中图分类号：TG146.2+3
论文编号：10006SY1101104
硕士学位论文
激光快速成形TC17钛合金热处理工艺研究
作者姓名陈博
学科专业材料加工工程
指导教师王华明教授
培养院系材料科学与工程学院
Research on heat treatment process of laser rapid formed Ti-17 titanium alloy
A Dissertation Submitted for the Degree of Master
Candidate：Chen Bo
Supervisor：Prof. Wang Huaming
School of Materials Science & Engineering Beihang University, Beijing, China
中图分类号：TG146.2+3
论文编号：10006SY1101104
硕士学位论文
激光快速成形TC17钛合金
热处理工艺研究
作者姓名陈博申请学位级别工学硕士
指导教师姓名王华明职称教授
学科专业材料加工工程研究方向激光材料制备与成形
学习时间自2011年9月1日起至2014年1月30日止论文提交日期2013年12月20日论文答辩日期2013年12月17日学位授予单位北京航空航天大学学位授予日期年月日
关于学位论文的独创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得北京航空航天大学或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。
若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。
学位论文作者签名：日期：年月日
学位论文使用授权书
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保密学位论文在解密后的使用授权同上。
学位论文作者签名：日期：年月日
指导教师签名：日期：年月日
摘要
TC17钛合金的名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr，是一种富β稳定元素的两相钛合金，具有较高的强度、淬透性、疲劳性能、断裂韧性以及热稳定性，综合性能良好，常用作发动机风扇、压气机盘件等关键零件。然而由于钛合金变形抗力大、切削加工工艺性能差，采用传统锻造+机械加工方法制造大型复杂钛合金构件周期长、成本高、制造难度大。激光快速成形技术是一种以金属粉末为原材料，通过高能激光束对金属原材料的逐层熔化堆积，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的―近终成形‖制造技术，具有成本低、加工周期短和材料利用率高等优点，在航空航天等工业中具有广泛的应用前景。
激光快速成形TC17钛合金具有与锻件TC17钛合金不同的显微组织，锻件TC17常用的热处理制度不能直接适用于激光成形TC17钛合金，作为改善其组织性能的重要手段之一，其热处理工艺需要进行深入探索。本文利用激光快速成形技术制备成形TC17钛合金板状试验料，分析激光沉积态TC17的显微组织特征及其形成机理，重点研究预处理退火、固溶以及时效处理中温度及冷却速度对显微组织及力学性能的影响，并分析其断裂机理，结果表明：
（1）激光快速成形TC17钛合金具有独特的组织特征，本实验中将试样板顶部5mm 厚的耐蚀性较差的若干沉积层定义为―非稳态区‖，其显微组织为细小针状的亚稳定组织，其余部分沉积层定义为―稳态区‖，显微组织为细小的网篮组织；将仅存在于―稳态区‖、由于熔池对已沉积层的循环热影响而形成的约500μm宽的条带特征定义为―热影响条带‖，将存在于―非稳态区‖及―稳态区‖中、由于熔池对固液界面处基体的强烈作用而形成的约50μm宽的条带特征定义为―层间条带‖，层间条带可反映熔池的形貌；在相邻熔池搭接（重叠）部位常形成柱状晶形貌，在熔池的中心部位常形成等轴晶形貌。
（2）激光快速成形TC17沉积态试样具有高强度低塑性的特性，拉伸断口在柱状晶区域表现为穿晶断裂而在等轴晶区域表现为沿晶断裂，沿晶断裂可能是由于晶界处连续的晶界α相导致。两相区预处理退火+固溶时效处理可显著调节激光快速成形TC17钛合金的显微组织。预处理温度升高、冷却速度增大可减小初生α相的长径比，固溶温度升高、固溶冷却速度增大可降低初生α相的体积分数，而升高时效温度可增大次生α相的片层厚度。增加初生α相长径比、次生α相体积分数可使材料强度上升而塑性下降、增大次生α相片层厚度可使塑性上升而强度降低。然而两相区预处理退火+固溶时效处
理无法消除粗大连续的晶界α相，断裂模式没有明显改变。
（3）通过单相区预处理使晶界α相与晶内α相在固溶阶段同时形核长大，从而避免形成连续的晶界α相且使其两侧初生α相与次生α相分布均匀，在一定程度上减小沿晶断裂倾向，将激光快速成形TC17钛合金的沿晶断裂转变为穿晶断裂。
关键词：激光快速成形；TC17钛合金；热处理工艺；显微组织特征；力学性能
Abstract
TC17 titanium alloy (Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr) was designed to meet the need of compressor disks of advanced aircraft engine, for its excellent strength, harden ability, fatigue resistance, fracture toughness and thermal stability. However, manufacturing titanium alloy by traditional processing methods, such as forging followed by machining, was costly and difficultly. An advanced manufacturing technology named of laser rapid forming technology could overcome those shortcomings. Laser rapid forming process is a solid freeform fabrication technology based on layer-by-layer materials melting and depositing to fabricate fully dense near-net-shape metallic components with fine microstructure, excellence of comprehensive mechanical properties and low cost of fabricating.
Laser rapid forming TC17 titanium alloy was differ from forging TC17 alloy, therefore tradition heat treatment of forging TC17 alloy was not suitable for laser forming TC17 alloy. Heat treatment for laser forming TC17 alloy, as one of the most important methods to improve the microstructure and mechanical behavior, deserve to be explored. In this project, TC17 titanium alloy were manufactured by laser rapid forming technology. Microstructure and mechanical behavior of as-deposited and heat-treated alloy were investigated. The influences of heat-treatment on microstructure and mechanical behavior, as well as fracture mechanism, were detailedly discussed. The result revealed that:
Laser rapid forming TC17 titanium alloy has unique microstructure characteristic for the special fabricating process, layer-like feature could be obtained in macrostructure, and several layers, defined as ―unstable zone‖ with about 5mm thick, was placed at top of the sample and other layers was defined as ―stable zone‖. A band feature named ―layer band‖could be obtained through the whole sample while the ―heat-affected band‖ existed only in the stable zone below. The prior β grain morphologies in microstructure was heterogeneity, huge columnar grains grew in the overlap zone of adjacent melting pool, and small equiaxed grains were placed in the center zone of each melting pool. The microstructure in unstable zone was ultra fine acicular structure, and in stable zone was fine basket-weave microstructure.
After anneal treatment and solution and aging treatment, the aspect ratio of primary α in laser rapid forming TC17 titanium alloy reduced in pace with the anneal temperature and cooling rate increase. And the volume fraction of primary α decreased as solution temperature and solution cooling rate increased. Moreover, the thickness of secondary α was related to the aging temperature as higher aging temperature lead to thicker secondary α and more volume fraction of β matrix.
The laser rapid forming TC17 titanium as-deposited alloy exhibited excellent strength but lower ductility, and exhibited a mixture of intergranular and transgranular fracture due to the heterogeneity of β grain morphologies. And the fracture mechanism has not been changed after heat treatment. The mechanical property could be affected by the microstructure. Higher aspect ratio of primary α, higher volume fraction of secondary α and thinner secondary α could result in higher strength and lower ductility.
The continuous and thick grain boundary α phase and a precipitate free transformed zone beside could result in the intergranular fracture in laser rapid forming TC17 titanium alloy. By pretreated in β phase region, the grain boundary and inside α was transformed into β matrix, and precipitated synchronously and uniformly, weakening the difference in dimension between grain boundary α and primary α to a certain extent. In that way, the fracture mechanism of laser rapid forming TC17 titanium alloy could be transformed from intergranular/ transgranular fracture to typical transgranular fracture.
