀和CR,以分别平整和压实粉末床,在图11(e)所示的装置中,加入CR的振动以压实最初由刮刀扩散出的粉末,Haferkamp等使用三个滚筒的组合来提供正向和,其中层厚度由滚筒之间的距离控制。
Regenfuss等除了刮刀外还使用压实圆筒,以分散、压实用于微粉末床工艺的细粉末,粉末耙动系统的示意图如图11(g)所示,在该设置中,构建基板、熔化部分和新粉末层下方的剩余粉末朝手动盖。
以压实粉末,表3比较了文献中描述的不同粉末耙动系统,Olakanmi研究了粉末特性对纯铝和铝合金的SL,结果表明,粉末颗粒的形状对加工结构和致密化过程有显著影响。
粉末中具有不规则形状的粉末颗粒加剧了附聚物和孔隙的,对SLM中原始Ti-TiB粉末形状的分析表明,不规则形状的粉末颗粒对致密化过程有消极影响,因此对抗拉强度也不利,在对粉末特性的研究中,Cordova等使用了不同的金属粉末,发现了最大粉末堆积密度。
且具有最均匀的形态(即最大球形),Liu等观察到,由于有着不规则的角形态和细小的粒径,水雾化的11 µm粉末与表观密度和振实密度相比具有,这些研究表明,在进行SLM和AM工艺的加工时普遍认为应该采用球形,正如Sutton等所述,SLM中颗粒直径的影响已经被广泛研究。
较小的颗粒尺寸通常会意味着更好的粉末堆积(表观密度,相比之下,使用更精细的IN718粉末则表现出了较差的表观密度,在经过SLM工艺之后,更细的粉末会使最终部件的表面粗糙度更好,但孔隙率增加,Simchi报道在没有结块的情况下,在SLM期间具有更细的粉末粒度或更大的表面积可以更。
最佳粉末粒度取决于其他工艺变量,因为使用尺寸大于激光光斑尺寸和层厚度的粉末通常会导,这会进一步影响熔池行为,然而,黏结剂喷射、DED和PBF被认为是处理金属最合适的。
黏结剂喷射的作用是在金属粉末上沉积黏结剂,然后固化成“绿色”部分,最后一部分是通过用另一种材料或同一种金属的纳米粒子,强制热处理和高孔隙率是黏结剂喷射工艺的常见限制,因为它们阻碍了其在微观尺度上的应用能力,• 细微粉末颗粒的反射率较高,降低了SLM过程中激光照射的吸收率,近几年来。
微观尺度和纳米尺度的AM引起了人们的关注,从相应技术的综述论文的出现就可以看出,DED也被称为激光熔覆、激光金属沉积(LMD)及激,它是另一种用于制造金属部件的重要AM工艺,在DED中。
原料被直接沉积到熔池中,熔池是由集中的能源制造的,原料可以是粉末或线材,其中供给粉末的DED通常具有比供给线材的DED更高,由于DED只产生近净成形,因此需要进一步的处理,AM技术通常可分为七大类:材料挤压、光聚合、材料喷。
尽管金属AM已经在生物医学和航空航天领域的各种应用,但是AM的应用被限制在大尺度和中尺度的制备,应用于微米级制造的AM技术是近期开发的,用于在包括陶瓷、聚合物和金属在内的各种材料上生产3,下面一节将重点介绍以往制造金属微部件的AM方法,• 凝聚粉末的机械分离,(五)粉末床表征,图5 典型的SLM工艺缺陷。
• 如在SLM中所观察到的,细微粉末颗粒可能在非常高的能量密度下蒸发,导致部件密度降低,表4比较了一些AM组件常见的表面处理技术,传统的减法加工通常用来改善AM生产的近净成形部件的。
简单的机械研磨和(或)抛光虽然通常不能满足高质量零,但对某些应用来说可能是足够的,图2展示了SLM流程设置的示意图,在SLM和SLS中,首先在建筑基板上铺一层粉末,激光束根据所需的几何形状熔化或烧结粉末,然后再将下一层粉末覆盖在固化部分上,再进行激光熔化/烧结。
