激光近净成形、等离子熔覆技术在成形过程上与选区成形技术最大的区别在于其采用同步送粉添加方式,产品的尺寸在制造上不受粉末铺床尺寸的限制,很大程度上解放了生产制造柔性,使该项技术在大型航空构件上的应用成为可能,扩大了粉末基金属添加制造技术的应用范围。
潘琰峰[12]等采用激光对 316 不锈钢粉末进行烧结,研究了工艺参数对成形过程中的球化现象的影响,结果表明适当减少线能量输入可降低 316 不锈钢粉末在激光烧结过程中的球化效应,如图 1 所示,其中 b)所用的激光功率大于 a),图像显示随功率的增大颗粒数目明显减少,球化尺寸显著增大;
图1不同激光功率下的球化颗粒 SEM 图像
Nikolay K等对 Ni 基合金粉末进行激光烧结,重点研究了功率密度、光斑直径、照射时间及粉末层厚度对片层轮廓成形的影响,指出工艺过程中球化现象的产生机理是粉末颗粒之间的间隙形成的“黑体”吸收效应与颗粒能量接受之间产生偏差,使得激光照射在成形过程中对粉末层的不均匀加热[13]。
陈静等以 45 钢、1Cr18Ni9Ti 为基板进行 Ni 基合金粉末和 316 不锈钢粉末的激光多层熔覆试验[14],研究了熔覆层中出现的裂纹问题,研究结果表明 Ni 基粉末熔覆层中出现的为冷裂纹,而 316 不锈钢中的出现的裂纹为热裂纹,指出 Ni 基层中产生裂纹主要与硼化物和硅化物在基体中的弥散分布,明显减小基体的延展性所致;而 316 不锈钢中裂纹的产生主要与奥氏体热物理性能及熔覆冶金过程中低熔点共晶液膜的形成有关。
Liang Ma等采用数值模拟的手段对激光选区烧结平板扫描路径进行规划模拟,以期得到较为均匀的温度场,从而减小烧结件中的残余应力,控制烧结过程中产生的裂纹及变形[15]。
王迪 等采用激光选区熔化方法对 316L 不锈钢粉末进行成型试验研究,分析了工艺参数对熔池宽度的影响及连续扫描状态下,扫描路径间的搭接缺陷,提出层间错开扫描方式以提高成型件的致密度,研究结果表明采用层间错开扫描,成型件的致密度提高至近 100%;如图 2 其所得到的花瓶状成型件[16]。
图 2 316 不锈钢激光选区烧结成成型件 图 3 等离子熔覆成型件
邹海平 等基于等离子熔覆方法进行了等离子弧金属添加制造系统的研制,并进行了 GH163 高温合金粉末材料的等离子熔覆成型,如图 3 为其采用自行研制的添加制造系统熔覆的花瓶状部件[17]。
综上所述,粉末基添加制造技术采用的热源主要是激光或者电子束,这项技术的产品在国外的一些领域已经得到应用,但是并没有推广,主要是技术中存在的诸如球化、烧结或熔化裂纹及变形、致密低等几个工艺技术难题亟待解决,而丝材添加制造技术中不存在粉末球化和致密度等问题,因此研究工作者开始将研究的目光转向丝材基金属添加制造技术。
1。2。2 丝材基金属增材制造技术
丝材基金属添加制造技术是指金属材料以丝材的形式添加,并经热源作用形成紧密的冶金结合。热源形式有激光和电弧,即激光填丝金属添加制造和电弧填丝添加制造,但是激光填丝添加制造工艺在成型件的强度、塑形和金属沉积效率上均略低于电弧填丝金属添加制造工艺[18],因此丝材基的金属添加制造技术研究主要集中于电弧添加制造技术(Wire Addictive Arc Manufactruing,WAAM)。按电弧的种类可将电弧添加制造分为钨极氩弧添加制造技术、熔化极电弧添加制造技术、等离子弧添加制造技术等。研究方向集中在工艺参数对叠层成形及几何尺寸的控制、微观组织及力学性能、特定几何形状构件的添加制造研究。