Keywords:laser rapid forming; Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr; heat treatment; microstructure;
mechanical property
目录
摘要............................................................................................................................ I Abstract ........................................................................................................................ I II 第一章绪论 (1)
1.1 研究背景及意义 (1)
1.2钛与钛合金概述 (2)
1.2.1 钛及钛合金的基本性质 (2)
1.2.2 钛合金分类及TC17钛合金 (4)
1.2.3 钛合金显微组织及力学性能 (5)
1.3 钛合金的固态相变及热处理 (7)
1.3.1 钛合金的固态相变 (7)
1.3.2 钛合金的热处理 (10)
1.4 钛合金成形制备方法 (12)
1.4.1 精密铸造技术 (12)
1.4.2 精密塑性成形技术 (13)
1.4.3 粉末冶金技术 (15)
1.5 激光快速成形技术 (15)
1.6 本课题研究目的及研究内容 (21)
第二章实验方法及原理 (23)
2.1材料制备 (23)
2.2热处理实验 (24)
2.2.1退火预处理 (24)
2.2.2固溶处理 (25)
2.2.3时效处理 (26)
2.2.4断裂模式探索 (26)
2.3显微组织分析 (28)
2.4力学性能分析 (28)
第三章激光快速成形TC17钛合金沉积态组织性能特征 (29)
3.1激光快速成形TC17钛合金沉积态宏观组织形貌 (30)
3.2激光快速成形TC17钛合金沉积态显微组织特征 (34)
3.3激光快速成形TC17钛合金沉积态力学性能特征 (36)
本章小结 (37)
第四章热处理对激光快速成形TC17钛合金显微组织以及力学性能的影响 (38)
4.1预处理温度影响 (38)
4.2预处理冷却方式影响 (41)
4.3初生α相长径比对力学性能的影响 (42)
4.4固溶温度影响 (45)
4.5固溶冷却方式影响 (47)
4.6初生α相/次生α相体积分数对力学性能的影响 (48)
4.7时效温度影响 (51)
4.8次生α相片层厚度对力学性能的影响 (52)
本章小结 (54)
第五章单相区预处理+固溶时效对激光快速成形TC17钛合金显微组织与力学行为的影响 (55)
5.1单相区/两相区预处理 (55)
5.2固溶处理过程中的组织演变 (56)
5.3时效过程中的组织演变 (58)
5.4单相区/两相区预处理对断裂行为的影响 (59)
本章小结 (62)
结论 (63)
参考文献 (64)
攻读硕士学位期间取得的学术成果 (70)
致谢 (71)
北京航空航天大学硕士学位论文
第一章绪论
1.1 研究背景及意义
钛合金具有密度低、比强度高、屈强比（屈服强度/抗拉强度）高、耐蚀性好、耐热性高及高温力学性能优异等突出特点，作为一种优良的结构材料而广泛应用于航空、航天、电子、化工、医疗等军用和民用领域[1]。钛合金的应用水平是衡量飞机选材先进程度的重要标志之一，随着对飞机性能要求的不断提高，钛合金在航空工业中的应用优势日趋明显，其用量占飞机总重量中的比例不断提高[2]。为了最大限度减轻结构件重量，同时保证较高的使用性能，飞机用钛合金关键零件通常采用形状复杂的整体带筋加强结构。在第三代战机研制过程中，我国普遍采用的是―锻造+数控机加‖的制造方法，然而由于钛合金变形抗力大、切削加工工艺性能差，采用这种方法制造大型钛合金构件周期长、成本高、制造难度大。因此，迫切需要发展新的更为先进的钛合金近净成形技术，以应对我国航空钛合金工业当前所面临的高用量、高性能、低成本的严峻挑战。
高性能金属结构件激光快速成形制造技术一种实体自由成形技术，利用快速原型制造（RPM）的基本原理，以金属粉末为原材料，通过高能激光束对金属原材料的逐层熔化堆积，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的―近终成形‖制造。激光快速成形技术将高性能结构材料设计、制备与―近终形‖复杂零件直接成形有机融为一体，与锻压-机械加工传统制造技术相比这项技术具有生产制造周期短、生产制造成本低、材料利用率高、无需模具、工艺简单等独特优点，尤其适合于先进装备大型复杂钛合金等高性能关键金属结构件的快速、低成本成形制造，对装备的快速研制、生产与改型具有十分重要的意义。美国Aeromet公司及国内北京航空航天大学已成功实现激光快速成形钛合金结构件在飞机上的应用[3,4]。
TC17(名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr)是一种富β稳定元素的两相钛合金，具有强度高、断裂韧度好、淬透性高、热稳定性好、疲劳强度高等优点，常用于设计大截面的锻件与发动机风扇、压气机盘件[5,6]。作为近β型两相钛合金，
第一章绪论
TC17钛合金可通过热处理以改善组织提高性能[7,8]，锻造TC17形变热处理工艺已得到深入探索，研究表明[9]：其性能与在两相区或单相区内形变热处理息息相关，两相区的热加工过程包括一系列在α+β相区内锻造与加热的过程，即在锻造后进行双重固溶处理+时效处理，常采用840°C/1h,AC +800°C/4h,WQ +630°C/8h,AC；单相区热加工过程包括在两相区内预模锻、在β单相区内终锻后进行固溶时效，常采用的热处理制度为800°C/4h,WQ +630°C/8h, AC。对于激光快速成形TC17钛合金，由于成形过程中高温度梯度、高冷却速度以及往复加热效应，其沉积态显微组织为不均匀的非平衡凝固组织，不能达到最佳的力学性能，热处理是调整激光快速成形TC17钛合金显微组织与力学性能性能的重要手段之一，热处理参数对其组织与性能影响需要进一步探索研究，然而，目前对于激光快速成形TC17钛合金的显微组织及相关力学行为研究报道相对较少[10,11]，本文研究了激光快速成形TC17钛合金沉积态显微组织与力学性能，以及高温预处理、固溶温度、时间、时效温度对显微组织的影响，探究显微组织与力学性能之间的关系，为改善显微组织提高综合力学性能提供基础研究。
1.2钛与钛合金概述
1.2.1钛及钛合金的基本性质
钛是继钢、铝、镁之后21世纪的新型金属，其原子序数为22，相对原子量为47.87，位于化学元素周期表的IVB族。纯钛的熔点为1668℃，钛在固态下具有α?β同素异构转变，在882.5°C以下为具有密排六方(HCP)晶格结构的α钛，在882.5°C以上至熔点1678°C之间则为具有体心立方(BCC)晶格结构的β钛[12]。α-Ti和β-Ti的晶体结构如图1所示。
北京航空航天大学硕士学位论文
图1 钛的同素异构体：α-Ti和β-Ti的晶体结构
以钛为基体加入各种金属或非金属合金元素，就构成钛的金属间化合物或非金属化合物等统称钛合金。钛合金中，随着加入的合金成分和比例的不同，钛合金的α/β相变点的变化十分敏感。根据合金元素对钛的α/β转变温度的影响，通常将其分为三类：提高α/β转变温度的称为α稳定元素；降低α/β转变温度的称为β稳定元素；对α/β转变温度影响很小的称为中性元素[13,14]。表1显示了钛合金中合金元素的作用及其类型。
表 1 钛中常用合金元素的分类
第一章绪论
α稳定元素能在α-Ti中大量溶解，从而使α相区扩大（如图2-a），提高α/β转变温度，这类元素在周期表中的位置离钛比较远，包括Al、Ca、Ge、Ga、O、N、C等，其中应用得最多的是Al，Al元素含量的增加，不仅会提高β转变温度，还能使β稳定元素更易溶解于α相之中，对提高钛合金的高温强度与抗氧化性、降低比重、增加弹性模量有明显效果[15,16,17]。
β稳定元素能在β相中大量溶解的，从而扩大β相区（如图2-b），降低α/β转变温度，可细分为β同晶型元素和β共析型元素。当V、Mo、Nb、Ta等β同晶元素或Mn、Fe、Cr、Co等慢共析元素含量达到某一临界值（即临界浓度C k）时，较大的冷却速度能使合金中的β相保留至室温而不发生马氏体相变。各种β稳定元素的C k值见表2，元素的C k值越小，其稳定β相的能力越强。对于Si、Ag、Bi等快共析元素，由于在β钛中所形成的共析反应速度非常快，β相将分解成α相和比较脆的金属间化合物，很难保留到室温。
表2 钛合金中常用合金元素的临界浓度[18]
元素Ta Nb V Mo Ni Co Mn Cr Fe C k(wt%) 45 36 15 11 8.5 9.5 6.5 6.5 5.5