由于激光源与粉末的相互作用时间短,SLM过程中的加热和冷却速率很高,由于所形成的熔体池几何形状显著地影响微观结构特征,所以加工零件的力学性能与常规工艺的力学性能不同,关于SLM的工艺机制的详细报告见参考文献[6,7,21],由于所涉及的复杂系统和机制。
SLM部件的最终质量受到大量工艺参数的影响,六、潜在应用,• 另一个缺点是细微粉末颗粒的反应性,这使得其在处理和运输过程中需要额外的安全措施,根据已发表的与SLM和PBF有关的综述,通常使用以下热处理后处理方法:应力消除、老化、固溶,热处理的目的是为了减少或消除瑕疵,控制微观结构。
改善性能,以及减轻残余应力,HIP通常用来封闭内部孔隙和裂纹,重结晶将微观结构细化为等轴细晶粒,老化则控制沉淀形成,由于SLM产生的微观结构不同于传统工艺形成的微观结。
因此热处理方法也不同,如前所述,超细小的光斑尺寸可能会导致微观SLM与传统SLM形,通过适当的热处理,有望控制微观结构,同时改善力学性能,由于SLM部件的后期热处理取决于许多因素。
包括初始微观结构、缺陷、残余应力、元素组成和期望的,所以为微观SLM预测合适的热处理具有挑战性,因此,未来对微观SLM热处理的研究将会非常有价值,因为它们将会为拓宽相关应用带来重大机遇。
但是,首先有必要了解各种材料的微观SLM所产生的微观结构,如晶粒形态和相的形成,以确定最佳的后期热处理,由于有能力制造真正的高分辨率3D微部件,对于没有任何树脂(如在MSL中)或黏合剂(如在3D,SLM和SLS(即采用激光的基于粉末层的逐层熔化或,大量关于在宏观尺度加工中应用SLM和SLS的现有知。
本文专注于SLM和SLS进行微尺度特征的制作,SLM与SLS的区别在于熔化程度,SLM可实现粉末的完全熔化,而SLS仅能达到粉末的烧结状态或部分熔化,除了粉末颗粒的全部或部分熔化外,SLM和SLS在工艺设置和机制方面没有差异,因此。
为了比较工艺构件和工艺参数,本文认为SLM和SLS是一致的,文章后面部分对粉末重涂系统和混合处理的讨论也可用于,为了设计应用范围不限于微SLM的新粉末分配策略,有必要理解当前在传统SLM中使用的现有技术,Ke等在激光微烧结平均粒径4 µm的 镍(Ni)粉,实验发现,CW激光的球化现象比脉冲激光更加明显。
等离子体的平坦效应和快速冷却速率减少了后者的球化现,而且,脉冲激光的润湿性更好,但是,脉冲激光产生的单条轨迹形成了波纹和沟槽,表面光洁度差。
同样,Kniepkamp等报道使用50 W光纤激光 的脉,出现不连续轨迹,Fischer等选取了大量的激光功率和脉冲重复率数,但是发现脉冲激光不能产生没有缺陷的均匀单轨迹,除了金属。
微观SLS中的脉冲波激光还用陶瓷进行了测试,结果发现有效,对陶瓷而言,使用Q调脉冲激光得到的分辨率比CW激光的高,因为脉冲激光不会聚集热量,尽管激光微烧结装置配合Q调脉冲激光能够成功烧结某些,但是在微观SLM中运用脉冲激光仍然存在局限性。
如表面光洁度、熔池稳定性和缺陷,这些局限和传统SLM中CW激光的广泛应用可以解释为,(二)激光光斑,虽然研究者在SLS系统中加入振动滚轮作为粉末涂布机,但是粉末颗粒团聚现象仍然存在,研究者对微观SLS系统进行了两项修改:①将干燥粉末。
②将颗粒分配机制由传统的刀片/滚轮改为槽模涂布或旋,在改进的装置中,微观SLS系统增加了灵活性好的槽模涂布机制,通过精确计量和可控分配,槽模涂布所沉积的涂层厚度在20~150 µm之间,此外,系统配备了使用音圈致动器的精确的纳米定位台来保证精。
然而,该系统只适用于浆料或墨水,因为细小的干燥粉末会受到范德华力产生团聚,Balasubramanian Nagaraja,Zhiheng Hu,Xu Song,Wei Zhai。
