基于選區(qū)激光熔化的TiNi合金快速成型工藝與性能優(yōu)化研究一、緒論1.1研究背景與意義在全球制造業(yè)競爭日益激烈的當(dāng)下，產(chǎn)品開發(fā)周期已成為企業(yè)在市場中立足的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的制造方式在面對復(fù)雜零部件的生產(chǎn)時，不僅耗時費(fèi)力，而且成本高昂，難以滿足現(xiàn)代制造業(yè)對高效、精準(zhǔn)和個性化的需求。快速成型技術(shù)（RapidPrototyping,RP）應(yīng)運(yùn)而生，它作為一種基于離散/堆積原理的先進(jìn)制造技術(shù)，能夠自動、直接、快速且精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化為具有一定功能的原型或直接制造零件，極大地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本，為制造業(yè)的發(fā)展帶來了新的契機(jī)。自20世紀(jì)80年代后期誕生以來，快速成型技術(shù)憑借其獨特的優(yōu)勢，如制造周期短、生產(chǎn)柔性好、高度集成化以及可選材料廣泛等，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和迅猛的發(fā)展，被認(rèn)為是近20年來制造領(lǐng)域的重大成果之一。選區(qū)激光熔化（SelectiveLaserMelting，SLM）技術(shù)作為快速成型技術(shù)中的一種極具潛力的金屬增材制造技術(shù)，基于粉末床的逐層精細(xì)鋪粉和激光束的逐層熔凝堆積，實現(xiàn)金屬零部件的高精度、一體化成形。相較于傳統(tǒng)的粉末冶金、鑄造和鍛造技術(shù)，SLM技術(shù)對復(fù)雜構(gòu)件具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，設(shè)計、制造周期短，易于實現(xiàn)輕量化，因此在航空航天、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。在航空航天領(lǐng)域，該技術(shù)被用于制造高性能、高精度的金屬零件，如渦輪葉片、航空發(fā)動機(jī)零件等，這些零件在高溫、高壓和高耐腐蝕性能方面有著嚴(yán)苛的要求，而SLM技術(shù)能夠出色地滿足這些需求；在醫(yī)療領(lǐng)域，它被用來制造高精度、生物相容性好的金屬植入物，如人工關(guān)節(jié)、牙齒等，為患者帶來了更好的治療效果和生活質(zhì)量；在汽車領(lǐng)域，SLM技術(shù)制造的高強(qiáng)度、輕量化的金屬零件，如汽車發(fā)動機(jī)零件、變速器零件等，有助于提高汽車的動力性和燃油效率，同時降低排放，符合現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢。TiNi合金作為一種具有獨特形狀記憶效應(yīng)和超彈性的合金材料，在航空航天、汽車、醫(yī)療、能源等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。其形狀記憶效應(yīng)使其能夠在一定溫度條件下恢復(fù)到預(yù)先設(shè)定的形狀，超彈性則使其能夠承受較大的變形而不發(fā)生永久變形，這兩種特性使得TiNi合金在許多特殊環(huán)境和應(yīng)用場景中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。在航空航天領(lǐng)域，TiNi合金可用于制造飛行器的結(jié)構(gòu)件，利用其形狀記憶效應(yīng)和超彈性，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)調(diào)整和振動控制，提高飛行器的性能和可靠性；在醫(yī)療領(lǐng)域，TiNi合金被廣泛應(yīng)用于制造醫(yī)療器械，如血栓過濾器、脊柱矯形棒、牙齒矯形絲、腦動脈瘤夾等，其良好的生物相容性和獨特的力學(xué)性能，能夠滿足醫(yī)療器械對安全性和有效性的嚴(yán)格要求。將選區(qū)激光熔化技術(shù)應(yīng)用于TiNi合金的成型制造，具有重要的現(xiàn)實意義和廣闊的應(yīng)用前景。