金属增材制造技术-徐昀华

科技论文检索及写作—金属增材制造技术学院：材料科学与工程学院专业班级：焊接1301班姓名：徐昀华学号：130200308任课教师：张春华完成日期：2016.12.29摘要：金属增材制造技术作为3I)打印技术的一个重要分支，在20余年的发展中取得了显著的进展。文中简要:回顾了金属增材制造技术的历史溯源，重点从制件组织结构、制件性能、制件微观缺陷、成形工艺等方面分析了针对钦合金、镍基高温合金等常用材料的增材制造技术研究新进展，探讨了增材制造技术发展所面临的技术问题以及需要重点考虑的发展方向。关键词:金属材料;增材制造;激光快速成形;性能MetalAdditiveManufacturingTechnique(ResearchinstituteofAdditiveManufacturing(3DPrinting)，CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsg-Astronautics，Nanjing,210016，China)Abstract:Themetaladditivemanufacturingtechnique，asanimportantbranchof3Dprintingtechnique，hasmaderemarkableprogressbasedontherapiddevelopmentofmaterialstechnique，equipmenttechnique，computertechnique，andsoon.Theevolutionhistoryofmetaladditivemanufacturingtechnologyreviewedbriefly.Themicrostructure，themechanicalperformance，themicro-defect，andthetechnologicalprocessofproductareintroducedtodiscussthestudiesonadditivemanufacturingtechniqueoftitaniumalloy，nickel-basesuper，andsoon.Somesuggestionsoftechnicalproblemsinthedevelopmentofadditivemanufacturingtechniqueareputforward.Finally，themaindevelopmentdirectionispointedout.作为一种全新概念的制造技术，增材制造技术自20世纪90年代出现以来，经过20余年的发展，己经成为当前先进制造技术领域技术创新蓬勃发展的源泉，以“3D打印技术”为全新概念的增材制造技术己经成为当前包括美国在内的世界主要制造大国实施技术创新、提振本国制造业的重要着力点川。中国政府积极推进3D打印技术在制造业的技术创新进程。在工业和信息化部的支持下，2012年成立“中国3D打印技术产业联盟”。2013年，中国3D打印技术产业联盟成功举办首届世界3D打印技术产业大会，并与亚洲制造业协会、英国增材制造联盟、比利时Material公司、德国E()S公司、美国3DSystem公司等组织共同发起成立世界3D打印技术产业联盟的号召，高度凸显了中国3D打印技术在全球3D打印技术创新领域的重要引领作用。作为金属增材制造技术基础研究的支持机构，国家自然科学基金委员会机械工程学科在“十三五”学科发展战略规划设想中明确将增材制造技术作为跨学科学部交叉优先领域进行布局，以进一步提升中国增材制造技术的自主创新能力。1.金属增材制造技术概况直接制造金属零件以及金属部件，甚至是组装好的功能性金属制件产品，无疑是制造业对增材制造技术提出的终极目标。早在20世纪90年代增材制造技术发展的初期(当时称之为“快速原型制造技术”或“快速成形技术”)，研究人员便己经尝试基于各种快速原型制造方法所制备的非金属原型，通过后续工艺实现了金属制件的制备团。