Jun Wei.Development of M,2019,5(4):702-720,图10(a)亚微米粒状钨粉末的附聚,(b)具有不规则形状的铜纳米颗粒(平均粒径为100,(c)球形铜纳米颗粒。
尺寸为40 nm,(a)转载自参考文献,经Emerald Group Publishing,©2007,(b)和(c)转载自参考文献,经Elsevier B.V.许可,©2018,表2在构建体积、可实现的层厚度、激光规格、激光光斑。
第一个微观SLS商用系统是建立在一项基于激光微烧结,一家由3D-Micromac AG 和EOS Gm,这家公司专门开发用于金属精密加工的微观SLS系统,从表2可以看出,现有的商用系统的激光光斑直径大于或等于20 µm,应该注意的是,为了制造精密的部件。
今后我们必须尽可能减小激光光斑尺寸,由于SLM/SLS工艺以逐层的方式构建部件,因此有必使层厚度尽可能小,以降低特征分辨率,除EOSINT μ60之外。
其他现有的微观SLS系统通常产生10~50 µm的,不能用于实现亚微米规模的微观特征,尽管人们致力于使用不同的重涂系统,商用体系依然都采用叶片或者滚轮系统,这和宏观SLM系统类似,减少层厚度的能力与所使用粉末的粒径相关联,传统的SLM/SLS通常使用直径为20~50 µm,而微SLS工艺则需要直径远小于10 µm的微粒。
(一)现有技术水平,微观AM(特别是微观SLM)已经应用于多个领域的精,微流体装置可应用于细胞生物学、生物医学科学和临床诊,本文尝试了直接型AM的微流体装置,但发现该方法的生产率远低于典型的注射成型工艺。
制造微流体装置的最常用技术是喷射模塑法和热压成型,这些技术需要主模具或工具插件把特征复制到基板上,用于微流体的主模具通常由光刻、电镀和模塑(LIGA,然而,这些技术受到材料和设计的限制。
用电铸镍来制造金属母模也是一种方法,但制造出来的模具硬度不够,微型模具的强度还需要改进,精密的制造金属微型模具的AM技术可以提高工具寿命,从而提高生产率。
相同的技术可用于生产高深宽比的微结构,这种微结构越来越多地应用于MEMS,Roy等使用微型SLS工艺来制造电气互连实体和电介,用于组装集成电路(IC)组件,两个柔性基板是通过在预制的迹线上印刷银电极和银连接,注:本文内容呈现略有调整,传统的SLM/SLS通常使用粒径为25~50 µm,而微SLS工艺需要直径远小于10 µm的颗粒。
微米级和亚微米级粉末已经在微SLS系统中进行了测试,但在零件质量方面表现出了局限性,Regenfuss等使用0.3 µm的粉末进行激光,以产生图7所示的特征,Fischer等使用尺寸为3.5 µm的粉末。
但最精细的特征分辨率为约57 µm,为了制造亚微米特征,纳米粉末是必要的,然而,纳米粉末由于高表面积与体积比而导致过度聚集和氧化,图10显示了不规则形状和细球形粉末颗粒的聚集。
在纳米尺度上,范德华力大于重力,团聚会增加颗粒间的摩擦并降低粉末的流动性,导致不均匀的粉末分层,进一步的效果包括球化效应和孔隙率的增加,• 热能增加填料密度(预热/预烧结),图12 振动干粉末分配系统的示意图。
(a)使用直流电动机的振动,(b)使用超声波源振动,(c)使用声学粉末床AM的多粉末分配系统,(a)经日本粉末技术学会许可转载自参考文献,©1996,(b)经Elsevier B.V.许可转载自参考文,©2004。
(c)经日本粉末技术学会许可转载自参考文献,©2007,表2 用于微制造技术的商用AM系统标杆,2014年,Fischer等使用EOSINT µ60系统研究微,最小粗糙度和最大特征分辨率分别达到7.3 µm和5,立方结构的SLM的最大相对密度可达99.32%。