中性元素：中性元素对α/β转变温度的影响较小（如图2-c），在α和β相中均有较大的溶解度。中性元素加入后主要对α相起固溶强化作用。钛合金中常用中性元素为Zr和Sn，可提高α相强度以及合金的高温拉升强度。
图 2 α稳定元素(a)、β稳定元素(b)以及中性元素(c)对相图的影响
1.2.2钛合金分类及TC17钛合金
钛合金可按照相组成以及合金元素含量的关系分为α型（以TA表示）、β型（以TB表示）以及α+β型（以TC表示）合金。
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TCl7钛合金（也称为Ti-17，通用电器公司于1968年研制成功）是富β稳定元素的(α+β)型钛合金（如图4），其名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr。TCl7合金具有强度高，韧性好、淬透性高、热稳定性好，疲劳强度高的特性，主要用于制造航空发动机的压气机盘、叶片等零件，也可用于制造飞机结构件。
图4 各种钛合金及其与 稳定元素之间的关系
1.2.3钛合金显微组织及力学性能
钛合金显微组织中的相组成主要有以α-Ti为基的α固溶体和β-Ti为基的β固溶体两种。不同的合金化学成分以及热加工工艺会使钛合金表现出多种多样的显微组织，其中组织形态、α和β两相的数量、尺寸、分布等都是重要的组织特征参数，同时，不同的显微组织表现出的力学性能同样有所差异。钛合金按照其组织形态特征可大致分为四类：魏氏组织、网篮组织、等轴组织以及双态组织，各种典型组织的组织形貌以及力学性能列于图3和表2，详述[19]如下：
(1) 魏氏组织：魏氏组织是在β相区进行加工或退火得到的组织，具有粗大等轴的原始β晶粒和完整的晶界α，晶粒内部是尺寸较大、取向一致的片层集束，
第一章绪论
同一个集束内是并行排列的α、β片层，如图3-a所示。魏氏组织的断裂韧度高、蠕变抗力和持久强度较高，但塑性较差。
(2) 网篮组织：通过在(α+β)/β相变点附近变形，或在β相区开始变形但在α+β相区终止变形(变形量为50~80%)可得到网篮组织，原始β晶粒以及晶界α相被不同程度地破碎，晶内α片层发生粗化，晶粒内部呈网篮片层结构，如图3-b 所示。相比于魏氏组织，网篮组织的塑性及疲劳性能较好但断裂韧性较低，综合性能优于魏氏组织。
(3) 等轴组织：钛合金在α+β相区热加工时，在变形过程中α相与β相会相继发生再结晶从而获得完全等轴的α+β相。其特点是初生α相等轴且均匀分布，体积分数超过50%，集体上存在一定的β转变组织，如图3-c所示。等轴化程度的大小，受变形程度、加热温度和保温时间的影响，总的趋势是随着三者的增加，等轴化程度增加。
(4) 双态组织：两相钛合金在α+β相区上部进行热加工变形，或者在两相区变形后再加热到两相区上部温度冷却，可得到双态组织。其特点是在转变β组织的基础上，分布着一定数量的初生α相，但总含量不超过50%，如图3-d所示。双态组织和等轴组织的力学性能类似，仅随所含初生α相数量不同而存在差异，这两种组织均具有较高的疲劳强度和塑性。
表 2 两相钛合金典型显微组织力学性能特征对比[20]
组织类型室温
强度
室温
塑性
冲击
韧性
断裂
韧性
疲劳
极限
高温瞬时
拉伸强度
高温瞬时
拉伸塑性
持久
强度
蠕变
抗力
魏氏最高最低最低最高最低中最低最高最高网篮较高较低中较高中中较高较高较高双态较低较高中较低中较低较高较低较低等轴较低最高最高最低最高较高较高最低最低
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图 3 两相钛合金的典型组织[21]
(a)魏氏组织；(b)网篮组织；(c)等轴组织；(d)双态组织
1.3 钛合金的固态相变及热处理
1.3.1钛合金的固态相变
钛合金在热处理过程中常见的固态相变有：（1）固溶冷却过程中的相变（包括淬火），β→α"，β→α'，β→ω(althermal)，β→α，及一些快共析元素的共析反应和短程有序相的形成，比如Si、Cu元素的共析析出和Ti3Al短程有序相都可以再退火过程中形成。（2）时效过程中的相变，β→β+ω(isothermal)→β+α，β→β+β'→β+α，β→α，α'→β+α，α"→β+α'→β+α，及一些慢共析元素的共析有序化转变，比如Ti3Al，Ti2Cr等有序相的形成[22]。根据冷却速度的不同，冷却过程中的主要相变主要有以下几种：
（1）α'相变
α'是钛合金自β相区或接近α+β/β相变点快速冷却时形成的，由β相析出α相的过程来不及进行，但是β相的晶格结构仍会发生转变，这种原始β相的成分未发生变化而晶格结构发生改变的过饱和固溶体便是马氏体。α'为马氏体相变中
第一章绪论
的一种，为密排六方结构，呈片状，其内部没有孪晶，多出现于含合金元素较少的钛合金中。在随后的热处理过程中α'相一般可直接分解为稳定的α相。
（2）α"相变
α"是由β相以非扩散转变形成的过饱和非平衡斜方相，是马氏体相变中的一种。在β稳定元素较多的α+β钛合金中，由β相区或接近α+β/β变点高温淬火时，β相的晶格转变阻力较大，不能转变为密排六方晶格而是转变为斜方晶格，这种马氏体称为α"，α"马氏体相呈针状，其内部可能存在孪晶，一般出现在含合金元素较多的钛合金中。而α"相分解相对较为复杂，一般要经历α'相的中间过渡阶段。
（3）ωalthermal相变
在含β稳定元素较高的钛合金中，可在一定条件下形成过渡相ω（如图4所示），通常认为ω相可分为两类，即淬火ω相（ωalthermal相）以及等温ω相（ωisothermal）。
图 4 亚稳ω相的不同形貌[23,24]
当钛合金中的β稳定元素含量在临界浓度附近时，在高温相区淬火可得到ωalthermal相，普遍认为在淬火过程中由于发生了β→ω转变，β基体上一副{111}面向中间塌陷，而相邻的{111}面则保持不变，从而形成淬火ω相[25]。
由于在冷却过程之中存在着较多的不稳定相，这些相在随后的时效过程中会发生分解，而根据保留相的不同，时效过程中发生的主要相变有下面几种：（1）ωisothermal相变
当钛合金中的β稳定元素的含量略超过临界浓度时，在高温淬火时得到亚稳β相而不形成ω相，这种亚稳β相在500°C以下等温处理（时效或回火）即转变为等温ω相，这一过程由热激活扩散机制控制，是一种扩散现象。等温ω相是时效过程的中间相，完整的转变过程为β→β+ωisothermal→α+β。
两种ω相的结构是相同的，然而具体的晶体结构尚存在争议[26,27,28]，普遍认
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为它是密排六方结构。
（2）β'相变
β'相是一种浓度较低的亚稳相，常形成于溶质富化型亚稳定β钛合金中，与ωisothermal相类似，β'也是时效过程中的中间相。其完整的转变过程为β→β+β'→α+β。其中β→β+β'的相变为相分离反应。β'相（图7）和ω相的出现一般对合金的性能产生不利的影响，所以钛合金在热处理过程中要避免这些相的出现，或者使这些相在热处理中间过程中出现，从而使最终的处理组织优化。
图 5 亚稳β'相的形貌和分布[29]
（3）α相沉淀
在相分离和ω相变不能出现的高温时效过程中，α相可以由亚稳ω直接转变得到。完整转变过程为βm→β+β'→β+β?+α→β+α。
一般在β稳定元素含量较少和有大量Al的系统中，亚稳β相可直接析出片层状（魏氏体）α相，包括与母相保持Burgers位向关系的1α相以及没有Burgers 位相关系的2α相。由于没有中间相过渡，这类相变产生的α相组织不均匀且较为粗大。
在含合金浓度较低的合金在高温（>500°C）时效时，亚稳相βm按βm→α+β方式进行分解，从βm中直接析出α相。合金浓度较高的合金在较低温度（300~400°C）进行时效时，亚稳β相按βm→β+ωisothermal→α+β方式进行分解，经过中间过渡等温ωisothermal相，并逐步转变为平衡组织α+β。对合金浓度更高或添加抑制ω形成元素的合金，当等温ω相不能出现时，合金按βm→β+β'→β+β?+α →β+α方式分解，先形成β'相，然后再转变为平衡组织α+β。图8显示了添加β
第一章绪论
同晶型元素的合金中一些常见的平衡/亚稳相转变。
图 6 添加 同晶型元素的合金中一些常见的平衡/亚稳相转变[30]在凝固和固态相变过程中冷却速度对钛合金的组织大小产生较大影响，液态凝固过程中以及从β相区冷却经α+β相区的固态相变过程中，冷却速度等增大可以显著减小钛合金中显微组织的尺寸。
1.3.2钛合金的热处理
根据现有文献资料[31]的对比分析，金属材料的热处理归纳为三大类：第一类，淬火+回火；第二类，固溶+时效；第三类，淬火+时效。对于这三类热处理，它们的基础理论都是相同的，即在高温保温过程中，使合金元素固溶到基体中，然后在急冷过程中发生非平衡转变，形成过饱和固溶体，随后的时效使过饱和度弱化，析出第二相。淬火和固溶、回火和时效的区别主要是根据材料性质的不同，以及它们所产生的力学性能不同而约定成俗的。
