1、多組元金屬粉末選擇性激光燒結數值模擬及試驗研究碩士學位論文 南京航空航天大學碩士學位論文多組元金屬粉末選擇性激光燒結數值模擬及試驗研究姓名:李守衛申請學位級別:碩士專業:材料學指導教師:沈以赴20060301南京航空航天大學碩士學位論文 摘 要選擇性激光燒結技術(SLS)是快速原型技術(RP)中的一個重要分支,以其選材廣泛受到重視。但是,直接用金屬粉末激光燒結金屬零件還存在一定的不足之處,其中燒結件“球化”、翹曲和開裂現象是制約金屬粉末選擇性激光燒結應用的主要障礙。因此,本文針對 Ni-Cu基多組元混合粉末選擇性激光燒結溫度和應力應變的變化規律和特點開展了系統深入的數值分析和試驗研究。 利用

2、ANSYS有限元軟件,建立了 Ni-CuSn多組元混合粉末選擇性激光燒結過程三維瞬態溫度場分析模型。在考慮了相變潛熱、對流和隨溫度變化的熱物性參數下,使用 APDL參數化語言實現了高斯熱源的施加和熱源按一定速率的移動。將分析結果與試驗結果對比表明,“球化”效應與溫度的分布有很大的關系,通過改變工藝參數優化溫度場可以有效降低燒結件“球化”效應。 基于溫度場的計算結果,采用熱力耦合方法,建立了 Ni-CuSn多組元混合粉末選擇性激光燒結過程應力應變場分析模型。利用“生死”單元技術,模擬了燒結材料由粉末態轉變為高溫液態繼而轉變為連續實體的過程。結果表明,優化燒結件結構,提高預熱溫度,精選基板等措施可

3、以有效避免由應力導致的燒結件翹曲和開裂等現象。 對添加了 CuP作為添加劑的 Ni-CuSn多組元混合粉末進行了燒結試驗研究,獲得的結果與數值模擬結果較為吻合。通過掃描電鏡對燒結樣品分析發現,燒結件的顯微組織為微熔 Ni顆粒和 CuSn快速凝固的混合組織,其成形機制為液相燒結。關鍵詞:快速原型,選擇性激光燒結,ANSYS,數值模擬,溫度場,應力場i 多組元金屬粉末選擇性激光燒結數值模擬及試驗研究 ABSTRACT As an important branch of Rapid prototyping RP, Selective Laser Sintering SLS is attractive

4、 to many researchers in manufacturing for its wide use of metal, polymer, ceramic and other powder in the sintering. However, “ balling”, warping and cracking problems associated with metallic SLS have presented serious obstacles that restrict the more extensive applications of SLS technique. To all

5、eviate the defects in metallic SLS, numerical and experimental studies were carried out detailed on the features of temperature field as well as thermal elastic-plastic stress and strain during metallic SLS processBy using the ANSYS software, a finite element model which simulates a real SLS process

6、 of a multi-component Ni-CuSn metal powder system was established to calculate the 3D transient temperature field. In the model, the latent heat, convection and temperature-dependent thermal properties were taken into account. A moving Gaussian laser beam was simulated using the ANSYS parametric des

7、ign languageComparisons were made between the numerical and experimental results. The results show that, the distribution of temperature during laser sintering process has a great effect on “ balling ” phenomena of the laser sintered metal part. Optimizing the distribution of temperature, which can

8、be realized by changing laser processing parameters, is an effective way to decrease the “ balling” effectsBased on the results of temperature field, a finite element model for analyzing the stress field in SLS process of a multi-component metal powder system was established by using an indirect the

9、rmal-mechanical coupling method. A successive transformation of the sintering material from powder morphology to high-temperature liquid phase and, afterwards, to continuous solids was simulated by using a “ birth and death” element technique of the ANSYS software. The analysis results show that, th