尽管所使用的粉末相对较细,粒径为3.5 µm,但是取得的分辨率无法满足微部件的尺寸规格,Abele和Kniepkamp使用轮廓扫描策略进一,沿壁构建方向上的最小表面粗糙度达1.69 µm,Kniepkamp等还使用参数优化来制造微观SLM,顶部表面粗糙度小于1 µm,最近。
Robert和Tien使用微观SLS制造SS微电极,其垂直和横向分辨率分别为5 µm和30 µm,增材制造(AM)技术在过去20年中的发展为金属制造,因为AM能够制造出任何形状复杂的元件,AM将粉末或线材原料以一种逐层的方式整合成最终产品,AM流程首先对所需部件进行3D建模。
然后将其切片成不同的二维(2D)层,随后沉积原料,并利用一种能源选择性地增加每一层,据报道,金属微SLM/SLS工艺的主要问题是传统的重涂系统,学界一直认为有必要研发一种新型粉末重涂机制。
以便均匀散布亚微米级或纳米级的粉末,然而,如前所述,纳米粉末由于高表面积与体积比并且导致高表面能而易于,在纳米尺度下,范德华力大于重力,导致在AM过程的重涂步骤中形成不均匀的粉末层。
为了实现具有良好粉末堆积密度的有效分层,微SLM需要采用以下一种或多种方法:,图3 SLM工艺参数总结,为了发展微观SLM技术,SLM系统还需要进一步的修改。
如调整光学系统,粉末重涂和粉末的分配和成形阶段的驱动,目前限制获得薄且均匀的粉末层的因素主要是粉末特性和,文献表明,目前的粉末重涂方法主要是通过刀片或滚轮进行的,并不适合处理细粉末,本文综述了几种可能的干粉滴涂方法在粉末床AM系统中,在已经实施和测试的AM系统中。
人们采用了振动和静电的粉末分配方法,静电技术在涂层循环时间方面似乎是最有希望的,微观SLM的有效策略是整合所有子系统:如粉末分配、,并建立一个闭环反馈系统,图9 (a)SIMTech开发的微观SLM系统,(b)使用微观SLM制作的各种特征,(c)特征顶面的扫描电子显微镜(SEM)图像,SLM工艺参数根据性质可大致分为粉末相关、激光相关。
如图3所示,大多数粉末相关的工艺参数,如化学组成、颗粒的尺寸和形状以及表面形态,都是实际生产环境中的不变量,与影响SLM过程的激光系统有关的参数包括激光类型[,扫描参数(如扫描策略、图案间距和扫描速度)显著影响。
SLM工艺参数的第三种分类是粉床特性,在大多数粉床工艺中,粉末是通过耙式机构添加到建筑平台上的,这也被称为重涂,送粉系统的效率受多个参数的影响,包括重涂机的类型、重涂的送粉次数、每次送粉过程中回,重涂层的厚度是控制部件性能的重要工艺参数之一。
层厚、粒度分布(PSD)和激光参数影响激光与材料的,从而影响熔池的特性,粉末床重涂取决于粉末的流动性,这同时受到粉末和设备特性的影响,必须首先增加流动性以获得更好的粉末分布,而粉末在被铺展后还需要完好无损。
大多数商业SLM/SLS系统使用刮刀或滚筒重新涂覆,如表2所述,图13 静电干粉分配系统的示意图,(a)静电喷涂,(b)基于电子照相的SLM粉末分配,(c)静电粉末压实,(d)粉末床AM的静电粉末分配,(a)经中国颗粒学会和中国科学院过程工程研究所许可。
©2016,(b)经自由制造实验室和得克萨斯大学奥斯汀分校许可,©2018,(c)转载自参考文献,(d)转载自参考文献,1,目前应用的耙动法,图6 微观SLM的特征要求。
应该指出的是,人们对微观SLM的研究工作相当有限,这与人们对于传统宏观SLM领域的热衷不相符,对于传统SLM,文献中已广泛报道了各种工艺参数(如图3所示)对工艺,虽然微观SLM工艺参数预计会对工艺结果产生显著的影,包括特征分辨率、缺陷、表面光洁度和微观结构。
