AlSi10Mg合金选区激光熔化成形及其表面磁力光整加工工艺研究

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选区激光熔化(SLM)技术是一种极具潜力和发展前景的金属及其合金3D打印技术,可以实现自由设计和快速制造复杂零部件,在当今制造领域中占据越来越重要的地位。但是利用SLM技术的成形件结构性能与锻造件相比还存在一定差距。同时,由于分层制造存在台阶效应,致使其成形件表面质量较差,难以达到使用要求。因此,为进一步改进SLM成形工艺,提高成形件结构性能,降低其表面粗糙度。本文采用AlSi10Mg合金粉末,通过理论分析、试验研究、数值建模,在激光熔化成形设备(SLM?125HL)上进行多组AlSi10Mg合金粉末的选区激光熔化成形试验,对成形件的密度、孔隙率和硬度进行分析和工艺优化;采用雾化快凝球形复合磁性磨料对SLM成形的AlSi10Mg工件表面进行磁力光整加工试验研究。主要研究内容如下:1. SLM试验材料及成形过程研究。通过扫描电子显微镜(SEM)和能量色散光谱仪(EDS)分别分析AlSi10Mg试验粉末的形貌和化学成分,探讨其对SLM成形件性能的影响。试验粉末粒径范围20-63μm,球形度较高,卫星颗粒少,纯净度好,这有助于SLM的成形。分析SLM的成形过程,激光顺时针扫描成形件外轮廓和边界,边界内部采用67°旋转激光扫描策略逐层制造,成形件的上表层进行激光重熔后,整个SLM成形过程结束。2. SLM制备AlSi10Mg合金参数优化试验研究。通过SLM方法制备27组AlSi10Mg合金的试验,分析SLM AlSi10Mg工件密度和维氏硬度的最优激光能量密度范围和工艺参数组合。揭示不同激光能量密度下孔隙的形成原因。研究单个熔池垂直与水平方向的显微硬度值,分析微观结构对其的影响。SLM AlSi10Mg合金密度的最优激光能量密度为52.1J/mm3,维氏硬度的最优激光能量密度为56.7J/mm3;较低的激光能量密度下,成形件会产生不规则孔隙,较高激光能量密度下,成形件会产生球形孔隙;熔池内部硬度均明显高于熔池边界硬度。3. 球形复合磁性磨料磁力光整加工SLM工件基础研究。将数控铣床改装为磁力光整加工试验平台,用以进行磁力光整加工SLM AlSi10Mg工件试验。通过分析雾化快凝球形复合磁性磨料的制备工艺以及其研磨加工特征,探讨其研磨性能好的原因。其球形复合磁性磨料微切削刃等高、球形度高、切削性能更强。分析单颗磁性磨粒在外加磁场下的受力情况,进而分析磁性磨粒的飞溅现象,通过多组公式推导出可以提高磁力光整加工效果的参数。4. 磁力光整加工SLM AlSi10Mg合金工艺研究。针对SLM工件的表面质量较差问题,采用磨削加工和磁力光整加工的组合方法对SLM AlSi10Mg合金工件进行研抛。对样品轮廓截面腐蚀抛光,分析SLM工件的轮廓成形原理。使用3种不同类型的球形复合磁性磨料对磨削后的样品再进行磁力光整加工,分析磁力光整加工对SLM样品表面形貌、粗糙度和硬度的影响规律。探讨球形复合磁性磨料对SLM制备AlSi10Mg工件的材料去除机理。磨削加工的样品表面粗糙度达到0.6μm左右,随后再进行磁力光整加工。采用Si C(W7)磁性磨料加工的表面得到最低表面粗糙度,而采用Al2O3(W7)磁性磨料加工的表面粗糙度下降最快。这取决于磨料表面粘附的陶瓷相颗粒数量以及陶瓷相颗粒与铁磁相的粘合程度。磁力光整加工可以释放材料内能,降低磨削后表面的硬度。本研究为选区激光熔化(SLM)金属及其合金工艺的广泛应用提供试验数据和技术支持。
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