定向能沉积金属零件的激光抛光:综述

科技   2024-10-31 17:49   江苏  

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长三角G60激光联盟导读

沈阳航空航天大学和沈阳飞机设计研究所的科研人员综述了激光抛光定向能沉积的金属零件的研究。相关论文以“Laser Polishing of Directed Energy Deposition Metal Parts: A Review”为题发表在《Additive Manufacturing Frontiers》上。


增材制造(AM)是制造高度复杂金属零件的可靠技术。定向能沉积(DEDAM打印金属合金最常用的技术之一。然而,结合力弱、精度差和表面粗糙等问题仍然会影响最终产品。金属进给DED工艺的这些局限性表明,需要采用后处理技术来实现高质量的机械性能和表面光洁度。传统的接触式后处理方法有几个缺点,包括难以处理复杂形状、对环境有影响、耗时长、成本高,以及对操作人员的健康有风险。为了解决这些问题并提高表面质量,有人提出了激光抛光工艺。通过用激光熔化或烧蚀材料,激光抛光工艺可以使初始形貌变得平滑。值得注意的是,目前还没有专门针对激光抛光作为DED工艺表面处理技术的综述。因此,本综述对连续波(CW)和脉冲激光抛光的机制和主要用户设置参数进行了独特的研究。目的是展示每种工艺的能力,以及将其用于DED金属零件表面处理的好处。此外,还确定了现有的知识和技术差距,并讨论了未来的研究方向。

关键词:增材制造;表面抛光;定向能沉积;连续波激光抛光;脉冲激光抛光

1.(a)LDED(b)LPBF工艺示意图。


2.影响DED零件表面质量的不利因素。


3.(a)SOM(b)SSM(c)LSA机制中形成的表面周期性结构。


4.0.5毫米衬底沉积物在不同能量密度的CW激光抛光下的单轨沉积物表面图片(abcd)、表面粗糙度测量结果(e)和总孔隙数密度(Nv)(f)。


5.不同能量密度激光重熔前后涂层的宏观金相图和顶部微观结构图(a)。不同能量密度激光重熔前后原位生成颗粒的体积分数(b)、衬底的稀释率(c)和显微硬度。


6.激光熔覆镍基合金(a)和激光重熔(b)样品表面和横截面的微观结构;(c)样品的横截面显微硬度。


7.(a)IBPF样品、(c)LR样品的微观结构特征、(b)IBPF样品、(d)LR样品的相分布;(e) 横向和(f)纵向的工程应力-应变曲线的力学性能、(g)横向和(h)纵向的应变硬化率。


8.残余应力形成模型:(a)加热阶段,(b)冷却阶段;(c)不同方向(0°和90°)各试样表面附近的残余应力。


9.一个脉冲周期内TpulseTcycle的关系(a)以及LDED组件脉冲激光抛光示意图:(b)轨迹重叠;(c)光斑重叠。


10.入射角为0°和10°时激光光斑的二维和三维能量分布(a),以及激光入射角分别为(b0°、(c40°和(d70°时LDED初始表面的激光能量吸收和反射示意图。

本综述重点介绍了在DED工艺中对金属材料进行激光抛光的主要进展。一项综合研究考察了几个主要机制和要素,包括激光功率、扫描速度、舱口距离和激光入射角。研究发现,激光强度是影响最大的能源。在DED过程中使用激光抛光后,表面纹理得到明显改善,这表明激光抛光在提高最终产品质量方面发挥着重要作用。由于高热量输入和冷却速度,CW激光抛光的主要挑战是表面改性。在脉冲激光抛光中,主要问题是无法独立消除DED表面的波纹。然而,本研究的结果凸显了将激光抛光与DED结合使用的潜在优势。这种组合不仅能提高生产率,还有助于开发金属和金属基复合材料。因此,它在制造和生产方面大有可为。



论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200174

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