但是在文献中提到微观SLM参数研究的不多,Kniepkamp等报道了在316L粉末的微观SL,随着激光功率的降低,某些部件特征的尺寸精度增加,Fischer等在一系列扫描速度和激光功率下利用3,并确定了均匀轨道和密集立方体的制程窗口,Abele和Kniepkamp研究了在316L粉末,轮廓扫描策略、激光功率和扫描速度对垂直壁表面粗糙度。
在优化的曝光参数下,轮廓扫描降低了部件的垂直表面粗糙度,尽管做出了这些努力,但在以往对微观SLM/SLS的研究工作中,未对制造特征的力学性能、微观结构或残余应力分布进行。
由于那些工作的重点主要是获取具有光滑表面的精细致密,因此仅报道了诸如特征分辨率、部件密度和表面光洁度等,通过传统SLM制造的大多数部件具有结构应用,其中力学性能和微观结构因素如晶粒形态和晶体结构是显,由于通过微观SLM制造的部件可能也对力学性能、残余,因此有必要理解该工艺的基本行为,电子照相术是使用静电方法的另一种常见应用,其中照相纸用调色剂颗粒印刷。
在电子照相术中,首先通过高压电晕对光敏光电导体充电,然后通过光源选择性地使其表面放电,在光电导体上产生潜像,带电的调色剂颗粒沉积在光电导体上,然后将其转移到纸上,基于电子照相技术。
Liew等开发了一种二次粉末沉积系统,用于使用SLS的多材料制造,在简单的实验装置中,用聚四氟乙烯刮刀分离带负电荷的碳粉,然后将其沉积在带正电荷的纸上,Kumar和Zhang开发了基于电子照相的粉末沉积,如SLM / SLS。
用于粉末床技术,也可用于黏合剂喷射,它们的设置示意图类似于电子照相过程的示意图,如图13(b)所示,将粒径为5 μm的聚苯乙烯粉末沉积在铝建筑平台上并,在该技术中,层厚度由光导带的速度、单位质量的电荷和显影辊速度等。
Thomas等还为SLM工艺开发了一种基于电子照相,他们的设置证明了聚合物粉末从充电板到基板的良好转移,这两项研究都提出了使用电子照相技术的多材料粉末沉积,发现沉积效率受电势和充电板与基板之间的距离的影响,尽管在基底上最初形成均匀的单层粉末,但在基于电子照相的沉积中难以控制SLM所需的其他层。
为了在典型的SLM工艺中实现粉末沉积,他们提出了两种方法,使光电导体与衬底或固化的部分表面之间保持恒定的电势,②通过电晕装置进行额外充电,以增加电荷密度,对于微米尺度的SLM,薄粉层的应用是一个关键步骤,因为它会极大地影响零件分辨率、表面光洁度、孔隙率、。
Liu等表示,PBD对SLS中的制造部件密度有显著影响,值得注意的是,目前不存在任何工艺变量可以用来比较不同的粉末分配技,如果存在的话,是通过烧结或熔化的部件密度进行的,SLM收许多工艺参数影响。
因此在比较最终结果时难以分离粉末床特性的影响,本节详细介绍了PBD,因为它是影响微尺度粉末床系统的一个重要因素,表5 各种喷砂条件对表面光洁度的影响对比,化学和电化学抛光(ECP)比传统加工方法更适用于复,Pyka等采用化学蚀刻(CHE)和ECP对钛合金基,研究发现CHE主要去除附着粉末颗粒。
ECP则进一步降低了粗糙度,Alrbaey等采用ECP将SLM制造的SS 31,Yang等电解抛光EBM制造的Ti6Al4V样品,使其表面粗糙度从23 µm减小到6 µm,研究观察到不同区域和时间的形状精度损失和抛光并不一。
除了相关的环境问题之外,ECP易对材料造成侵蚀,这也会使尺寸精度产生偏差,应用最为广泛的机制是使用刮刀平整,如图11(a)所示,刮刀是一小块金属或陶瓷,用于将粉末刮过粉末床的表面,由于粉末没有通过刀片撒布器流化。
因此会将高剪切力施加到先前沉积的层,预计在刀片上施加超声波振动会降低这些剪切应力,粉末床加工过程中粉末的填充会影响零件密度,然而,没有标准的方法来表征粉末床的密度,Elliott等设计了一种方法来表征用于黏合剂喷射,首先。