10、e warping and cracking of sintered part which is induced by thermal stress can be efficiently alleviated by optimizing the geometrical structure of the part to be built, enhancing the pre-heating temperature, and well choosing the building substrateii 南京航空航天大學碩士學位論文 A multi-component metal powder sy

11、stem mixed by pure Ni, pre-alloyed CuSn and additive CuP powder was developed for the exclusive use of SLS. Through a series of SLS experiments, some required-shaped laser sintered parts with sound densification are obtained. The experimental results show a good agreement with the corresponding simu

12、lating results. The scanning electron microscope SEM results show that the sintered structure was consisted of the partially melted Ni and the rapid solidified CuSn, with the bonding mechanism of this process being liquid phase sintering LPS Key Words: Rapid prototyping RP, Selective laser sintering

13、 SLS, ANSYS, Numerical simulation, Temperature field, Stress field iii承諾書本人鄭重聲明:所呈交的學位論文,是本人在導師指導下,獨立進行研究工作所取得的成果。盡我所知,除文中已經注明引用的內容外,本學位論文的研究成果不包含任何他人享有著作權的內容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體,均已在文中以明確方式標明。 本人授權南京航空航天大學可以有權保留送交論文的復印件,允許論文被查閱和借閱,可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索,可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。 (保密的學位論文在解密后適用本

14、承諾書)作者簽名: 日 期:南京航空航天大學碩士學位論文 圖表清單 圖清單 圖1.1 CAD系統與 RP系統間的數據傳輸? ? 3 圖1.2 選擇性激光燒結工藝原理示意圖? ? 3 圖1.3 粉床傳熱示意圖? ? ? 9 圖1.4 粉末顆粒間熱傳導示意圖? ? ? 10 圖1.5 燒結件“球化”現象? ? ? 11 圖1.6 典型翹曲實物圖? ? ? 11 圖1.7 典型開裂實物圖? ? ? 11 圖2.1 (a)潤濕示意圖(b)球化示意圖 ? ? 15 圖2.2 翹曲變形力學模型? ? ? 17 圖2.3 燒結件定位? ? ? 19 圖3.1 溫度場有限元模型? ? ? 24 圖3.2 熱物

15、性參數? ? ? 26 圖3.3 SLS過程溫度場有限元算法設計 ? ? 27 圖3.4 掃描路徑示意圖? ? ? 28 圖3.5 不同時刻溫度分布云圖? ? ? 30 圖3.6 0.085s熔池剖面圖? ? ? 30 圖3.7 點 1、點 2的熱循環曲線? ? ? 31 圖3.8 點 1、點 3、點 4的熱循環曲線? ? 31 圖4.1 熱-力耦合場分析數據流程圖? ? 37 圖4.2 改進后的溫度場有限元模型? ? 38 圖4.3 生死單元示意圖? ? ? 39 圖4.4 應力場有限元模型? ? ? 39 圖4.5 SLS過程應力應變場算法設計 ? ? 40 圖4.6 掃描軌跡示意圖? ?

16、 ? 40 圖4.7 力學性能參數? ? ? 41 圖4.8 燒結熔池的變形及應力分布圖? ? 42 vii 多組元金屬粉末選擇性激光燒結數值模擬及試驗研究 圖4.9 基板的塑性應變云圖? ? ? 42 圖4.10 掃描過程中的等效應力? ? ? 43 圖4.11 掃描過程中等效應變? ? ? 43 圖4.12 點 2沿 X軸方向應變變化情況? ? 43 圖4.13 點 2沿 Y軸方向應變變化情況? ? 44 圖4.14 點 2沿 Z軸方向應變變化情況 ? ? 44 圖4.15 40s時正應力 分布云圖? ? ? 45 sz圖4.16 40s時切應力 分布云圖? ? ? 45 tzx圖4.17