钛合金热处理是钛合金学科领域中的重要组成部分。钛合金的热处理工艺有多种，常见的热处理方式有退火、淬火时效处理、形变热处理和化学热处理。经热处理后，钛合金的强度、硬度和塑性均发生相应变化。
1、退火：为了缓解材料中的应力分布、改善延展性、提高材料的热稳定性，可采用退火处理，其具体形式包括有完全退火、去应力退火、双重退火、等温退火等。去应力退火有助于使材料发生回复从而消除内应力，再结晶退火可使材料发生再结晶以消除加工硬化、提高塑性、稳定组织。双重退火对于耐热钛合金而言可以保证材料在高温及长期应力作用下组织稳定性、减少性能损耗，第一次高温退火使材料进行充分的再结晶，控制初生α相的含量，第二次低温退火是使显
SLA工艺也称光造型或立体光刻，是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下，能在液态表面上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均有计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。SLA方法是目前快速成型技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。SLA工艺成型的零件精度较高，加工精度一般可达到0.1mm，原材料利用率近100%。 成型技术特点 快速成型技术具有一下几个重要特征：1）可以制造任意复杂的三维几何实体。由于采用离散/堆积成型的原理，它将一个十分复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加，可实现对任意复杂形状零件的加工。越是复杂的零件越能显示出RP技术的优越性。此外，RP技术特别适合复杂型腔、复杂型面等传统方法难以制造甚至无法制造的零件。2）快速性。通过对一个CAD模型的修改或重组就可获得一个新零件的设计和加工信息。从几个小时到几十个小时就可制造出零件，具有快速制造的突出特点。3）高度柔性。无需任何专用夹具或工具即可完成复杂的制造过程，快速制造工模型、原型或零件。4）快速成型技术实现了机械工程学科多年来追求的两大先进目标，即材料的提取（气、液、固相）过程与制造过程一体化和设计（CAD）与制造(CAM)一体化。5）与反求工程（Reverse Engineering）、CAD技术、网络技术、虚拟现实等相结合，成为产品快速开发的有力工具。 流程示意 快速成型的工艺过程具体如下： 1）产品的三维模型的构建。由于RP系统是由三维CAD模型直接驱动，因此首先要构建所加工工件的三维CAD模型。该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件（如Pro/E，I-DEAS, Solid Works，UG等）直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、CT断层扫描，得到点云数据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型。 2）SLA激光快速成型 SLA工艺也称光造型或立体光刻，是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下，能在液态表面上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均有计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。 3）成型零件的后处理。 从成型系统里取出成型件，进行打磨、抛光、涂挂，或放在高温炉中进行后烧结，进一部提高其强度。 材料性能
DLF与SLM激光快速成型方法的比较激光直接制造(Direct Laser Fabrication，DLF)技术与选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术是目前较为成熟和先进的激光快速成型技术，涉及机械、材料、激光、计算机和自动控制等多学科领域，充分体现了现代科学发展多学科交叉的特点，具有广泛的研究与发展前景。 DLF技术是基于激光快速成型的“离散一堆积”、“添加式制造”的基本概念和激光熔覆技术而发展起来的金属零件全密度全功能快速直接制造技术。其实质是利用送粉式激光熔覆逐点、逐层沉积，实现三维任意形状高性能金属零件的近净成型。 SLM技术是以选择性激光烧结(Selective I．aserSinter，SLS)技术为基础，基于快速成型的最基本思想，即逐层熔覆的“增量”制造方式，根据三维CAD模型直接成型具有特定几何形状的零件，成型过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合。它是快速成型技术的 最新发展。 本文采用DLF与SLM两种激光快速成型技术进行一系列实验，根据实验结果，比较分析两种快速成型方法在成型精度和效率、成型件力学性能和组织结构等方面的异同，为激光快速成型方法的选择提供一定的技术依据。 1 DLF与SLM激光快速成型技术的原理 1．1 DLF激光快速成型技术的原理 DLF技术是将快速成型(Rapid Prototyping，RP)技术和激光熔
覆技术相结合，以激光作为加工能源，以金属粉末为加工原料，在金属基板上逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术。DLF快速成型技术的基本原理哺1如图1所示，先利用三维CAD软件(如UG，Pro ／E，Solidworks)生成所需制造零件的三维CAD模型，并转换成STL 格式；再利用切片技术将吼格式的CAD模型按照一定的层厚进行分层切片， 提取每一层切片所产生的轮廓；然后根据切片轮廓设计合理的扫描路径，并转换成相应的计算机数字控制(Computer Nomencal Control，CNC)工作台指令；激光束在CNC指令控制下进行扫描加工，将加工原料进行熔覆，生成与这一层形状、尺寸一致的熔覆层。完成这一过程后，聚焦镜、同轴送粉喷嘴等整体上移(或工作台下移)一个层厚的高度，并重复上述过程，如此逐层熔覆堆积直到形成CAD模型所设计的形状，加T出所需的金属零件为提高表面质量和避免加工缺陷，加工过程可在气体保护下进行。
试卷 2. 3.快速成型技术的主要优点包括成本低，制造速度快，环保节能，适用于新产品开发和单间零件生产等 4.光固化树脂成型（SLA）的成型效率主要与扫描速度，扫描间隙，激光功率等因素有关 5. 也被称为：3D打印，增材制造； 6.选择性激光烧结成型工艺（SLS）可成型的材料包括塑料，陶瓷，金属等； 7.选择性激光烧结成型工艺（SLS）工艺参数主要包括分层厚度，扫描速度，体积成型率，聚焦光斑直径等； 8.快速成型过程总体上分为三个步骤，包括：数据前处理，分层叠加成型（自由成型），后处理； 9.快速成型技术的特点主要包括原型的复制性、互换性高，加工周期短，成本低，高度技术集成等； 10.快速成型技术的未来发展趋势包括：开发性能好的快速成型材料，改善快速成形系统的可靠性，提高其生产率和制作大件能力，优化设备结构，开发新的成形能源，快速成形方法和工艺的改进和创新，提高网络化服务的研究力度，实现远程控制等； 11.光固化快速成型工艺中，其中前处理施加支撑工艺需要添加支撑结构，支撑结构的主要作用是防止翘曲变形，作为支撑保证形状； 二、术语解释 1.STL数据模型 是由3D SYSTEMS 公司于1988 年制定的一个接口协议，是一种为快速原型制造技术服务的三维图形文件格式。STL 文件由多个三角形面片的定义组成，每个三角形面片的定义包括三角形各个定点的三维坐标及三角形面片的法矢量。stl 文件是在计算机图形应用系统中，用于表示三角形网格的一种文件格式。它的文件格式非常简单，应用很广泛。STL是最多快速原型系统所应用的标准文件类型。STL是用三角网格来表现3D CAD模型。STL只能用来表示封闭的面或者体，stl文件有两种：一种是ASCII明码格式，另一种是二进制格式。 2.快速成型精度包括哪几部分 原型的精度一般包括形状精度，尺寸精度和表面精度，即光固化成型件在形状、尺寸和表面相互位置三个方面与设计要求的符合程度。形状误差主要有：翘曲、扭曲变形、椭圆度误差及局部缺陷等；尺寸误差是指成型件与CAD模型相比，在x、y、z三个方向上尺寸相差值；表面精度主要包括由叠层累加产生的台阶误差及表面粗糙度等。 3.阶梯误差 由于快速成型技术的成型原理是逐层叠加成型，因此不可避免地会产生台阶效应，使得零件的表面只是原CAD模型表面的一个阶梯近似（除水平和垂直表