使用CR将粉末沉积在粉末床上,接下来,沿着杯子的轮廓施加黏合剂射流,在腔中留下松散的粉末,印刷后,取出杯子并测量松散粉末的重量。
因为杯子的重量和体积是已知的,故可以计算PBD,Liu等使用了类似的方法,对于SLM,通过熔化方形容器壁来测量PBD,在两项研究中,发现PBD在在粉末的表观密度和振实密度之间,Gu等设计了一种无需黏合剂或沿盘烧结的计算PBD的。
将直径为60 mm的SS盘放置在烧结机的建筑平台上,分别将三层0.03 mm厚的粉末涂在其上,总高度为0.09 mm,从而可以确定粉末的体积,然后将盘从母板中取出并分别在有和没有粉末的情况下称,其差异即是三层粉末的质量,使用质量和体积计算PBD,从结果中观察到粉末流动性(休止角)和PBD之间没有。
在Zocca等的实验中,通过在打印机的建筑平台中沉积50层粉末(每层厚度为,并将质量除以获得的几何体积来确定粉末床的密度,从传统SLM按比例缩小到微观SLM需要考虑某些注意,可以分类为:①设备相关的,②工艺相关的和③后处理因素。
大多数工艺机制和工艺参数的影响都可以在不同尺寸的S,精细的光斑尺寸和微粒尺寸自然会减小层厚度和孵化间距,导致工艺周期时间的增加,Regenfuss等的文章提到,当层厚度和粒度降低一个数量级时,激光微烧结打印相同组件的加工时间增加了12倍,在微观尺寸上应用精细光斑。
功率密度将大大提高,因此,通过使用更小的激光功率和(或)更快的扫描,可以提高工艺产量,支撑结构设计是微观SLM的另一个关注点,因为移除结构很困难,可能会影响零件的尺寸。
同样,在高深宽比薄壁的情况下,特别是当建筑支撑结构困难时,预热可能是一个问题,Melvin和Beaman设计了一种筛网进料系统。
用于SLS,与电子照相术不同,筛网供给系统通过去除静电荷来工作,在筛网进料系统中,通过带电或研磨的筛子将粉末压在粉末床上,而通过刮板或辊子进行流平,与辊式进料相比。
在使用筛式进料系统烧结聚碳酸酯粉末之后,构件强度增强了3~4倍,部件密度增加了10% ~15%,观察到实验结果归因于PBD的相应增加,这是由从通过筛子的粉末中除去静电电荷而引起的。
然而,该系统难以实现精确的分层和均匀的涂层厚度,同样的研究人员开发了一种基于静电涂层的SLS粉末重,尽管静电粉末分层比辊产生更好的分散,但烧结部分仍具有很大的孔隙率,CNC: computer numerically。
CHE: chemical etching,ECP: electrochemical poli,尽管已有大量文献对传统SLM产生的微观结构进行了研,但对微观SLM的研究还没有类似的报道,最近,人们尝试通过在诸如EBM和SLM的PBF过程中使用,Al-Bermani报道了在SS的EBM过程中,通过改变聚焦偏移使电子束散焦显著影响熔池形态。
Phan等使用钴(Co)基合金EBM中窄聚焦束的类,致使水平枝晶限制了典型柱状枝晶的生长,McLouth等研究了IN718 SLM时激光光束,发现由于更高的功率密度,光斑尺寸越小。
产生的微观结构越精细,等轴结构越好,在我们最近对316L粉末单向形成的微观SLM研究中,由于我们研究的激光光斑尺寸精细,所观察到的“双峰”表面的熔池形态与宏观SLM中单向,上述关于散焦影响的研究表明激光光斑直径大小可能在微。
由于微观SLM中光斑尺寸较小,层厚较小,粉体较细,预计其微观组织形成与传统SLM不同,此外。
由于微观SLM具有细小的光斑尺寸,温度梯度和凝固速率预计会更大,这可能会导致更快的冷却速率,从而得到更精细的枝晶,然而,预测微观SLM的微观结构很难,因为它取决于许多涉及复杂机制的因素,通过许多研究。