17、 40s時切應力 分布云圖 ? ? ? 45 tzy圖4.18 點 1的應力隨時間的變化曲線? ? 46 圖4.19 燒結件對基板的應力作用圖? ? 46 圖4.20 燒結件翹曲變形實物圖? ? ? 46 圖4.21 點 2的 X、Y、Z向正應力隨時間的變化 ? ? 48 圖4.22 40s時正應力s 分布云圖? ? ? 48 xp圖4.23 40s時 X向塑性應變 e 分布云圖? ? 48 x圖4.24 點 2的三向塑性應變隨時間的變化曲線? ? 49 圖4.25 開裂實物圖? ? ? 49 圖4.26 裂紋產生條件? ? ? 49 圖5.1 激光燒結設備圖? ? ? 54 圖5.2 溫度場

18、模擬云圖與實驗樣品對比圖? ? 55 圖5.3 不同工藝參數下 Ni-CuSn-CuP混合金屬激光燒結實物圖 ? 57 圖5.4 燒結件的翹曲變形率圖? ? ? 58 圖5.5 掃描區域邊緣 Z向最大應力值 ? ? 58 圖5.6 燒結試樣實物圖? ? ? 59 圖5.7 燒結試樣低倍顯微組織? ? ? 60 圖5.8 結構金屬顯微組織? ? ? 60 圖5.9 燒結層 SEM圖 ? ? ? 61 圖5.10 縱截面粘結金屬微觀組織? ? ? 61表清單 表3.1 工藝參數? ? ? 28 viii 南京航空航天大學碩士學位論文 表 5.1 Ni粉末的化學成分 ? ? ? 51 表 5.2 C

19、uSn合金的化學成分 ? ? ? 51 表 5.3 CuP合金的化學成分 ? ? ? 51 表 5.4 Ni-CuSn-CuP混合粉末中各組分的比例? ? 52 表5.5 粉末中各組分的粒度? ? ? 53 表 5.6 多組元粉末制備的球磨參數? ? 53 表5.7 正式燒結試驗的工藝參數? ? ? 58 ix 南京航空航天大學碩士學位論文 第一章 緒論 1.1 快速原型技術 世界經濟發展日益全球化,制造業的競爭愈來愈激烈。產品的更新換代以及制造周期已成為影響競爭力的巨大因素。伴隨著計算機及數控技術的日1益成熟,快速原型技術 RP(Rapid Prototyping)應運而生 。快速原型技術是

20、2, 3基于增材制造的概念,取代了傳統的去材制造法和變形成型法 ,是近二十年來制造領域的一次重大突破。它的最大優點是生產周期短和對零件復雜程3, 4度的不敏感性 ,適應了制造業的產品更新快和生產周期短的發展要求。 1.1.1 快速原型技術的分類及特點 經過近 20年的努力,RP技術已經從早期的原型制造發展出包含多種功能、多種材料、多種應用的許多工藝,在功能上實現了原型制造向零件制造的發展。到目前為止,已有十幾種 RP系統問世,其中受到廣泛關注地有分層實體制造 LOM(Laminated Object Manufacturing),選擇性激光燒結SLSSelective Laser Sinter

21、ing,熔絲沉積制造 FDMFused Deposition Modeling,立體光固造型 SLA(Stereo Lightgraphy Apparatus)和三維印刷5, 63DPThree Dimensional Printing 。 RP技術將計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機數字控制(CNC)、激光、精密伺服驅動和新材料等先進技術集于一體,具有以下特點和優點: (1)零件的復雜程度與制造成本關系不大; (2)減少了對熟練技術工人的需求; (3)沒有或極少有廢棄材料,是一種環保型制造技術; (4)系統柔性高,整個生產過程數字化,與 CAD模型具有直接的關聯,可隨