一方面，SLM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)TiNi合金零件的高精度、復(fù)雜形狀制造，滿足航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)α慵螤詈途鹊膰?yán)格要求，同時減少加工余量，提高材料利用率，降低生產(chǎn)成本；另一方面，通過研究TiNi合金選區(qū)激光熔化快速成型工藝，可以深入了解激光與材料的相互作用機(jī)制，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高成型質(zhì)量，為TiNi合金在更多領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支持。然而，目前TiNi合金選區(qū)激光熔化快速成型工藝仍面臨一些挑戰(zhàn)，如成型過程中的熱應(yīng)力、熱裂紋、氣孔等缺陷，以及成型件的性能穩(wěn)定性和一致性等問題，這些問題制約了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。因此，深入研究TiNi合金選區(qū)激光熔化快速成型工藝，探索有效的工藝控制方法和質(zhì)量優(yōu)化策略，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。1.2選區(qū)激光熔化技術(shù)概述1.2.1技術(shù)原理選區(qū)激光熔化技術(shù)基于離散/堆積的原理，將三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實際的物理實體。其工作過程高度依賴計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）和計算機(jī)輔助制造（CAM）技術(shù)。首先，利用CAD軟件創(chuàng)建出零件的三維模型，該模型包含了零件的精確幾何形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)信息，是后續(xù)制造過程的基礎(chǔ)。隨后，通過專用的切片軟件對三維模型進(jìn)行分層處理，將其離散為一系列具有一定厚度的二維切片，這些切片的厚度通常在幾十微米到幾百微米之間，具體數(shù)值取決于零件的精度要求和設(shè)備性能。每個切片都包含了該層的輪廓信息和內(nèi)部填充信息。完成模型切片后，SLM設(shè)備開始工作。設(shè)備內(nèi)部的鋪粉系統(tǒng)將金屬粉末均勻地鋪設(shè)在成型平臺上，形成一層薄薄的粉末層。此時，高能量密度的激光束在計算機(jī)的精確控制下，按照切片軟件生成的掃描路徑，對粉末層進(jìn)行選擇性掃描。當(dāng)激光束照射到金屬粉末上時，粉末迅速吸收激光的能量，溫度急劇升高并達(dá)到熔點，從而熔化形成液態(tài)金屬。隨著激光束的移動，液態(tài)金屬不斷填充掃描區(qū)域，與周圍已凝固的金屬或粉末相互熔合。在激光束離開后，液態(tài)金屬迅速冷卻凝固，形成與切片輪廓一致的固態(tài)金屬層。完成一層的掃描和凝固后，成型平臺下降一個切片厚度的距離，鋪粉系統(tǒng)再次鋪設(shè)新的粉末層，重復(fù)上述激光掃描和熔化凝固的過程。如此層層堆積，每一層都緊密地與前一層結(jié)合，最終形成一個完整的三維金屬零件。整個過程中，激光的功率、掃描速度、掃描策略以及粉末的特性等因素都會對成型質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。例如，激光功率過高可能導(dǎo)致粉末過度熔化，產(chǎn)生氣孔、飛濺等缺陷；掃描速度過快則可能使粉末熔化不充分，影響零件的致密度和強(qiáng)度。因此，在實際生產(chǎn)中，需要根據(jù)不同的材料和零件要求，精確調(diào)整工藝參數(shù)，以確保獲得高質(zhì)量的成型零件。1.2.2技術(shù)特點選區(qū)激光熔化技術(shù)具有諸多顯著特點，使其在現(xiàn)代制造業(yè)中占據(jù)重要地位。在成型精度方面，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的零件制造。激光束具有極高的能量密度和聚焦精度，能夠精確地熔化和凝固微小區(qū)域的金屬粉末，使得成型零件的尺寸精度和表面質(zhì)量都能達(dá)到較高水平。一般情況下，選區(qū)激光熔化成型零件的尺寸精度可以控制在±0.1mm以內(nèi)，表面粗糙度可達(dá)Ra10-Ra50μm，能夠滿足航空航天、醫(yī)療等對精度要求極高的領(lǐng)域的需求。