激光快速成型（SLS）技术在汽车领域的应用 湖南华曙公司采用的选择性粉末激光烧结（SLS）技术是行业领先的柔性智能制造技术，广泛服务于汽车制造、飞机工程、消费电子、精密传感等诸多领域。 快速制造（RM）激光装备欧美等国07年一年新增近2000台，制成产品已经大量出现在飞机、汽车、大型仪器、仪表等领域，由于不需要模具，从CAD文件到产品可在15小时之内出货，对我们这个传统的制造业大国产生了强烈的冲击，庞大的市场需求与国产设备的极缺造成的反差，无论是激光装备国产化市场还是产品市场都给我们留出了宝贵的市场机遇。我们项目正是在国内批量制造RM设备并承接RM产品制造服务，并力争建成全国领先的产业集群，国家工程技术中心。 汽车设计和塑胶件批量制造中应用 汽车外形及内饰件的设计、改型、装配试验，发动机、汽缸头等复杂外型的试制。 作为设计验证和评估的手段，激光快速成型已经用于国内外汽车产业中， ●例如美国克莱斯勒公司已制造车身模型，将其放在高速风洞中进行空气动力学试验分析，取得了令人满意的效果，大大节约了试验费用。 ●汽车发动机进气管内腔形状是由十分复杂的自由曲面构成的，它对提高进气效率、燃烧过程有十分重要的影响。设计过程中，需要对不同的进气管方案做气道试验，传统的方法是用手工方法加工出由几十
个截面来描述的气管木模或石膏模，再用砂模铸造进气管，加工中，木模工对图纸的理解和本身的技术水平常导致零件与设计意图的偏离，有时这种误差的影响是显著的。使用数控加工虽然能较好地反映出设计意图，但其准备时间长，特别是几何形状复杂时更是如此。英国Rover公司使用激光快速成型技术生产进气管的外模及内腔模，取得了令人满意的效果。 ●在汽车模具制造中应用本激光快速成型技术，能烧结蜡、聚碳酸酯、尼龙、金属等各种材料。用该系统制造的钢铜合金注塑模具，可注塑5万件工件。也可以结合其他技术来制作钢质模具，实现金属模的快速制造。或者直接制造出复形精度较高的EDM电极，用于注塑模、锻模、压铸等钢制模具型腔的加工。一个中等大小、较为复杂的电极一般4～8h即可完成，复形精度完全满足工程要求。福特汽车公司用此技术制造汽车模具取得了满意的效果。上海交通大学也已通过RP与精密铸造结合的方法为汽车及汽车轮胎等行业生产进口替代模具计80余副。与传统机加工法相比，快速模具制造的制作成本及周期大大降低。我国每年需进口模具达几十亿美元，主要是复杂模具和精密模具，因此，激光快速成型技术在未来的汽车模具制造业中的应用前景十分广阔。 ●在汽车灯具制造上的应用汽车灯具大多数的形状是不规则的,曲面复杂,模具制造难度很大。通过快速成型技术,可以很快得到精确的产品试样,为模具设计CAD和CAM提供了有利的参考。同时,也可以通过快速成型技术,用熔模铸造的方法快速、高精度地制造出灯具模具。
四种常见快速成型技术 FDM 丝状材料选择性熔覆（Fus ed Dep osi tion Mod eling）快速原型工艺是一种不依*激光作为成型能源、而将各种丝材加热溶化的成型方法，简称FDM。 丝状材料选择性熔覆的原理室，加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动。热塑性丝状材料（如直径为1.78m m的塑料丝）由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热和溶化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。 这种工艺方法同样有多种材料选用，如ABS塑料、浇铸用蜡、人造橡胶等。这种工艺干净，易于操作，不产生垃圾，小型系统可用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险。但仍需对整个截面进行扫描涂覆，成型时间长。适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。由于甲基丙烯酸ABS（M AB S）材料具有较好的化学稳定性，可采用加码射线消毒，特别适用于医用。但成型精度相对较低，不适合于制作结构过分复杂的零件。 FD M快速原型技术的优点是： 1、操作环境干净、安全可在办公室环境下进行。 2、工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。 3、尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配。可快速构建瓶状或中空零件。 4、原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。 5、材料利用率高。 6、可选用多种材料，如可染色的A BS和医用A BS、PC、PP SF等。 FDM快速原型技术的缺点是： 1、做小件或精细件时精度不如SLA，最高精度0.127mm。 2、速度较慢。 SL A 敏树脂选择性固化是采用立体雕刻（Stereo litho gra phy）原理的一种工艺，简称SLA，也是最早出现的、技术最成熟和应用最广泛的快速原型技术。 在树脂液槽中盛满液态光敏树脂，它在紫外激光束的照射下会快速固化。成型过程开始时，可升降的工作台处于液面下一个截面层厚的高度，聚焦后的激光束，在计算机的控制下，按照截面轮廓的要求，沿液面进行扫描，使被扫描区域的树脂固化，从而得到该截面轮廓的塑料薄片。然后，工作台下降一层薄片的高度，以固化的塑料薄片就被一层新的液态树脂所覆盖，以便进行第二层激光扫描固化，新固化的一层牢固的粘结在前一层上，如此重复不已，知道整个产品成型完毕。最后升降台升出液体树脂表面，即可取出工件，进行清洗和表面光洁处理。 光敏树脂选择性固化快速原型技术适合于制作中小形工件，能直接得到塑料产品。主要用于概念模型的原型制作，或用来做装配检验和工艺规划。它还能代替腊模制作浇铸模具，以及作为金属喷涂模、环氧树脂模和其他软模的母模，使目前较为成熟的快速原型工艺。 SL A快速原型技术的优点是： 1、成形速度较快。 2、系统工作相对稳定。 3、尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在0.1m m（但，国内SL A精度在——0.3mm之间，
RP快速成型技术的原理介绍 快速自动成型RP(Rapid Prototyping)技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称，它集成了CAD技术、数控技术。激光技术和材料技术等现代科技成果:是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。 快速自动成型技术问世不到十年，已实现了相当大的市场，发展非常迅速。人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。制造行业的工作人员都想方设法利用这种现代化手段，与传统制造技术的接轨工作也进展顺利。人们用其长避共短，效益非凡。与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段一起，快速自动成型已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。 快速成型的过程是首先生成一个产品的三维CAD实体模型或曲面模型文件，将其转换成STL文件格式，再用一软件从STL文件"切"(Slice)出设定厚度的一系列的片层，或者直接从CAD文件切出一系列的片层，这些片层按次序累积起来仍是所设计零件的形状。然后，将上述每一片层的资料传
到快速自动成型机中去，类似于计算机向打印机传递打印信息，用材料添加法依次将每一层做出来并同时连结各层，直到完成整个零件。因此，快速自动成型可定义为一种将计算机中储存的任意三维型体信息通过材料逐层添加法直接制造出来，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉的新型制造技术。 快速成型技术与传统方法相比具有独特的优越性和特点: （1）产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，可实现自由制造(Free FormFabrication)，这是传统方法无法比拟的。 （2）产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产。 （3）由于采用非接触加工的方式，没有工具更换和磨损之类的问题，可做到无人值守，无需机加工方面的专门知识就可操作。 （4）无切割、噪音和振动等，有利于环保。 （5）整个生产过程数字化，与CAD模型具有直接的关联，零件可大可小，所见即所得，可随时修改，随时制造。 （6）与传统方法结合，可实现快速铸造，快速模具制造，小批量零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力。 光固化立体造型（SL—Stereolithography） 该技术以光敏树脂为原料，将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕，移动工作台，在