22、時修改,隨時制造; (5)技術集成,設計制造一體化; (6)具有廣泛的材料適應性; (7)不需要專用的工裝、夾具和模具,大大縮短了新產品試制時間; 1 多組元金屬粉末選擇性激光燒結數值模擬及試驗研究 (8)應用面廣。由于成形材料的多樣化,使 RP技術適合于多種應用領域; (9)產品的單價幾乎與批量無關,特別適合于新產品的開發和單件生產。 1.1.2 快速原型技術的應用 隨著人們對“離散?堆積”的制造思想的逐步深入,具有高度柔性的制造思想已經被企業界廣泛接受。全球范圍的廠商紛紛采用 RP技術來簡化產品開發7, 8過程,提高生產效率,增加產品的競爭力。其應用主要在以下幾個方面 : (1)新產品開發

23、過程中的設計驗證與功能驗證。RP技術可快速地將產品設計的 CAD模型轉換成實物模型,這樣可以更方便地驗證和修改設計人員的設計思想和產品結構的合理性、可裝配性和美觀性。 (2)可制造性、可裝配性檢驗和供貨詢價、市場宣傳。對有限空間的復雜體系的可制造性和可裝配性用 RP方法進行檢驗和設計。此外,RP原型還是產品從設計到商品化各環節中進行交流的有效手段。 (3)單體、小批量和特殊復雜零件的直接生產。對于高分子材料零部件,可以用高強度的工程塑料直接成形,滿足使用要求;對于復雜金屬零件,可通過快速鑄造或直接金屬體成形獲得。 (4)快速模具制造。通過各種轉換技術將 RP原型轉換成各種快速模具。如低熔點合金

24、模、硅膠模、金屬冷噴模、陶瓷模等,進行中小批量零件的生產。 (5)快速工具制造。通過間接制造的方法,將金屬粉末與粘結劑燒結成原形體,經后處理得到工具。如南京航空航天大學用此種方法制造出電火花加工電極,并用此電極在電火花機床上加工出三維模具型腔。 (6)快速原型技術在生物醫學工程的應用。目前主要集中在人工活性骨等方面。 1.2 選擇性激光燒結技術 1.2.1 SLS技術的工藝原理 選擇性激光燒結技術(Selective Laser Sintering,SLS)是采用激光燒結粉末成型,由于它適應的材料廣泛,所以是快速原型技術中重要的一種。SLS工藝是將計算機制作的三維 CAD實體模型經分層切片軟件

25、處理成一系列薄截2 南京航空航天大學碩士學位論文 面層,將此薄截面層二維數據傳送給計算機控制的激光器,激光器再根據薄截面層的二維數據對與切片厚度相對應的粉層進行逐層選擇燒結疊加,最終實現三維零件的制造。這種方法可以在沒有工裝夾具或模具的條件下,迅速制造出任意復雜形狀的三維實體零件。完整的 SLS工藝由 CAD系統與 RP系1統組成,兩系統間的數據傳輸過程如圖 1.1所示 。 CAD系統 RP系統 3D-CAD文件 STL文件 切片模型 實體模型圖 1.1 CAD系統與 RP系統間的數據傳輸 SLS工藝原理如圖 1.2所示,成型過程開始時,鋪粉輥將粉末均勻地鋪在加工平臺或基板上。激光束在計算機的

26、控制下,通過掃描器以一定的速度和功率選擇掃描,激光束的選擇與層信息相關。激光器掃過之處,粉末被燒結成一定厚度的實體片層,未掃過的地方仍然是松散的粉末。當第一個片層燒結完,成型活塞下移一定距離,這個距離應在考慮材料收縮的情況下而與切片厚度相適應。鋪粉輥再次將粉末鋪平后,激光束開始按照設計零件的第二層信息掃描。激光掃過之后所形成的第二個片層同時燒結在第一層上。如此9反復,一個完整三維實體就制造出來了 。圖 1.2 選擇性激光燒結工藝原理示意圖 1.2.2 SLS技術的發展狀況 SLS工藝最初是由美國德克薩斯大學奧斯汀分校The University of Texas at Austin的Carl