在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的航空發(fā)動機(jī)葉片時，SLM技術(shù)可以精確地成型出葉片內(nèi)部復(fù)雜的冷卻通道和精細(xì)的氣膜孔結(jié)構(gòu)，確保葉片在高溫、高壓環(huán)境下的性能和可靠性。在材料利用率上，選區(qū)激光熔化技術(shù)采用逐層堆積的制造方式，根據(jù)零件的三維模型精確地在需要的位置添加材料，幾乎沒有材料的浪費(fèi)。與傳統(tǒng)的切削加工方法相比，傳統(tǒng)加工過程中需要去除大量的材料來獲得所需的零件形狀，材料利用率往往較低，而SLM技術(shù)的材料利用率可高達(dá)90%以上，這對于一些稀有、昂貴的金屬材料，如鈦合金、鎳基高溫合金等，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義，能夠顯著降低生產(chǎn)成本。該技術(shù)還具備強(qiáng)大的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造能力。傳統(tǒng)的制造方法在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件時，往往受到工藝和模具的限制，難以實現(xiàn)一些特殊形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的加工。而選區(qū)激光熔化技術(shù)突破了這些限制，它可以根據(jù)CAD模型直接制造出具有任意復(fù)雜形狀的零件，包括內(nèi)部含有復(fù)雜的中空結(jié)構(gòu)、晶格結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)等。通過SLM技術(shù)可以制造出具有輕量化設(shè)計的航空航天零件，這些零件在保證強(qiáng)度和性能的前提下，通過優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了重量的大幅降低，從而提高了飛行器的燃油效率和性能。在醫(yī)療領(lǐng)域，能夠制造出與人體骨骼結(jié)構(gòu)相匹配的個性化植入物，其復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)有利于人體組織的長入，提高植入物的生物相容性和穩(wěn)定性。1.3TiNi合金特性及應(yīng)用1.3.1TiNi合金的物理與化學(xué)性質(zhì)TiNi合金是一種具有獨特物理與化學(xué)性質(zhì)的金屬間化合物，其高熔點特性使其在高溫環(huán)境下仍能保持優(yōu)良的力學(xué)性能。一般情況下，TiNi合金的熔點約為1300°C，這一特性使得它在航空航天、能源等對材料耐高溫性能要求極高的領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。在航空發(fā)動機(jī)的高溫部件制造中，TiNi合金能夠承受高溫燃?xì)獾臎_刷和熱應(yīng)力的作用，保證部件的結(jié)構(gòu)完整性和性能穩(wěn)定性。良好的熱穩(wěn)定性是TiNi合金的又一顯著優(yōu)勢。在高溫環(huán)境下，TiNi合金不易發(fā)生氧化或腐蝕，能夠長時間保持其物理和化學(xué)性能的穩(wěn)定。這是因為TiNi合金表面會形成一層致密的氧化膜，這層氧化膜能夠有效地阻止氧氣和其他腐蝕性介質(zhì)與合金基體的接觸，從而保護(hù)合金不被進(jìn)一步氧化或腐蝕。這種熱穩(wěn)定性使得TiNi合金在高溫工業(yè)環(huán)境中，如石油化工、冶金等領(lǐng)域，被廣泛應(yīng)用于制造高溫耐腐蝕部件和結(jié)構(gòu)材料。低熱膨脹系數(shù)也是TiNi合金的重要特性之一。TiNi合金的熱膨脹系數(shù)較低，在溫度變化時，其尺寸變化較小。這一特性使得TiNi合金在精密儀器、光學(xué)設(shè)備等對尺寸穩(wěn)定性要求極高的領(lǐng)域具有獨特的應(yīng)用優(yōu)勢。在制造高精度的光學(xué)鏡片時，使用TiNi合金作為鏡片的支撐結(jié)構(gòu)，可以有效地減少因溫度變化而引起的鏡片變形，保證鏡片的光學(xué)性能和成像質(zhì)量。除了上述物理性質(zhì)外，TiNi合金還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。在大多數(shù)化學(xué)介質(zhì)中，TiNi合金都表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性，能夠抵抗酸、堿、鹽等化學(xué)物質(zhì)的侵蝕。