我们已经能够得知利用传统SLM方法制备的部件的力学,包括它的材料硬度、抗拉力和疲劳性能,但是,文献中几乎没有研究过微观SLM部件的力学性能,力学性能通常受缺陷、微观结构、残余应力和随后热处理。
图4 SLM工艺输出特性概要,PBF通常用于制造需要良好表面光洁度的小部件,因为PBF比DED显示出更好的分辨率,PBF通常具有较小的熔体池和层厚度,因此能制造出更好的分辨率和表面光洁度。
PBF工艺涉及利用能源对一层粉末进行选择性熔化或烧,电子束和激光束是用于PBF过程的两种主要能源,即依次为电子束熔化(EBM)和选择性激光熔化(SL,此外,SLM能够生产具有与传统制造工艺相似的力学性能的部,编者按,四、微观选择性激光熔化,图8 使用微观SLM制造的部件。
(a) Ni-Ti微执行器,(b)SS 904L微流体系统俯视图,小图为其内部结构,(a)经Elsevier B.V.,© 2010 许可摘自参考文献,(b)经DAAAM International,© 2010许可摘自参考文献。
Engstrom等发表了关于纳米增材制造(ANM),该技术使用各种材料(包括金属、聚合物和有机分子)生,Hirt等的研究专注于金属的微AM技术,分为金属转移技术和原位合成技术,他们定义了微AM技术的基准特征大小为10 μm,Vaezi等将3D微AM技术分为两个主要类别,即3D直接写入和可缩放AM。
如图1所示,3D直接写入包括基于油墨的喷嘴分配和气溶胶喷射技术,如激光化学气相沉积(LCVD)、聚焦离子束(FIB,尽管直接写入过程典型地具有适合于纳米级制造的高分辨,但是处理过程极其复杂和缓慢。
在可伸缩AM技术范畴内,尽管受到材料选择的限制,微型立体印刷术(MSL)因其高分辨率和可重复性而一,熔融沉积建模(FDM)和目标分层制造(LOM)技术,此外它们在获得较高的特征分辨率方面也存在局限性。
虽然金属油墨已被用于喷墨打印,这种方法仍然严格限制于非金属,3D打印(3DP)/黏结剂喷射打印(BJP)在多材,但印刷部件的孔隙率通常很高,为了满足复杂的表面处理的要求,一些新的和不同的技术已经应用于复杂的AM组件,Tan和Yeo开发了一种用于AM部件的新技术——超。
在该方法中,超声压力波在液体介质中产生的空化泡可去除部分熔融粉,空化气泡的破裂引起冲击波,将磨料颗粒传播到样品表面,去除材料,接收基IN625的表面粗糙度从6.5~7.5 µm,Wang等采用磨料流加工(AFM)处理SLM部件。
AFM是一种众所周知的精加工技术,可以强制半固体磨料介质穿过表面,在AFM之后,SLM制造的铝合金的表面光洁度得到显著改善,表面粗糙度从14 µm降低到0.94µm,磁力研磨抛光(MAF)可以通过作用在磁性研磨剂上的,将SS 316L内部通道的表面粗糙度从0.6 µm。
Guo等研究出MAF振动辅助磁性研磨抛光(VAMA,该方法实现了微槽延边的表面光洁度从2.2 µm降至,激光抛光或激光重熔已经成为SLM表面潜在的经济有效,并可以使用与AM相同的激光源,将SLM制造的SS 316L的激光重熔后,在初始粗糙度为12 µm的情况下,Yasa等得到了1.5 µm的最终表面粗糙度并且在,用青铜渗透的激光抛光附加制造的SS AISI 42。
将表面粗糙度(Ra)从7.5~7.8 µm降低到1,Ma等观察到Ti基合金表面粗糙度从5 µm减小到1,Marimuthu等把SLM制造的Ti6Al4V的,并且没有形成α壳或热裂纹,虽然激光抛光AM部件可行,但该方法仅限于平坦表面和外部特征。