27、Deckard于 1986年在其碩士論文中提出的,原美國 DTM公3 多組元金屬粉末選擇性激光燒結數值模擬及試驗研究 司于 2001年與美國 3D Systems公司合并在 1987年將這一思想轉化成為現實, DTM公司于 1992年推出了基于 SLS技術的商業化生產設備 Sinter Station。在材料方面,DTM公司每年有數種新產品問世,其中 Dur aForm GF材料生產的制件,精度更高,表面更光滑;最近開發的彈性聚合物 Somos201材料,具有橡膠特性,并可耐熱和抗化學腐蝕,用該材料造出了汽車上的蛇型管、密封墊和門封等防滲漏的柔性零件;用 RapidSteel2.0不銹鋼粉制造

28、的模具,可生產 100000件注塑件;RapidTool2.0這種材料的收縮率只有 0.2%,其制件可以達到較高的精度和較小的表面粗糙度值,幾乎不需要后續拋光工序;DTM Polycarbonate銅-尼龍混合粉末,主要用于制作小批量的注塑模;EOS公司發展了一種新的尼龍粉末材料 PA3200GF,類似于 DTM的 Dur aForm GF材料,用這種材料制作的零件精度和表面粗糙度都比較理想。幾十年來,奧斯汀分校和 DTM公司、EOS公司在 SLS領域做了眾多的研究工作,并已取得了豐1012碩成果,推出系列化成形專用材料和設備 。 在國內,也有多家單位進行 SLS的相關研究工作,如:華中科技大

29、學、南京航空航天大學、西北工業大學、大連理工大學、華北工學院和北京隆源自動成型有限公司等;并且已經取得了許多重要成果,如南京航空航天大學研制的 RAP-型、RAP-型激光燒結快速成形系統;華中科技大學開發出HRPS-1型成形機;北京隆源自動成型有限公司開發的 AFS-300、AFS-320、13AFS-450激光快速成形的商品化設備及數種材料 。 1.3 金屬粉末 SLS技術的研究狀況 1.3.1 材料的研究現狀 SLS工藝使用的粉末材料范圍很廣,主要有石蠟、塑料、金屬和陶瓷等方面。其中以金屬粉末的優點比較顯著。當燒結材料主要為金屬粉末時可直接14燒結成金屬零件 ,也可以燒結成鑄造、注塑、沖壓

30、、壓鑄等用的凸凹模來生產各種形狀的金屬或塑料零件,大大縮短了制造周期和減小了制造成本。針對燒結金屬粉末的這種優點,以下將針對金屬粉末 SLS工藝作詳細的介紹。 1517選擇性激光燒結金屬粉末分為兩種,一種間接法,一種直接法 。 間接 SLS 工藝所用粉末實際上是金屬粉末與某種有機粘結劑的混合物,將有機粘結劑覆蓋在金屬粉末表面形成一薄層,有機粘結劑在質量上一般占4 南京航空航天大學碩士學位論文 161%左右 。有機粘結劑的熔點相對金屬來說比較低,以及高的吸收率,所以在燒結過程中,有機粘結劑被熔化形成液相,由于液相毛細作用力將未熔金屬粉末重排,經過冷卻凝固后,金屬粉末被粘結在一起。由于有機物液相低

31、的粘度,表面張力小以及好的潤濕性,所以有效的減小了“球化”的現象。這樣得到的零件由于高的孔積率(一般 45%)和低的強度一般并不實用。需要在加熱爐中進行二次燒結或二次熔滲等后處理手段。后處理的具體做法分三個階段,燒失粘結劑,高溫焙燒,金屬熔浸致密(如滲銅等)。 間接法的優點是燒結速度快,球化現象小;缺點是后處理工藝周期長,成16, 17本高,由于零件收縮造成的尺寸精度較低 。 直接金屬粉末 SLS 工藝分三種情況:單組元金屬粉末、多組元金屬粉末和預合金粉末。 (1)單組元金屬粉末 16單組元金屬粉末一般采用固相燒結方式 。為了顆粒有效粘結且避免粉末顆粒熔化,激光能量在粉末顆粒表面達到的溫度應盡