第10章增材制造技术及发展 10.1 增材制造技术 10.1.1概述 “3D 打印”（3D Printing ) 的专业术语是“增材制造”( Additive Manufacnuing )。其技术内涵是通过数字化增加材料的方式实现结构件的制造。增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术是指基于离散-堆积原理，采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除－切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。诞生于上个世纪八十年代末期的增材制造技术:1i制造技术原理的改革命性突破，它形成了最能代表信息化时代特征的制造技术，即以信息技术为支撑，以柔性化的产品制造方式最大限度地满足无限丰富的个性化需求。近二十年来，AM技术取得了快速的发展，“快速原型制造（Rapid Prototyping）”、“三维打印（3D Printing）”、“实体自由制造（Solid Free-form Fabrication）”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。 工业化的LSF-V大型激光立体成形装备所谓数字化增材制造技术就是一种三维实体快 速自由成形制造新技术，如图10.1所示，它综合了计算机的图形处理、数字化信息和控制、激光技术、机电技术和材料技术等多项高技术的优势，学者们对其有多种描述。西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东教授称这种新技术为“数字化增材制造”，中国机械工程学会宋天虎秘书长称其为“增量化制造”，其实它就是不久前引起社会广泛关注的“三维打印”技术的一种。西方媒体把这种实体自由成形制造技术誉为将带来“第三次工业革命”的新技术。 图10.1工业化的LSF-V大型激光立体成形装备 10.1.2 增材制造技术分类 材料焊接学家关桥院士提出了“广义”和“狭义”增材制造的概念（如图10.2所示），“狭义”的增材制造是指不同的能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料的技术体系；而“广义”增材制造则以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标的大范畴技术群。如果按照加工材料的类型和方式分类，又可以分为金属成形、非金属成形、生物材料成形等（如图10.3所示）。
激光快速成型技术研究现状与发展 摘要:快速成型技术是近年来制造技术领域的一次重大突破和革命性的发展,激光快速成型技术是其重要组成部分。本文介绍了激光快速成型技术的基本原理和特点,分析了有关工艺方法,讨论了LRP 技术的研究现状和应用,并展望其未来发展趋势。 关键词:激光快速成型;研究现状;发展趋势 1 激光快速成型技术原理和特点 80 年代后期发展起来的快速成型技术(RapidPrototyping ,RP) 是基于分层技术、堆积成型, 直接根据CAD 模型快速生产样件或零件的先进制造成组技术总称。RP 技术不同于传统的去除成型、拼合成型及受迫成型等加工方法,它是利用材料累加法直接制造塑料、陶瓷、金属及各种复合材料零件[1 ] 。以激光作为加工能源的激光快速成型是快速成型技术的重要组成部分,它集成了CAD 技术、数控技术、激光技术和材料科学等现代科技成果。激光快速成型(Laser Rapid Prototyping ,LRP) 原理是用CAD 生成的三维实体模型,通过分层软件分层,每个薄层断面的二维数据用于驱动控制激光光束,扫射液体,粉末或薄片材料,加工出要求形状的薄层,逐层累积形成实体模型。快速制造出的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、工程分析、市场订货及企业决策等,缩短新产品开发周期,降低研发成本,提高企业竞争力。以此为基础进一步发展的快速模具工装制造(Quick Tooling) 技术,快速精铸技术(Quick Casting) ,快速金属粉末结技术(Quick Powder Sintering) 等,可实现零件的快速成品。 激光快速成型技术主要特点: (1) 制造速度快、成本低, 节省时间和节约成本,为传统制造方法注入新的活力,而且可实现自由制造(Free Form Fabrication) ,产品制造过程以及产品造价几乎与产品的批量和复杂性无关。[2 ] (2) 采用非接触加工的方式,没有传统加工的残余应力问题,没有工具更换和磨损之类的问题,无切割、噪音和振动等,有利于环保。 (3) 可实现快速铸造、快速模具制造,特别适合于新品开发和单件零件生产。 2 LRP 工艺方法 LRP 技术包括很多种工艺方法,其中相对成熟的有立体光固化(SLA) 、选择性激光烧结(SLS) 、分层实体制造(LOM) 、激光熔覆成形(LCF) 、激光近形制造(LENS) 。 (1) 光固化立体造型(SL —Stereolithography ,orSLA) 将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态光敏树脂逐点扫描,被扫描的树脂薄层产生光聚合反应固化形成零件的一个截面, 再敷上一层新的液态树脂进行扫描加工,如此重复直到整个原型制造完毕。这种方法的特点是精度高、表面质量好,能制造形状复杂、特别精细的零件,不足是设备和材料昂贵,制造过程中需要设计支撑。 (2) 分层实体制造(LOM—Laminated ObjectManufacturing) LOM工艺是根据零件分层得到的轮廓信息用激光切割薄材,将所获得的层片通过热压装置和下面已切割层粘合,然后新的一层纸再叠加在上面,依次粘结成三维实体。LOM主要特点是设备和材料价格较低,制件强度较好、精度较高。Helisys 公司研制出多种LOM工艺用的成型材料,可制造用金属薄板制作的成型件,该公司还开发基于陶瓷复合材料的LOM工艺。 (3) 选择性激光烧结(SLS —Se1ected LaserSintering) SLS 的原理是根据CAD 生成的三维实体模型,通过分层软件分层获得二维数据驱动控制激光束,有选择性地对铺好的各种粉末材料进行烧结,加工出要求形状的薄层,逐层累积形成实体模型,最后去掉未烧结的松散的粉未,获得原型制件。SLS的特点是可以采用多种材料适应不同的应用要求,而具有更广阔的发展前景。但能量消耗非常高,成型精度有待进一步提高。DTM
钛合金激光熔化堆积快速成型技术 一、引言 钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性以及优异的高温力学性能等突出特点，在航空航天、船舶、医疗等高技术和尖端科学领域发挥着重要作用，已成为材料科学的重要研究领域之一。 在航空领域，钛合金材料做成的各种机身加强框、梁、接头等大型关键主承力结构件，因为强度大、重量相对较轻，目前被大多数先进飞机所采用。如波音公司和空客公司研制的新一代民用客机(B一787、A一380)中钛合金用量已由第三代(B一747、A一300)的不到4％上升到9％以上，第三代歼击机中钛合金结构件用量由F一1 6的约3％增加到了F／A1 8-ElF、苏一27的15％以上，而第四代歼击机F一22中钛合金结构件用量已占机身结构总重量的41％。事实上，大型整体钛合金结构件用量的高低已成为衡量飞机等国防装备技术先进性的重要标志之一。 基于钛合金复杂的工艺性能，传统的钛合金锻造对工艺参数非常敏感，锻造温度、变形量、及冷却速度的改变都会引起钛合金组织性能的变化。由于钛合金的化学活性高，易于空气中的N、O发生剧烈化学反应，且易于锻造中常用的耐火材料发生化学反应。由于受钛合金本性的影响，采用“锻造+机械加工”等传统技术制造大型复杂钛合金关键结构件，不仅需要大型钛合金铸锭熔铸与制坯、万吨级以上重型液压锻造工业装备，而且制造工序繁多、工艺复杂，需要大型钛合金铸锭真空熔铸、大规格锻坯制备、大型锻造模具加工等，零件机械加工余量很大、材料利用率低(一般小于5～10％)、数控加工时间长、制造成本高、生产周期长，严重制约了大型钛合金结构件在先进工业及国防装备中的广泛应用，大型钛合金主承力结构件低成本、短周期成形制造技术，也是制约我国航空装备研制与生产的技术“瓶颈”之一! 然而，随着科技的发展和技术革新，中国掌握的钛合金制造技术也实现了跨越式的进步。一种“激光熔化堆积快速成型技术”应用于钛合金制造中，利用金属粉末（或丝材），通过一束高性能激光，对金属原材料进行逐层熔化堆积，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的“近终成形”制造，是一种具有“变革性”意义的数字化、短周期、低成本先进的制造新技术，在航空、航天等国防装备研制与生产中具有广阔的前景，与传统钛合金制造技术(锻压+机械加工、锻造+焊接等)相比，具有以下突出优点： (1)高性能材料制备与复杂零件“近终成形”制造一体化，无需零件毛坯制备和锻压模具加工、无需大型或超大型锻铸工业装备及其相关配套设施； (2)零件具有晶粒细小、成分均匀、组织致密的独特快速凝固组织，综合力学性能优异； (3)零件的材料利用率高(可比锻件提高5倍以上)、数控机械加工时间短； (4)制造成本低、生产制造周期短； (5)工艺与设备简单、工序少而短、具有高度柔性与“超常”快速反应能力： (6)可以方便地实现包括W、Mo、Nb、Ta等各种难熔及Ti、Zr等各种高活性高性能金属材料零件的材料制备和零件直接“近终成形”； (7)可根据零件的工作条件和性能要求，通过灵活改变局部激光熔化沉积材料的化学成分，实现多材料梯度复合高性能金属的直接近终成形制造； (8)具有对构件设计与批量变化的高度柔性与快速反应能力。激光快速成形技术的独特优