此外,表面重熔也会影响表面化学和热残余应力,磨料喷砂通常被称为喷砂,在工业中广泛用于表面清洁、雕刻和去毛刺,砂、磨料和坚果壳用作喷射介质,由加压空气或流体推进,De Wild等使用喷砂来整饰通过SLM制造的多孔,使用金刚砂喷砂后。
植入物的表面粗糙度(Sa)从3.33 µm减小到0,Strickstrock等使用氧化钇四方氧化锆多晶,Klotz等使用金刚砂和玻璃珠喷砂来抛光SLM制造,初始粗糙度为12.9~4.2 µm,喷砂还用于改善SLM制造的马氏体时效钢的美学外观,Qu等报道。
通过喷砂处理,放电加工(EDM)粗切WC-Co零件的表面粗糙度得,平均表面粗糙度(Ra )从1.3 µm降至0.7 ,• 装置中添加了额外的聚焦光学器件以实现1 µm的,此外,装置还采用一款线性致动系统。
将粉床分辨率提高至几十纳米,表1 用于微观制造的SLM/SLS技术文献综述,中国工程院院刊《Engineering》2019年,系统地回顾了选择性激光熔化技术在金属材料上实现微尺,综合评价了利用选择性激光熔化和选择性激光烧结制造微,详细阐述了选择性激光熔化未来的发展方向,为了从前文讨论的可用技术库中识别出适用于微观SLM,必须考虑许多因素。
包括制造特征的初始粗糙度、零件尺寸、几何形状、最小,微观SLM组件的尺寸通常为毫米级,而最小特征分辨率却在几微米的范围内(表1),表4中列出了用于微观SLM组件的技术的合格性,尽管整体研磨技术可以获得良好的表面光洁度。
但可能会在此过程中损害微尺度特征,用计算机数控技术(CNC)加工微观SLM零件是可行,但复杂几何条件下的微加工和刀具路径控制是难点,特别是,薄壁的精密加工以及内部和高深宽比特征的精密加工非常。
CHE和ECP通常要求表面平整,并要沿着边缘侵蚀材料,这可能会导致微小零件的尺寸误差较大,磨料喷砂通常用于整饰许多行业(如牙科和珠宝)的微小,所以可能是一种理想的选择。
微磨料喷砂是一系列医疗应用中最常用的表面处理之一,例如用微磨料喷砂可获得支持骨整合的牙种植体所需的表,Kennedy等在高速钢(HSS)和涂层碳化物上使,表面粗糙度降低60%,最细的表面R a 为0.4 µm。
激光抛光是另一种合适的选择,尽管重熔引起的热应力可能导致部件变形,尤其残余的热应力对薄弱部分的冲击很大,微观尺度制造过程通常可分为基于MEMS的(或基于光,金属材料在微部件中的应用取得了显著的进展,很大程度上是由于它们在力学性能和电气性能方面的适用,微制造中的金属的加工处理通常通过基于非光刻的技术来,如机械加工、成形和接合。
传统的微制造方法具有以下一个或多个限制:难以制造形,图7 激光微烧结制造微观特征,(a)由钨粉(300 nm)制成的烧结实验结构,(b)三个嵌套的空心球,(c)同心环,(d)多种材料(Cu和Ag)的激光烧结,(a)和(b)经Emerald Group Pub,© 2007许可摘自参考文献。
(b)经WILEY-VCH Verlag GmbH,KGaA,© 2007许可摘自参考文献,(c)经Emerald Group Publish,© 2005许可摘自参考文献,(三)粉末。
五、表面精整处理和混合处理,整体研磨技术诸如振动研磨和滚筒抛光基于部件表面和磨,振动研磨应用于平均粗糙度为17.9 μm的SLM制,得到的最终粗糙度为0.9 µm,然而,振动研磨导致表面产生大量的粗糙凹槽,Boschetto等使用滚筒抛光(通过旋转桶的翻滚。
该技术大幅度降低了SLM试样的表面粗糙度(48 h,尽管该技术具有良好的表面处理性能和工艺简单性,但缺点是耗费时间长。
关于高频微振动辅助激光焊接IN718高温合金航空发动机事故“第1杀手”的内容就介绍到这里!