32、可能的達到熔點但不超過熔點。這樣固相燒結依靠高溫下原子沿著顆粒表面、晶界及其它途徑擴散傳質而形成粘結。粘結發生在鄰近顆粒之間的接觸區,在表面自由能下降的驅動力下,形成連接頸部,以此達到粘結的目的。如果溫度太高,而使粉末熔化太多或完全熔化而成為液相燒結方式,則由于高粘度液相表面張力的影響,熔化的金屬趨向于形成一個比金屬粉末顆粒大的球形,此稱為“球化效應”。球狀物的形成造成大量的孔隙,嚴重影響燒結過程順利進行和燒結件的性能。單組元金屬粉末直接燒結的缺點是燒結件孔積率高、一般需要后續處理才能15使用。目前研究的單組元金屬粉末主要有 Ag,Cu,Zn,Pb,Fe等 。 (2)多組元金屬粉末 為了克服單

33、組元金屬粉末 SLS 的缺點,多組元金屬粉末被研究。多組元金屬粉末燒結一般采用液相燒結方式。多組元金屬粉末中典型的是雙組元金屬粉末。 雙組元金屬粉末一般采用高熔點金屬粉末和低熔點金屬粉末混合而成。其中高熔點金屬稱為結構金屬;低熔點金屬稱為粘結金屬,充當粘結劑的作用。粉末在激光束輻照作用下,燒結溫度應高于粘結金屬粉末的熔點,而低于結構金屬粉末的熔點。這樣在高溫下,低熔點金屬粉末熔化形成液相,而高熔點金屬粉末仍然保持固態。由于液相金屬的毛細作用力及高粘性將高熔點金5 多組元金屬粉末選擇性激光燒結數值模擬及試驗研究 屬潤濕,氣體逸出而重排,最終達到致密。在這個過程中,其主要動力是液相的表面張力和固液

34、界面張力。低熔點金屬粉末顆粒一般比高熔點金屬粉末顆粒尺寸小。這樣可以使低熔點金屬粉末由于低的熱焓而更易熔化,且可以提高粉末的松裝密度而優化燒結過程。 在多組元金屬粉末燒結中,適當的顆粒粒徑比、液相對固相的好的潤濕性和粘結金屬與結構金屬適當的配比是燒結成功的前提。如果粘結金屬與結構金屬的配比太低,易導致液相生成量太少,流動性不好,潤濕不充分,難于重排致密;如果配比太高,則過多的液相容易造成“球化效應”和變形。一般認為,液相燒結時,液相以占燒結體體積的 20%-50%為宜。 多組元金屬粉末燒結工藝周期短、致密度高、無需復雜的后續處理成為研究的熱點。 (3)預合金粉末 預合金粉末燒結通常也采用液相燒

35、結方式。在激光作用下熔化后存在一個固液共存的區間。燒結溫度應控制在其組元的液相線和固相線溫度之間,稱17為超固相線液相燒結方式 。燒結過程為:液相生成、顆粒破碎、重排、晶粒再填充和滑動、溶解再沉淀、致密。一般說,使用超固相線液相燒結方式,欲實現明顯的致密化,至少需要 15%-30%體積的液相量。在某一燒結溫度下,希望固相線和液相線之間的間隔要大,以獲得較寬的固液共存區;同時仍需17要嚴格控制激光燒結溫度,以生成適量的液相 。金屬間化合物脆性大,易破碎,嚴重影響燒結件的機械性能,并且會增大液相粘度,不利于流動。所以在預合金粉末燒結過程中,應注意避免組分間發生反應而生成金屬間化合物。1.3.2 工