与立体光造型(Stereolithography,SLA)叠层制造(I,am-matedobjectmanufacturing,LOM)、熔融沉积成型(Fuseddepositionmodeling,FDM)、三维打印(Three-dimensionalprinting,3DP)等快速原型制造技术相比，选择性激光烧结技术(Selectedlasersintering,SLS)，由于其使用粉末材料的特点，为制备金属制件提供了一种最直接的可能。SI,S技术利用激光束扫描照射包覆有机粘接剂的金属粉末，获得具有金属骨架的零件原型，通过高温烧结、金属浸润、热等静压等后续处理，烧蚀有机粘接剂并填充其他液态金属材料，从而获得致密的金属零件川。随着大功率激光器在快速成形技术中的逐步应用，SI,S技术随之发展成为选区激光熔化成形技术(Selectivelasermelting,SLM)oSLM技术利用高能量的激光束照射预先铺覆好的金属粉末材料，将其直接熔化并固化，成形获得金属制件川。在SI,M技术发展的同时，基于激光熔覆技术，逐渐形成了金属增材制造技术研究的另一重要分枝—激光快速成形技术(Laserrapidforming,LRF)或激光立体成形技术(Lasersolidforming,LSF)。该技术起源于美国Sandia国家实验室的激光近净成形技术(Laserengineerednetshaping,LENS)}'}，利用高能量激光束将与光束同轴喷射或侧向喷射的金属粉末直接熔化为液态，通过运动控制，将熔化后的液态金属按照预定的轨迹堆积凝固成形，获得从尺寸和形状上非常接近于最终零件的“近形”制件，并经过后续的小余量加工后以及必要的后处理获得最终的金属制件.吕〕。基于SI,S技术的SI,M技术和基于LENS技术的LRF技术作为金属增材制造技术的两个主要研究热点，引领着当前金属增材制造技术的发展。由于具有极高的制造效率、材料利用率以及良好的成形性能等优势，金属增材制造技术从一开始便被应用于航空航天等高端制造领域的高性能金属材料和稀有金属材料的零部件制造。经过20余年的发展，中国国内金属增材制造技术在材料、工艺、装备以及成形性能等各个方面均得到长足的发展，并且己经在航空航天等高端制造领域实现了初步应用仁月。2.研究进展金属增材制造技术对高性能金属材料(包括稀有金属材料)而言，是一种极为有利的加工制造技术。相较于材料去除(或变形)的传统加工和常见的特种加工技术，基于材料增加的金属增材制造技术有着极高的材料利用率。当前增材制造技术的金属材料主要集中在航空航天用钦合金、高温合金、高强钢以及铝合金等材料体系。研究人员以上述金属材料为研究对象，从制件组织结构、制件性能、制件缺陷以及成形工艺等方面对金属增材制造技术开展了广泛的研究。2.1制件组织结构钦合金材料是当前金属增材制造技术最主要的研究对象。在对航空用TC4钦合金激光成形的研究中，陈静等发现制件的组织结构为粗大的柱状晶，在粗大的俘晶粒内是细小的针状马氏体。‘脚,薛蕾等在研究中发现制件的组织结构为柱状原始俘晶界内编织细密的。+俘网篮组织口,而张霜银等的进一步研究获得了TC4钦合金制件组织结构中柱状晶向等轴晶(CET)转变的时机及其P/V值mo咎林等发现TC21激光成形制件组织结构为粗大的沿沉积高度方向外延生长的原始俘柱状晶，仅最后一层熔覆层顶部为较细小的俘等轴晶，在宏观上存在针状马氏体区和网篮组织区}l:i}。王彬等发现Ti60棒状试样的组织结构是以棒材轴心呈微“八”字形对称分布的定向生长柱状晶构成，柱状晶内部为近乎无侧向分枝的胞状晶组织口‘〕。贺瑞军等在对Ti-6A1-2Zr-Mo一合金的成形研究中发现制件具有均匀细小的。俘双相片层组织，且片层取向随机多样，分布均匀o:o。