在醫(yī)療領(lǐng)域，TiNi合金被廣泛應(yīng)用于制造醫(yī)療器械和植入物，其良好的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性，能夠確保醫(yī)療器械在人體環(huán)境中安全、可靠地使用，不會對人體組織和生理功能產(chǎn)生不良影響。1.3.2TiNi合金在各領(lǐng)域的應(yīng)用TiNi合金憑借其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)和優(yōu)異的力學(xué)性能，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用價值。在航空航天領(lǐng)域，由于其具備優(yōu)良的高溫性能和力學(xué)性能，成為制造飛行器關(guān)鍵部件的重要結(jié)構(gòu)材料。飛機(jī)發(fā)動機(jī)的葉片在工作時需要承受高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速的惡劣環(huán)境，TiNi合金的高熔點、良好熱穩(wěn)定性以及高強(qiáng)度和韌性，使其能夠滿足葉片的使用要求，保證發(fā)動機(jī)的高效運(yùn)行。此外，TiNi合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性還可用于制造飛行器的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，如機(jī)翼的變彎度裝置，能夠根據(jù)飛行條件的變化自動調(diào)整機(jī)翼的形狀，提高飛行器的空氣動力學(xué)性能和燃油效率。在汽車工業(yè)中，TiNi合金可用于制造發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)中的高溫耐磨部件。發(fā)動機(jī)的活塞、氣門等部件在工作時承受著高溫、高壓和高速摩擦的作用，TiNi合金的高強(qiáng)度、耐磨性能以及良好的抗疲勞性能，使其能夠提高這些部件的使用壽命和可靠性，進(jìn)而提升汽車的整體性能和耐久性。同時，利用TiNi合金的形狀記憶效應(yīng)制作的汽車智能連接部件，如管接頭，能夠在溫度變化時自動恢復(fù)到預(yù)定的形狀，實現(xiàn)緊密連接，提高汽車管路系統(tǒng)的密封性和可靠性。醫(yī)療領(lǐng)域是TiNi合金應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。其良好的生物相容性、形狀記憶效應(yīng)和超彈性，使其成為制造醫(yī)療器械和植入物的理想材料。血栓過濾器利用TiNi合金的形狀記憶效應(yīng)，在低溫下被壓縮成小尺寸，通過導(dǎo)管輸送到血管內(nèi)的血栓部位，然后在體溫作用下恢復(fù)到預(yù)定的形狀，從而有效地捕獲血栓，防止血栓脫落引發(fā)的嚴(yán)重后果。脊柱矯形棒則利用TiNi合金的超彈性，能夠在承受人體運(yùn)動產(chǎn)生的應(yīng)力時發(fā)生彈性變形，為脊柱提供持續(xù)、穩(wěn)定的矯正力，幫助患者恢復(fù)脊柱的正常形態(tài)和功能。此外，TiNi合金還廣泛應(yīng)用于牙齒矯形絲、腦動脈瘤夾、接骨板、髓內(nèi)針、人工關(guān)節(jié)、避孕器、心臟修補(bǔ)元件、人造腎臟用微型泵等醫(yī)療器械的制造，為醫(yī)療健康事業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。1.4國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，選區(qū)激光熔化技術(shù)的研究起步較早，發(fā)展較為成熟。德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（ILT）在該領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位，對SLM技術(shù)的基礎(chǔ)理論和工藝進(jìn)行了深入研究，開發(fā)了多種高性能的SLM設(shè)備，并成功應(yīng)用于航空航天、汽車等領(lǐng)域。研究了不同工藝參數(shù)對TiNi合金SLM成型件微觀組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化激光功率、掃描速度等參數(shù)，可以有效改善成型件的質(zhì)量和性能。