手板模型按加工方式，主要可分为CNC数控加工，另外就是激光快速成型加工，本文主要介绍关于快速成型技术的制作原理与要点。 快速成型技术的特点： 与传统材料加工技术相比,快速成型具有鲜明的特点： 1．数字化制造。 2．高度柔性和适应性。可以制造任意复杂形状的零件。 3．直接CAD模型驱动。如同使用打印机一样方便快捷。 4．快速。从CAD设计到原型(或零件)加工完毕，只需几十分钟至几十小时。 5．材料类型丰富多样，包括树脂、纸、工程蜡、工程塑料（ABS等）、陶瓷粉、金属粉、砂等，可以在航空，机械，家电，建筑，医疗等各个领域应用。 快速成型的主要工艺： RP技术结合了众多当代高新技术：计算机辅助设计、数控技术、激光技术、材料技术等，并将随着技术的更新而不断发展。自1986年出现至今，短短十几年，世界上已有大约二十多种不同的成形方法和工艺，而且新方法和工艺不断地出现。目前已出现的RP技术的主要工艺有： 1.PCM工艺:无木模铸造。 2.SL工艺:光固化/立体光刻 。 3.FDM工艺:熔融沉积成形。 4.SLS工艺:选择性激光烧结。 5.LOM工艺:分层实体制造。 6.3DP工艺:三维印刷。 模型放置与添加零件支撑： 为了防止成型过程中零件的翘曲变形，需要给零件添加支撑。AFS（快速成型系统）提供了两种支撑方法，一种是网格支撑，一种是基于切片和零件形状的支撑。因为支撑只是在零件烧结成型的过程中防止零件翘曲变形，零件成型以后，支撑是需要去除的，因此支撑再烧结温度要小于零件的烧结温度。也就是激光束在扫描经过支撑的时候，激光器的功率要降低，扫描密度要降低，扫描线宽要增大。这样，支撑的烧结强度就低，成型以后很容易去除。如图2所示，成型零件是一个吸尘器的封盖，当封盖模型经过缩放处理后就可以添加支撑了，涂颜色的部分即是添加的支撑。添加支撑的原则是对那些悬掉点、下棱线、倾斜角度过大的表面三种结构需要加支撑。因此在放置模型时就应该考虑到支撑的放置问题。一般对表面质量要求较高的面最好放置为顶面，特别是对于细小凸起，更要放置在顶面；同时，如果凸起的尺寸太小，需要对凸起高度进行一定比例的放大。对于细长的悬臂类结构件最好横放，竖放难以保证悬臂的直线度。为了提高扫描的效率，一般应考虑将尺寸较大的边横放，减少扫描的层数，缩短加工时间。 激光快速成型的特点与工艺广州盛域 https://www.doczj.com/doc/b3568696.html, 2012年5月 快 速 成 型 与 自 动 化 技 术 Rapid prototyping ＆ automation technology 快速成型技术是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。以常用的激光快速成型来进行简单总结其工艺过程中的一些要点。第 1 页
第3章激光快速成型机软件的操作 3.1概述 快速成型制作流程如图3-1所示，在利用快速成型机制做原型以前，必须先将用户所需的零件设计出CAD 模型，再将CAD 模型转换成快速成型机能够使用的数据格式，最终通过控制软件控制设备的加工运行。设计可以利用现在广泛应用在设计领域的三维CAD 设计软件，如Pro/E 、UG 、CATIA 、SolidWorks 、SolidEdge 、Inventor 、CAXA 、AutoCAD 等生成，在此不再叙述。如果已有设计好的油泥模型或有零件需要仿制，可以通过反求工程扫描完成CAD 模型（见反求章节）。 图3-1快速成型的制作流程图 快速成型机可直接根据用户提供的STL 文件进行制造。用户可使用能输出STL 文件的CAD 设计系统（如Pro/E 、UG 、CATIA 、SolidWorks 、Ideas 等）进行CAD 三维实体造型，其输出的STL 面片文件可作为快速成型机软件的输入文件。从上面流程图可见，数据处理软件接受STL 文件后，进行零件制作大小、方向的确定，对STL 文件分层、支撑设计、生成SPS 系列激光快速成型机的加工数据文件，激光快速成型机控制软件根据此文件进行加工制作。本章主要讲从以有三维CAD 开始介绍如何将其转换为快速成型机能够使用的数据格式并详细的说明激光快速成型机的控制软件的造作。介绍RPdata10.0数据处理软件、由数据处理软件实现用户设计目标 CAD 三维实体造 导出STL 格式数据 加载STL 格式数据 确定造型方向或制作布局 自动生成支撑 自动分层处理 SLC/HDI 格式数据输出 选择成型机型号 对应成型机数据加载、制作 RP 原型
激光振镜工作原理 激光打标设备的核心是激光打标控制系统和激光打标头，因此，激光打标的发展历程就是打标控制系统和激光打标头的发展过程。从1995年起，在激光打标领域就经历了大 幅面时代、转镜时代和振镜时代，控制方式也完成了从软件直接控制到上下位机控制到实时处理、分时复用的一系列演变，如今，半导体激光器、光纤激光器、乃至紫外激光的出现和发展又对光学过程控制提出了新的挑战,振镜式激光打标头(振镜式扫描系统)是最新产品。1998年，振镜式扫描系统在中国的大规模应用开始到来。所谓振镜，又可以称之为电流表计，它的设计思路完全沿袭电流表的设计方法，镜片取代了表针，而探头的信号由计算机控制的-5V—5V或-10V－+10V的直流信号取代，以完成预定的动作。同转镜式扫描 系统相同，这种典型的控制系统采用了一对折返镜，不同的是，驱动这套镜片的步进电机被伺服电机所取代，在这套控制系统中，位置传感器的使用和负反馈回路的设计思路进一步保证了系统的精度，整个系统的扫描速度和重复定位精度达到一个新的水平。 振镜扫描式打标头主要由XY扫描镜、场镜、振镜及计算机控制的打标软件等构成。根据激光波长的不同选用相应的光学元器件。相关的选件还包括激光扩束镜、激光器等。其工作原理是将激光束入射到两反射镜（扫描镜）上，用计算机控制反射镜的反射角度，这两个反射镜可分别沿X、Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，使具有一定功率密度的激 光聚焦点在打标材料上按所需的要求运动，从而在材料表面上留下永久的标记，聚焦的光斑可以是圆形或矩形，其原理如右图所示。在振镜扫描系统中，可以采用矢量图形及文字，这种方法采用了计算机中图形软件对图形的处理方式，具有作图效率高，图形精度好，无失真等特点，极大的提高了激光打标的质量和速度。同时振镜式打标也可采用点阵式打标方式，采用这种方式对于在线打标很适用，根据不同速度的生产线可以采用一个扫描振镜或两个扫描振镜，与前面所述的阵列式打标相比，可以标记更多的点阵信息，对于标记汉字字符具有更大的优势。
