文章编号!
激光快速直接制造 ／ 合金
太空望远镜准直器
钟敏霖!杨林!刘文今!张红军!孙鸿卿
清华大学机械工程系激光加工与快速成型研究中心 北京
摘要激光直接制造技术
是基于快速成形和激光熔覆技术而发展起来的直接快速柔性制造先进技术 尤其适用于传统方法难以制造的特种材料或特殊形状金属零件 基于太空望远镜准直器特定的形状和材料要求 运用层叠激光熔覆直接制造方法 研究了 和 合金的多道熔覆特性 微观组织和激光直接制造过程的稳定性 研究表明 和 多层激光熔覆时后续熔覆层的宽度会越来越窄 最终形成三角形截面 而 和 合金具有良好的成形效果 采用激光功率 光束直径 扫描速度 送粉速度 的优化工艺参数 直接制造出高度为 直径为 壁厚为 平行度不低于 的圆柱状 准直器 未出现裂纹和明显的气孔 结果表明激光直接制造技术可以制造出高质量的传统方法难以制造的特殊材料和形状的金属零件 关键词激光技术 激光直接制造 合金
准直器中图分类号 文献标识码
收稿日期 收到修改稿日期
基金项目 清华大学机械学院 重点项目和基础研究基金资助课题
作者简介 钟敏霖
男 清华大学机械系副教授 博士 法国博士后 主要从事激光材料加工和激光快速直接制造研究 第 卷第 期 年 月
中国激光
引言
快速成型技术是一种无需任何附加模具直接利用计算机模型制造复杂原型的制造方法激光直接制造技术是快速成型技术的进一步发展它将金属的特性和功能注入到常规快速成型技术制造的原型中能够快速柔性地制造出全密度全功能的金属零件尤其适用于传统方法难以制造的梯度功能材料超硬材料复合材料金属间化合物材料等特殊材料或形状特殊的金属零件是目前国际上的研究热点之一近几年世界各国的许多研究机构对直接制造进行了许多的研究取得了实质性重要进展并各自发展了基于激光熔覆的不同名称的快速制造技术
激光直接制造技术可很好地用于制造小批量特殊材料特殊性能和特殊几何形状的贵重金属零件这些零件用传统方法是很难加工或加工成本非常昂贵的本文在原研究基础上研究用激光直接制造技术制造一种新型的太空硬射线调制望远镜的准直器零件准直器主要用于吸收倾斜入射于望远镜接收口中的硬射线辐射只让垂直入射的射线被望远镜接收探测到其基本物理性能要求为有效吸收倾斜入射的太空硬射线该准直器采用高熔点高密度的钨或钨合金来制造准直器是一直径高度厚度的薄壁圆筒型零件内有条主筋要求主筋间的平行度不低于尺寸精度无严格要求横截面如图所示由于该准直器特殊的材料和较复杂的形状要求传统方法诸如铸造焊接等难以加工用电火花切割又极其昂贵激光直接制造技术则提供了一种快速低成本的先进加工方法
图准直器横截面图
实验方法
实验和制造设备包括型快轴流激光器数控工作平台清华大学研制的型自动送粉器和型同轴送粉喷嘴用一台双波长红外测温探头来监测制造过程中的熔池温度
激光制造所用材料为目的纯钨和纯镍按不同配比配制成混合粉末用同轴送粉激光熔覆的方法制备出合金基板为中碳钢在零件制造完成后被切除
用扫描电子显微镜分析所制得金属零件样品的显微组织由电镜能谱成分分析仪测量成分
准直器的制造轨迹为先熔覆堆积外圆断光移到平行筋处熔覆筋断光移至下一根筋的另一端点启动激光熔覆第二根筋直到完成根筋后断光回到外圆的起点完成一个截面循环激光熔覆头提升启动下一个循环直至完成整个准直器外圆和筋之间有一定重叠确保良好的冶金结合
结果及讨论
钨和钨合金的激光熔覆特性
激光直接制造技术是一种基于多道激光熔覆的添加式制造技术因此需要首先研究钨和钨合金的多道搭接熔覆特性多道搭接激光熔覆的参数见表混合粉末的成分配比如表粉末选择的依据是准直器的物理性能要求含量越高越好对射线的吸收率越高和该粉末的可熔覆堆积性
表激光熔覆参数
表钨和钨镍粉末配比!"
!"
