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    激光立體成形技術簡介

    2017-02-23 15:35:33

           

           激光立體成形技術(Laser Solid Forming,LSF)的基本原理是:首先在計算機中生成零件的三維CAD模型,然后將該模型按一定的厚度分層“切片”,即將零件的三維數據信息轉換成一系列的二維輪廓信息,再采用激光熔覆的方法按照輪廓軌跡逐層堆積材料,最終形成三維實體零件或需進行少量加工的毛坯。


           LSF技術其成形思路與快速原型(Rapid Prototype, RP)技術完全一致,即采用全新的增材制造原理實現零件的成形。因此,它具有一些與RP技術相同的特點,如柔性好(無需專用工具和夾具)、高度集成、加工速度快等。此外,該技術還具有RP技術所不具備的一些優點:


    顯著提高材料的力學和耐腐蝕性能。利用激光束與材料相互作用時的快速熔化和凝固過程,可以獲得細小、均勻、致密的組織,消除成分偏析的不利影響,從而提高材料的力學和耐腐蝕性能。表1是幾種材料的LSF件力學性能數據,從中可以看出,LSF件的力學性能已達到鍛件標準。


    制造速度快、節省材料、降低成本。LSF技術直接使用金屬材料制作零件或近形件,后續的機械加工量很小,極大地節省了材料,同時省去了模具制造的周期和費用,從而大幅度縮短了零件的加工周期。盡管大功率激光加工本身的成本較高,但在航空航天領域高性能零件的制造中其綜合成本仍然能夠有較大幅度的降低。表2是LSF技術與傳統鑄造和鍛造技術的綜合比較,從中可以看出,該技術應用于航空用盤形零件時,其在材料利用率、研制周期、總成本等方面均優于鑄造和鍛造技術。


    表1  LSF件拉伸性能結果

    材    料

    Ti-6Al-4V

    316L不銹鋼

    Inconel 625

    成形工藝

    鍛造

    LSF

    鍛造

    LSF

    鍛造

    LSF

    σb / (MPa)

    900 ~ 950

    930 ~ 1040 

    586

    792

    834

    930

    σ0.2 / (MPa)

    830 ~ 860

    870 ~ 950

    241

    448

    400

    634

    δ / (%)

    13 ~ 17

    13 ~ 16

    50

    66

    37

    38

    ψ / (%)

    37 ~ 45

    40 ~ 45

     

    表2  LSF技術與鍛造和鑄造技術的綜合比較

    成形工藝

    LSF

    鍛造

    鑄造

    材料利用率

    2/3

    < 1/10

    1/5

    設計修改時間

    1 ~ 2天

    6個月

    3個月


     可在零件不同部位形成不同的成分和組織,合理控制零件的性能。從成形原理上講,LSF技術是逐點堆積材料,因而可以很方便地在零件的不同部位獲得不同的成分,特別是采用自動送粉熔覆的方式進行成形時,通過精確控制送粉器粉末輸送流量,原則上可以在零件的任意部位獲得所需要的成分,從而實現零件材質和性能的最佳搭配。這一點是傳統的鑄造和鍛造等成形技術無法實現的。


     可以很方便地加工一些高熔點、難加工的材料。由于激光束的能量密度很高,同時激光束與材料之間屬于非接觸加工,采用LSF技術成形制備那些熔點高、加工性能差的材料,如鎢、鈦、鈮、鉬和高溫合金等,其難度與普通材料相同,因此該技術相比傳統制備成形技術在這方面具有非常突出的優越性。



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