激光快速成型技术综述 1、激光快速成型的基本原理 激光快速成型技术的原理是用CAD生成的三维实体模型，通过分层软 件分层、每个薄层断面的二维数据用于驱动控制激光光束，扫射液体、粉 末或薄片材料，加工出要求形状的薄层，逐层积累形成实体模型。 传统的工业成形技术中大部分遵循材料去除法这一方法的，如车削、铣削、钻削、磨削、刨削；另外一些是采用模具进行成形，如铸造、冲压。而激光快 速成形却是采用一种全新的成形原理——分层加工、迭加成形。而激光快速成型技术快速制造出的模型或样件可以直接用于新产品设计验证、功能验证、工程分析、市场订货一级企业的决策等，缩短新产品开发周期，降低研发 成本，提高企业竞争力。 激光快速成型又分为以下几类： (1) 光固化立体造型(SL—Stereolithography,orSLA) 将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态光敏树脂逐点扫描,被扫描的树脂薄层产生光聚合反应固化形成零件的一个截面, 再敷上一层新的液态树脂进行扫描加工,如此重复直到整个原型制造完毕[3]。这种方法的特点是精度高、表面质量好,能制造形状复杂、特别精细的零件,不足是设备和材料昂贵,制造过程中需要设计支撑。 (2) 分层实体制造(LOM—Laminated Object Manufacturing) LOM工艺是根据零件分层得到的轮廓信息用激光切割薄材,将所获得的层片通过热压装置和下面已切割层粘合,然后新的一层纸再叠加在上面,依次粘结成三维实体。LOM主要特点是设备和材料价格较低,制件强度较好、精度较高。Helisys公司研制出多种LOM工艺用的成型材料,可制造用金属薄板制作的成型件,该公司还开发基于陶瓷复合材料的LOM工艺。 (3) 选择性激光烧结(SLS —Se1ected Laser Sintering) SLS是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。SLS 最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能形成原子间粘结的粉末材料均可作为其成型材料[4]。目前，可成功进行SLS 成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于SLS 成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS 无需设计和制造复杂的支撑系统，所以其应用越来越广泛。但是SLS 采用的是一种金属材料与另一种低熔点材料(可以是低熔点金属或有机粘接材料)的混合物，在加工过程中，低熔点材料熔化或部分熔化，但熔点较高的金属材料并不熔化，而是被熔化或部分熔化的低熔点材料包覆粘结在一起，形成的三维实体为类似粉末冶金烧结的坯件，实体存在一定比例孔隙，不能达到100%密度，力学性能也较差，常常还需要经过高温重熔或渗金属填补孔隙等后处理才能使用。 (4) 激光熔覆成形(LCF - Laser Cladding Forming) [5] LCF是指以不同的方式在基底合金表面上预置或同步送给所选择的熔覆材料，然后经激光照射使之与基底表层同时熔化，并快速凝固成稀释度低、与基底材料呈冶金结合的表面层，从而显著改变基底材料表层的耐磨、耐蚀、耐热及电气等特性的工艺方法。LCF是以激光为热源在基材的表面熔覆一层材料，形成与基体
金属粉末激光快速成形技术 罗建兵 2011031214
金属粉末激光快速成形技术介绍 金属粉末的激光快速成型技术是集计算机辅助设计、激光熔覆、快速成型于一体的先进制造技术, 是传统加工成形方法的重要补充。本篇文章主要介绍了金属粉末激光快速成形的原理、装置组成及最新研究进展, 并对其发展前景进行了展望。 快速成型技术(RP, Rapid Prototyping ) 是从1987 年开始发展起来的一种先进制造技术。该技术最初用来制造铸造用模型, 后来发展到制造原型零件,主要用于模型或零件的直观检验, 其关键是要求形状准确, 而对其力学性能没有太高的要求, 所采用的成型材料主要有液体光敏树脂、蜡、纸等替代材料。目前, 美国、日本、德国已相继开发出多种快速成型技术, 如液体光敏树脂固化、熔融沉积成型、实体叠层制造、分层固化、选择性激光烧结、3D 喷射印刷等技术。该技术在无需任何硬质工模具的情况下, 可直接从计算机三维设计制造出实体零件, 在机械制造等众多领域已得到广泛应用。近年来, 快速成型技术有了新的发展, 已开始在金属材料、陶瓷材料的制备上得到应用, 其主要目标是快速制造出满足使用性能的致密的金属零件。传统的快速成型方法成型金属零件时, 多采用树脂包覆的金属粉末作为原材料, 通过激光扫描使树脂熔化将金属粉末固结在一起; 也可采用喷射粘结剂的方法将松散的金属粉末粘结成型。在成型后要经过脱粘、浸渗塑料、低熔点金属或铜来加强, 可制成镶块用在塑料注射模和压铸模中。如脱粘后经热等静压处理也可制成致密金属零件, 但难以保证零件的尺寸精度。目前, 金属零件的快速成型方法主要有间接激光烧结、直接激光烧结和液滴喷射沉积, 其中直接激光烧结技术是目前快速制备致密金属零件的主要技术。 1 基本原理 金属粉末快速成形技术的基本原理，是先由CAD软件产生零件实体模型，然后由分层软件对CAD 实体模型按照一定的厚度进行分层切片处理，获取各截面的几何信息，然后根据切片轮廓设计出扫描轨迹，并将其转化成NC 工作台的运动指令。成形时具有一定功率密度的激光束照射到基材表面形成熔池，同时金属粉末由送粉器送出，经送粉管路输送到同轴送粉头并进入熔池形成熔覆层，根据CAD 给定的各层截面的路径规划，在NC 的控制下使送粉头相对于工作台运动，将金属材料逐层扫描堆积，最后制造出金属实体零件。为防止某些金属在成形的过程中氧化，以上过程可在一个气氛可控的保护箱中进行，或采用其它手段来进行保护，使激光成形过程中的金属不被氧化。金属粉末激光快速成形原理如图示。
RP技术简介 快速原型制造技术，又叫快速成形技术，（简称RP技术）； 英文：RAPID PROTOTYPING（简称RP技术），或 RAPID PROTOTYPING MANUFACTUREING，简称RPM。 快速成型（RP）技术是九十年代发展起来的一项先进制造技术，是为制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术, 对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用。自该技术问世以来，已经在发达国家的制造业中得到了广泛应用，并由此产生一个新兴的技术领域。 RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是"分层制造，逐层叠加"，类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台"立体打印机"。 RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。RP技术的基本原理是：将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具。 快速成型机的工艺 立体光刻成型sla 层合实体制造lom 熔融沉积快速成型fdm 激光选区烧结法SLS 多相喷射固化mjs 多孔喷射成型mjm 直接壳法产品铸造dspc 激光工程净成型lens 选域黏着及热压成型SAHP 层铣工艺lmp 分层实体制造som 自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成形机以来，已经有十几种不同的成形系统，其中比较成熟的有SLA、SLS、LOM和FDM等方法。其成形原理分别介绍如下： （1）SLA（光固化成型法）快速成形系统的成形原理： 成形材料：液态光敏树脂； 制件性能：相当于工程塑料或蜡模；
特种加工技术发展现状与未来憧憬 特种加工的发展趋势 1.按照系统工程的观点，加大对待特种加工的基本原理、加工机理、工艺规律、加工稳定性等深入研究的力度。同时，充分融合以现代电子技术、计算机技术、信息技术和精密制造技术为基础的高新技术，使加工设备向自动化、柔性化方向发展。(传统+现代技术) 2.从实际出发，大力开发特种加工领域中的新方法，包括微细加工和复合加工，尤其是质量高、效率高、经济型的复合加工，并与适宜的制造模式相匹配，以充分发挥其特点。(复合加工的利用) 3.污染问题是影响和限制有些特种加工应用、发展的严重障碍，必须化大力气利用废气、费液、废渣，向“绿色”加工的方向发展。(环保) 可以预见，随着科学技术和现代工业的发展，特种加工必将不断完善和迅速发展，反过来又必将推动科学技术和现代工业的发展，并发挥愈来愈重要的作用。 特种加工技术发展现状与展望 特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法。本文所述的特种加工技术主要是指激光加工技术、电子束加工技术、离子束及等离子加工技术和电加工技术等。 随着新型武器装备的发展，国内外对特种加工技术的需求日益迫切。不论飞机、导弹，还是其它作战平台都要求降低结构重量，提高飞行速度，增大航程，降低燃油消耗，达到战技性能高、结构寿命长、经济可承受性好。 上述武器系统和作战平台都要求采用整体结构、轻量化结构、先进冷却结构等新型结构，以及钛合金、复合材料、粉末材料、金属间化合物等新材料。 为此，需要采用特种加工技术，以解决武器装备制造中用常规加工方法无法实现的加工难题，所以特种加工技术的主要应用领域是： 1).难加工材料，如钛合金、耐热不锈钢、高强钢、复合材料、工程陶瓷、金刚石、红宝石、硬化玻璃等高硬度、高韧性、高强度、高熔点材料。 2).难加工零件，如复杂零件三维型腔、型孔、群孔和窄缝等的加工。 3).低刚度零件，如薄壁零件、弹性元件等零件的加工。 4).以高能量密度束流实现焊接、切割、制孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工。 1、激光加工技术 国外激光加工设备和工艺发展迅速，现已拥有100kW的大功率CO2激光器、kW级高光束质量的