美國的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、倫斯勒理工學(xué)院等高校也在SLM技術(shù)研究方面取得了一系列重要成果，他們在材料體系擴(kuò)展、工藝優(yōu)化、數(shù)值模擬等方面開展了大量的研究工作。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究團(tuán)隊利用SLM技術(shù)制備了多種高性能的金屬基復(fù)合材料，通過控制激光工藝參數(shù)和材料成分，實現(xiàn)了對復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的精確調(diào)控。在國內(nèi)，隨著對先進(jìn)制造技術(shù)的重視和投入不斷增加，選區(qū)激光熔化技術(shù)的研究也取得了顯著進(jìn)展。北京工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等高校在SLM技術(shù)研究方面具有較強(qiáng)的實力。北京工業(yè)大學(xué)的張冬云老師帶領(lǐng)的課題組在激光選區(qū)熔化領(lǐng)域開展了深入的研究，針對該技術(shù)制造復(fù)雜形狀零部件及其與數(shù)字化高度融合的特點，提出了基于SLM過程的數(shù)值模擬、“數(shù)字材料”的設(shè)計以及力學(xué)行為評價、3D打印材料的微觀組織和力學(xué)性能調(diào)控等研究方向，并取得了階段性進(jìn)展。華南理工大學(xué)的研究團(tuán)隊對TiNi合金選區(qū)激光熔化快速成型工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了激光功率、掃描速度、鋪粉厚度等工藝參數(shù)對成型件質(zhì)量和性能的影響，提出了優(yōu)化工藝參數(shù)的方法和措施。盡管國內(nèi)外在TiNi合金選區(qū)激光熔化快速成型工藝研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。一方面，對成型過程中的缺陷形成機(jī)制和控制方法研究還不夠深入，如熱應(yīng)力、熱裂紋、氣孔等缺陷的產(chǎn)生原因和有效抑制方法尚未完全明確，這制約了成型件質(zhì)量和性能的進(jìn)一步提高；另一方面，對成型件的性能穩(wěn)定性和一致性研究相對較少，如何保證不同批次、不同設(shè)備制備的TiNi合金成型件具有穩(wěn)定一致的性能，是當(dāng)前需要解決的重要問題。此外，目前的研究主要集中在工藝參數(shù)優(yōu)化和微觀組織分析方面，對成型件的宏觀力學(xué)性能和服役性能的研究還不夠充分，難以滿足實際工程應(yīng)用的需求。1.5研究內(nèi)容與方法1.5.1研究內(nèi)容本研究聚焦于TiNi合金選區(qū)激光熔化快速成型工藝，旨在深入探究該工藝的關(guān)鍵技術(shù)和影響因素，為提高成型質(zhì)量和性能提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。具體研究內(nèi)容如下：工藝參數(shù)對成型質(zhì)量的影響研究：系統(tǒng)地研究激光功率、掃描速度、鋪粉厚度、掃描間距等工藝參數(shù)對TiNi合金選區(qū)激光熔化成型質(zhì)量的影響規(guī)律。通過設(shè)計多組不同工藝參數(shù)的實驗，制備一系列成型試件，利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡等微觀分析手段，觀察成型試件的微觀組織形態(tài)，分析其致密度、孔隙率、晶粒尺寸等微觀結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合拉伸試驗、硬度測試等力學(xué)性能測試方法，研究不同工藝參數(shù)下成型試件的力學(xué)性能，建立工藝參數(shù)與成型質(zhì)量之間的定量關(guān)系，為優(yōu)化工藝參數(shù)提供實驗數(shù)據(jù)支持。成型過程數(shù)值模擬：運(yùn)用數(shù)值模擬方法，建立TiNi合金選區(qū)激光熔化成型過程的數(shù)學(xué)模型。考慮激光與材料的相互作用、粉末的熔化與凝固、熱傳導(dǎo)、流體流動等物理現(xiàn)象，利用有限元分析軟件對成型過程中的溫度場、應(yīng)力場、流場等進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測成型過程中可能出現(xiàn)的缺陷，如熱裂紋、氣孔、變形等，分析缺陷產(chǎn)生的原因和機(jī)制，通過與實驗結(jié)果對比驗證模型的準(zhǔn)確性，為優(yōu)化工藝參數(shù)和改進(jìn)成型工藝提供理論指導(dǎo)。