36、藝參數的研究現狀 影響 SLS技術的主要工藝參數有激光類型、光斑大小、激光能量密度、激光掃描路徑、層厚、保護氣氛等。工藝參數對于燒結件的質量有著至關重要的影響。工藝參數的設計是和材料的類型、特性密切相關的。國內外學者對于工藝參數進行了大量的試驗研究。 (1)激光類型 激光一般有兩種類型:一種是 Nd:YAG激光;一種是 CO 激光。Nd:2YAG激光的波長是 1.06?m,而 CO 激光的波長為 10.6 ?m。金屬粉末對 Nd:2YAG激光的吸收率大于 CO 激光,且一般 Nd:YAG激光的功率大于 CO 激2 26 南京航空航天大學碩士學位論文 光,所以在金屬粉末 SLS工藝中一般選用 N

37、d:YAG激光。兩種激光器在金屬粉末選擇性激光燒結中都有使用。 (2)光斑大小 光斑大小對于制件的精度、致密度和表面形態有著重要的關系。光斑直徑越小,熔池的尺寸越小,越有利于燒結制件中形成致密、精細、均勻一致18的微觀結構 ;但是,光斑直徑過小,將導致燒結時間的延長,降低燒結效率。 (3)激光能量密度 激光能量密度是一個近似的綜合參數。是由激光功率、掃描速率、光斑半徑和掃描間距決定的。實際上,這些參數之間也互有影響。從眾多研究結果表明: 激光功率過低,生成的液相量偏少,熔池的流動性不好,致使燒結惡化,同時燒結深度的不足,容易導致層離現象;激光功率過高,液相量過多,容易引起“球化效應”,同時也會

38、使燒結熔池過熱嚴重,甚至引起飛濺現象,產生較大的溫度梯度和較大的熱應力,導致燒結件的翹曲或者開裂現象。掃描速率越高,越容易引起“球化”現象,且燒結件的拉伸強度、尺寸精度和表面光潔度也越低;掃描間距必須小于熔池寬度,以使相鄰掃描路徑部分重疊而粘結在一起形成連續的燒結層。掃描間距對燒結件的表面形態有較大影響,掃描間距越小,燒結路徑疊加部分越多,燒結線間的“峽谷”就越小,燒結件表面光潔度就越高。但掃描間距過小,易導致激光作用區內粉末極大減少,且處于作用區的邊緣,此時燒結區內材料主要是已固化金屬,其表面光滑,大量激光能量被反射,而使激光利用率大大降低。同時由于已固化金屬的致密度比粉末高得多,導熱性能好

39、,吸收的熱量大部分被迅速傳遞給底層材料,引起18燒結件整體溫升,因此層面質量并不因為掃描間隔小而得到改善 。 (4)激光掃描路徑 激光掃描路徑對燒結件的精度、強度和成形效率有著重要的影響,掃描路徑通常有長邊掃描、短邊掃描、分區變向掃描、三角剖分掃描、Peano曲線掃7, 2022描、光柵掃描、螺旋掃描和層層交替掃描等 。掃描路徑的不同影響著燒結件的溫度場分布,由于溫度梯度導致熱應力的產生,從而導致翹曲、裂紋等現象的出現,所以燒結過程中應避免大的溫度梯度。適宜的掃描路徑可以減少溫度梯度,且可以分散燒結件熱應力的方向,減少熱應力的不利影響。7 多組元金屬粉末選擇性激光燒結數值模擬及試驗研究 所以合理的選擇掃描路徑可以減少翹曲和裂紋等現象的產生。 (5)層厚 粉層厚度對燒結件的致密度、表面形態有著重要的影響。粉層厚度的選擇,應小于燒結深度,保證層與層之間有效粘結。粉層厚度的增大,在激光掃描速率不變的情況下,必然要求激光功率的增大,熔池的尺寸也就越大,從而不利于燒結過程中層面質量的控制,影響層間致密度和表面形態。但是如果保持激光功率的不變,而降低掃描速率,又將不利于熔池尺寸的控制,且影響加工效率;所以粉層越薄,所獲工件致密度越高,表面光潔度越好。但粉層越薄,對設備的精度要求就越高,同時由于切片的增多,將會延長成形時