实验表明垂直多道搭接激光熔覆纯钨和合金会出现一种特殊现象即三角形熔覆截面虽然保持相同的光束直径和功率密度在激光熔覆逐层堆积过程中后熔覆的熔覆道不能保持与
期钟敏霖等激光快速直接制造合金太空望远镜准直器
前面熔覆道相同的宽度因此在熔覆过程中逐渐收缩经层熔覆后熔覆道纵截面就变为三角形如图所示这种三角形截面堆积对于激光直接制造来说是完全不能接受的多层堆积熔覆和合金时能得到上下一致的熔覆结果
图多道熔覆后的三角形纵截面和多道熔覆
合金后的三角形纵截面
激光直接制造和!合金样品的微观组
织分析
图表示激光熔覆实际上是一种典型的激光烧结过程由于的高熔点和激光熔覆的快速加热和快速冷却特点经送粉加入的纯
颗粒在熔池中极少熔化而中碳钢的基材却熔化很多导致严重的稀释基材熔化的上浮到熔覆层中形成烧结体的粘结相并与反应生产化合物激光烧结层的微观组织包括未熔的颗粒颗粒间基体和枝晶其化学成分测量如表
当多道垂直堆积时从基体熔化而来的粘接相
越来越少烧结层宽度无法保持导致三角形烧结层出现三角形烧结体后后续堆积过程难以进行也无法改变其形状
激光熔覆是一种典型的均匀烧结过程图所示从合金相图图所示
看图激光熔覆和的微观组织
表测量所得的钨激光烧结层不同区域的化学成分
出钨和镍的熔点分别为和
合金的熔点根据不同的成分在和之间变化由红外非接触双色测温探头测得激光熔覆熔池的温度为左右因此激光能量能够熔化颗粒但不足以融化颗粒所以激光处理合金实际上是烧结过程而非激光熔覆的钨颗粒密集分布在烧结层中只有颗粒外部有部分溶解的完全熔化成为粘接相
并与
图合金相图
部分溶解的形成化合物测得其成分为的和的由于粘接相的体积百分比很低垂直多层叠加后的烧结层宽度不能保持与开始层一致结果仍出现三角形
中国激光卷
截面进一步激光烧结也很难有效堆积并改变其截面形状
激光熔覆和合金是一种烧结与熔覆的混合过程图由于粘接相的进一步增加和颗粒的进一步溶解弥散的颗粒不象中那样密布重新凝固的
基体成为主导组织这两种合金在多层垂直叠加过程中能保持其宽度的一致性具有良好的激光制造成型特性虽然的比重比高但由于激光熔覆的快速凝固特性和每层约的层厚熔覆层中没有出现颗粒的沉降现象未熔颗粒基本均匀地分布于熔覆层中
图激光熔覆和的微观组织
在激光熔覆层中微观组织包括部分熔化的颗粒基体成分和
和一些分布在基体中的花状枝晶组织成分和对照相图这两种组织分别对应和
合金为近共晶成分具有良好的液态流动性其微观组织包含未完全熔解的颗粒和基体基体成分为和
应该是和化合物的混合物由于它极好的液态流动性垂直叠加的激光熔覆层可以保持前面熔覆道宽度和形状
根据由上述实验结果和太空硬射线调制望远镜准直器零件的物理性能要求鉴于合金的物理特性较好并具有良好的熔覆成型能力决定选用为激光直接制造的材料
激光直接制造!合金金属零件的工艺稳
定性
虽然准直器零件的横截面形状并不十分复杂它的薄壁结构高度和主筋的平行度要求使它具有很大的挑战性为了满足零件的要求激光熔覆和制造工艺的稳定性是至关重要的激光熔覆制造是一个多参数过程主要参数包括激光功率光束直径扫描速度和送粉速率等制造零件的质量不仅与单个参数的稳定性有关而且与整个制造过程多个参数的稳定性有关如熔池温度的稳定性熔池几何形状的稳定性喷嘴与工件距离的稳定性等本项研究采用开环控制方式激光输出功率的稳定性为送粉速率稳定性为实际测量的熔池温度如图所示这些指标应能满足制造要求
图测量的熔池温度
图圆柱模拟件的激光制造
表激光直接制造技术制造的模型零件尺寸
在上述实验条件下经特殊编程首先制造出壁厚直径高度为的圆柱模拟件来验证制造工艺和系统的稳定性图工艺参数如下激光功率光束直径
期钟敏霖等激光快速直接制造合金太空望远镜准直器
扫描速度送粉速度所得模拟件的尺寸如表所示表明现有的激光快速制造系统和工艺能够满足制造实际金属零件的要求激光直接制造!准直器
准直器的制造工艺参数为激光功率光束直径扫描速度送粉速度耗时制造出高度为
的如图所示的准直器零件未出现裂纹和明显的气孔零件壁厚为平行度不低于
图激光直接制造出的零件
结论
基于激光熔覆技术的激光直接制造成功用于直接制造硬射线太空望远镜上的筒形
合金准直器零件
研究了钨和钨镍合金的激光熔覆特性
和多层激光熔覆时后续熔覆层的宽度会越来越窄最终形成三角形截面而和合金具有良好的激光直接制造成形效果
参考文献
中国激光卷
激光快速直接制造W/Ni合金太空望远镜准直器
作者：钟敏霖， 杨林， 刘文今， 张红军， 孙鸿卿
作者单位：清华大学机械工程系激光加工与快速成型研究中心,北京,100084
刊名：
中国激光
英文刊名：CHINESE JOURNAL OF LASERS
年，卷(期)：2004,31(4)
被引用次数：21次
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引用本文格式：钟敏霖.杨林.刘文今.张红军.孙鸿卿激光快速直接制造W/Ni合金太空望远镜准直器[期刊论文]-中国激光 2004(4)