激光选区熔化成形Ti6Al4V表面粗糙度控制及工艺优化

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表面质量是衡量零件质量的重要指标之一,粗糙的表面不仅影响零件配合性质和疲劳性能,而且会降低零件耐磨性和抗腐蚀性。针对激光选区熔化成型Ti6Al4V表面质量较差,无法满足工业应用需求的痛点。本文从理论分析、工艺优化和后处理工艺等方面对激光选区熔化成型Ti6Al4V表面粗糙度进行研究和应用探索。研究主要内容如下所示:(1)研究单熔道成型工艺、形貌、宽度和粘粉情况,发现单熔道形貌主要分为四类:均匀连续型、连续不均匀型、凸起断续型和球状串珠型。当激光功率一定时,单熔道的宽度随扫描速度的提高而减小;当扫描速度一定时,单熔道的宽度随激光功率的提高而增大。构建上表面、倾斜侧面和垂直侧面的粗糙度理论模型和关系式。从理论上分析发现,上表面粗糙度的影响因素主要是激光功率、扫描速度、扫描间距和铺粉层厚,倾斜侧面粗糙度由倾斜角度和切片厚度决定,扫描线角度会影响垂直侧面的粗糙度,轮廓扫描可以降低侧面的粗糙度。(2)分析激光功率、扫描速度和倾斜角度等因素对于零件不同表面(上表面、垂直侧面、上侧面和下侧面)形貌和粗糙度的影响。结果显示:低扫描速度时过低和过高的激光功率均会导致上表面质量的恶化。在较高扫描速度时提高激光功率可提高上表面质量。在低激光功率时不同扫描速度下垂直侧面粗糙度差异很小,高激光功率时表面粗糙度变化较大。当激光功率为160W时,上侧面粗糙度随扫描速度提高而增大,下侧面粗糙度随扫描速度提高而快速增大。当扫描速度为800 mm/s时,上侧面粗糙度随激光功率增加波动下降,下侧面粗糙度呈波动变化的趋势。随倾斜角度增大,上侧面粗糙度逐步降低,但下侧面粗糙度先快速下降,随后缓慢下降。(3)探索表面重熔和多层轮廓扫描提升表面质量的效果,发现表面重熔和扫描轮廓可显著降低表面粗糙度,但扫描层数对不同表面的改善作用不同。扫描层数越多,上侧面粗糙度越低。在扫描2层轮廓时垂直侧面粗糙度最低,下侧面则在扫描1层轮廓时粗糙度最低。(4)研究高速喷砂、电解抛光、化学抛光和磨粒流抛光对不同表面形貌和粗糙度的影响。结果显示:零件上表面、垂直侧面、上侧面和下侧面的粗糙度随喷砂压力提高呈现下降趋势。随着喷砂时间增加,上表面形貌和粗糙度均无明显变化,垂直侧面粗糙度先下降后有所回升,上侧面粗糙度先均匀下降后趋于平缓,下侧面粗糙度先降低后增大。在3 MPa喷砂压力下喷砂10 s是较优的工艺参数。随着电解时间的增加,不同表面的粗糙度均呈现为先减小后增大的趋势,最佳电解时间为10 min。在1:4的稀释比溶液下,各表面粗糙度随抛光时间增加呈先下降后增大的趋势,抛光20~30 min效果最佳。磨粒流抛光能有效地消除内流道中凹凸不平、台阶凸起、团簇粉末和塌陷挂渣,表面粗糙度随抛光时间增加而快速降低。(5)对汽车密封胶涂覆流管和血管支架展开表面质量提升研究,发现采用机械打磨+电解抛光后处理方式的涂覆流管表面更平整且光滑,电火花打孔后再电解抛光的出胶口形状更加规则平整。化学抛光可有效提高血管支架的表面质量和尺寸精度。
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