由于增材制造技術制備的零件具有較大殘余應力，因此大型零件的增材制造仍然存在困難。北京理工大學、裝甲兵工程學院裝備再制造國家重點實驗室、新加坡國立大學等科研院所的研究人員提出了一種工藝、結構和性能相結合的方法來控制零件成形質量，并以高鐵制動盤作為驗證實例，采用多激光-選區激光熔化（ML-SLM）制備了大尺寸產品。探究了工藝參數優化、力學性能分布、結構設計等，相關研究成果發表于材料科學頂刊《Materials & Design》。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111209
選區激光熔化 (SLM) 是一種使用高功率激光熔化金屬粉末以逐層疊加形成三維零件的一種技術，已經表明SLM能夠生產孔隙率小于0.1%的完全致密部件。因此，它非常適合生產具有優良機械性能的零件。此外，SLM的使用極大地擴展了產品設計的可能性領域，因為它能夠產生復雜幾何形狀零件。然而由于零件尺寸限制、可加工材料類別少和成型質量差等增材制造 (AM) 技術的限制，上述優勢仍未得到充分利用。通常，單激光系統的成型室尺寸小于300mm×300mm，無法生產交通和航空航天行業需求量大的大尺寸復雜零件。
近年來，多激光器選區激光熔化技術發展迅速，它利用兩個或多個激光器同時擴大成形尺寸，提高生產率。24CrNiMo是一種高強低合金鋼，在高溫下具有優異的摩擦學性能、力學性能和結構穩定性，已廣泛用于生產時速250km/h以上的高速鐵路制動盤。現有的24CrNiMo不適合AM工藝，因此調整化學成分可以提高成形質量。目前，作者團隊已經針對SLM技術對24CrNiMo的材料設計和形成機制進行了廣泛的研究。然而，目前這種材料的應用尚未得到驗證和研究。因此，這項研究著重于大型合金鋼零件的質量控制以獲得高性能產品。主要探討了工藝參數與孔隙特性之間的關系，以獲得兼顧成形質量和生產率的最佳組合。并對不同區域、不同狀態下的力學性能進行測試，考察成形質量和性能的一致性。最后，使用多激光金屬3D打印技術制造了新的制動盤并進行了首次測試。
使用多激光金屬3D打印技術制造了新的制動盤并進行了首次測試
這項研究中使用的24CrNiMo合金鋼粉末通過真空感應氣體霧化方法制備。24CrNiMo粉末的粒徑范圍為18.7-144μm，平均直徑約為53μm。所有樣品和零件均采用E-Plus M650 SLM增材制造機器，由中國E-Plus科技有限公司生產，該機器配備了四個500W光纖激光器，光束直徑約為100μm，成型室尺寸達到655mm×655mm×800mm。在打印過程中，將底板加熱至60°C，使用高純氮氣作為保護氣體，確保氧含量保持在0.1%以下。
(a) 部分自支撐測試結構(b) SLM-disc 結構(c)中空結構剖視圖(d) 內部流道結構透視圖和關鍵測試尺寸
?(a) 制動盤的生產過程(b) 金屬3D打印的半成品盤(c)磁粉檢測結果 (d) X 射線CT檢查子區域?
大多數樣品孔隙率低于0.1%，并隨能量密度的增加而降低。足夠的能量可以更充分的熔化金屬粉末，從而減少孔隙和夾雜物等缺陷的形成。當能量密度達到一定值時，孔隙率幾乎保持不變甚至增加。
將基板上的試樣分成不同的成形區域，對應于系統中運行的四個激光器，每個區域的邊界處有一個重疊區域。與單一激光系統的不間斷掃描方案不同，重疊區域的結構分兩步成形，先成形一半，然后使用相鄰激光一段時間后成形另一半。探索成形質量的一致性，測試不同區域制造的試樣的力學性能。結果發現，不同區域樣品的標準差從統計學的角度反映了性能的一致性。伸長率一般與強度成反比，但拉伸試驗結果顯示出與傳統方法不同的趨勢，傳統方法有望實現高強度和高韌性。優異的拉伸性能不僅可以提高成型質量，還可以提高產品性能。
圖6 ML-SLM 沿掃描方向在不同區域制作的試樣的代表性工程應力-應變曲線。
研究人員同時將單激光和重疊區域制備的樣品在熱處理狀態下的沖擊能量與鑄造制作的樣品進行了比較（29J），單激光區域的平均沖擊能量為101J，重疊區域為113J，均優于鑄造樣品。沖擊斷口存在大量較小的韌窩，為典型的韌性斷裂特征。與傳統技術相比，SLM制造的24CrNiMo試樣具有更高的強度和韌性，可以生產承受更大變形的零件。合適的熱處理工藝可以釋放殘余應力，提高性能一致性，但會在一定程度上降低強度。SLM技術提供了克服強度-韌性權衡的潛在途徑，它可能會解決制動盤的斷裂問題。
最后，作者團隊采用SLM技術制備的剎車盤進行機械加工，使用壓縮空氣清潔中空結構中未熔化的金屬粉末，以防止熱處理過程中出現燒結現象，并在熱處理后使用線切割機將零件從基板上取下，使用機床而不是手動方法去除薄壁支撐結構。與傳統制造方法相比，采用SLM技術制備的制動盤大大縮短了加工步驟，利用該技術有利于探索新產品的開發。
使用SLM制造的制動盤的生產流程
使用SLM制造的制動盤進行測試
總之，這項研究有望為大型合金鋼零件的質量控制提供參考，同時也展示了增材制造技術對功能性產品的潛在好處。主要結論總結如下：工藝參數與孔隙之間存在密切關系，這也會影響成形效率，特別是對于大型零件。孔隙率隨著熱輸入的增加而降低，然而，過多的熱輸入會導致孔隙率和孔徑的增加。合適的激光功率和高掃描速度更適合大尺寸零件，提高成型質量。SLM技術可以改善強度-韌性關系。SLM技術可以擴大成形尺寸，提高生產率，不同區域的力學性能和成形質量具有良好的一致性。合適的熱處理可以釋放殘余應力，保證性能變化小，甚至可以減小單激光器區域和重疊區域之間的性能差異。制備的剎車盤臺架測試表明，在SLM制備的剎車盤在連續制動過程中具有更集中的摩擦系數和更均勻的溫度分布，這顯示了增材制造技術在功能性產品上的潛在優勢。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