赵张龙等采用SI,M+等温锻造复合工艺制备的TC17钦合金制件，其组织结构主要由粗大俘柱状晶粒组成，经相变点上、下等温锻造及热处理后，制件组织结构主要由条状和细小等轴a相组成，仅经相变点以下等温锻造及热处理后，制件组织主要由细小等轴a相组成，仍存在有少量的原始俘晶粒边界CIS7在镍基高温合金材料的激光成形中，冯莉萍等发现Rene95高温合金制件的组织结构为定向凝固柱状枝晶，组织细密，枝晶一次间距为5}30pm，二次臂很小或者完全退化比〕，其在FUH95合金制件中也获得了相似结论，其组织结构由细小柱状枝晶组织组成，枝晶一次间距约为10pm，二次臂退化。由于局部凝固条件的不同，枝晶干区域的Y‘相为球形、枝晶间区域的Y‘相为立方体形态，尺度均小于0.1}m}lg}0林鑫在316I二不锈钢制件中发现其组织呈现全Y奥氏体结构，Y奥氏体从基体外延生长成柱状枝晶，并显示较强的晶体取向性，其100晶向基本平行沉积方向，仅在顶部出现一薄层转向枝晶口门。贾文鹏等通过建立的预测模型，预测了316I二不锈钢激光快速成形制件的组织结构为细长柱状晶，并且获得了不发生CET转变的控制条件}z0}。董翠等制备的300M超高强度钢制件其组织结构则具有细小均匀的快速凝固胞状树枝晶，其显微组织为马氏体与贝氏体混合组织.王小军等在对Al-12Si合金激光成形的研究中发现，在相邻激光相互作用形成德尔热影响区内有粗大的针状初生Si形成，其余部分由纳米级球状51颗粒镶嵌在AI基体中组成Czz7。2.2制件性能比对基于传统制造方法的制造规范和制造标准，激光增材制造制件性能的达到程度决定着该项技术在工程实际中的应用程度。李怀学等发现TC4钦合金制件室温拉伸强度达到1100MPa，达到锻件标准，硬度在3300^3500MPa之间，各向硬度差异不显著。高士友等发现，TC4钦合金制件尽管其组织结构类似于铸造，但其抗拉强度达到了锻造制件的水平。陈静等制备的TC4钦合金制件的室温及300℃拉伸强度及塑性指标均达到或超过锻造件水平mo张方等发现Ti60合金制件的硬度要高于锻件指标，室温和600℃高温拉伸强度均高于锻件，室温塑性略低于锻件，而高温塑性与锻件相当}z}}，其进一步的研究表明Ti60合金制件在进行双重退火热处理后，其室温和高温(6000C)下的拉伸强度略有下降，但塑性显著增高，综合力学性能得到提高}ze}。陈静等发现Ti60制件的组织结构以及粉末材料的制备方法会使钦合金制件的高温持久性能发生大幅度变化。较高的功率密度所形成的魏氏组织相较较低功率密度形成的网篮组织其高温持久性显著降低，采用气雾化法制备的粉末在制件中形成的气孔会导致其高温持久性能降幅达3000o}z'}。于翔天等制备的TiB}TiC增强TA15复合材料制件，当TiB}TiC增强相体积分数约为9%时，制件抗拉强度和屈服强度提高了1200，分别达到1040MPa及935冯莉萍等发现FUH95合金的成形制件的拉伸强度指标达到粉末冶金的97.900，塑性超过粉末冶金制件mo。金具涛等发现激光成形Rene95合金的室温抗拉强度为1247MPa，较粉末冶金C级水平略低，而沿沉积高度方向的延伸率为16.200，高于粉末冶金A级水平Czs7。杨海欧等研究表明，对Rene95高温合金激光快速成形制件进行固溶+时效热处理后，其强度指标接近粉末冶金C'级标准，塑性指标超过粉末冶金A级标准。试样平均硬度达到HV496.3}j0}。赵晓明等对Re-ne88DT高温合金制件进行时效热处理后，发现其抗拉强度提高了400MPa，屈服强度接近同种材料的粉末锻造水平仁川。袁源等制备的铁基固溶体增韧Fe9Cr9Sit三元金属硅化物合金制件，其韧性明显改善，在干滑动摩擦条件下，具有较低的摩擦系数}sz7。董翠等制备的300M超高强度钢制件室温拉伸性能接近同质材料的锻件水平。2.3制件微观缺陷对金属增材制造制件性能的研究发现，制件性能尽管在个别指标能够达到同质材料的相应标准和规范，但总体上还是存在着一定的差距，其主要原因在于增材制造技术成形机理的固有特性—“瞬态熔凝过程”所导致的制件内部的微观缺陷，如裂纹、空