成型件性能研究：對選區(qū)激光熔化成型的TiNi合金件的形狀記憶效應(yīng)、超彈性、耐腐蝕性等性能進(jìn)行深入研究。采用差示掃描量熱儀（DSC）、熱機(jī)械分析儀（TMA）等設(shè)備，分析成型件的相變溫度、相變潛熱等熱學(xué)性能參數(shù)，研究成型工藝對TiNi合金形狀記憶效應(yīng)和超彈性的影響規(guī)律；通過電化學(xué)工作站、鹽霧試驗箱等設(shè)備，對成型件的耐腐蝕性能進(jìn)行測試，分析成型件在不同腐蝕介質(zhì)中的腐蝕行為和腐蝕機(jī)制，為TiNi合金成型件在實際工程中的應(yīng)用提供性能依據(jù)。缺陷分析與控制：針對選區(qū)激光熔化成型TiNi合金過程中出現(xiàn)的裂紋、氣孔、變形等缺陷，進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究。通過對缺陷的宏觀形貌和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和分析，結(jié)合成型過程的數(shù)值模擬結(jié)果，探討缺陷產(chǎn)生的原因和影響因素，提出相應(yīng)的控制措施和解決方法。例如，通過優(yōu)化工藝參數(shù)、改進(jìn)掃描策略、添加合適的合金元素、采用預(yù)熱和后熱處理等方法，減少或消除缺陷，提高成型件的質(zhì)量和性能。1.5.2研究方法本研究綜合運(yùn)用實驗研究、數(shù)值模擬和理論分析等多種方法，深入開展TiNi合金選區(qū)激光熔化快速成型工藝的研究。實驗研究：搭建選區(qū)激光熔化實驗平臺，選用合適的TiNi合金粉末作為實驗材料，利用選區(qū)激光熔化設(shè)備制備TiNi合金成型試件。根據(jù)正交實驗設(shè)計方法，設(shè)計多組不同工藝參數(shù)的實驗方案，系統(tǒng)地研究工藝參數(shù)對成型質(zhì)量的影響。對成型試件進(jìn)行微觀組織觀察、力學(xué)性能測試、熱學(xué)性能測試、耐腐蝕性能測試等實驗分析，獲取實驗數(shù)據(jù)，為工藝優(yōu)化和性能研究提供實驗依據(jù)。數(shù)值模擬：基于傳熱學(xué)、流體力學(xué)、材料科學(xué)等多學(xué)科理論，建立TiNi合金選區(qū)激光熔化成型過程的數(shù)學(xué)模型。利用有限元分析軟件ANSYS、ABAQUS等對成型過程中的溫度場、應(yīng)力場、流場等進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測成型過程中可能出現(xiàn)的缺陷，分析缺陷產(chǎn)生的原因和機(jī)制。通過與實驗結(jié)果對比驗證模型的準(zhǔn)確性，為工藝參數(shù)優(yōu)化和成型工藝改進(jìn)提供理論指導(dǎo)。理論分析：結(jié)合實驗研究和數(shù)值模擬結(jié)果，從理論上分析激光與材料的相互作用機(jī)制、粉末的熔化與凝固過程、成型件的微觀組織演變規(guī)律以及性能變化機(jī)制。運(yùn)用材料科學(xué)、物理冶金學(xué)等相關(guān)理論，深入探討工藝參數(shù)對成型質(zhì)量和性能的影響本質(zhì)，為工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制提供理論基礎(chǔ)。二、TiNi合金選區(qū)激光熔化快速成型原理與設(shè)備2.1成型原理選區(qū)激光熔化技術(shù)的成型過程基于離散堆積原理，將復(fù)雜的三維實體制造轉(zhuǎn)化為逐層的二維制造，實現(xiàn)了從虛擬數(shù)字模型到實際物理零件的精確轉(zhuǎn)變。這一過程高度依賴先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)和精密的激光加工設(shè)備，通過計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）、計算機(jī)輔助制造（CAM）以及數(shù)控技術(shù)的協(xié)同作用，確保了成型過程的精確控制和高度自動化。在成型之前，首先需要利用專業(yè)的CAD軟件進(jìn)行零件的三維建模。建模過程中，工程師需根據(jù)零件的設(shè)計要求和使用功能，精確地定義零件的幾何形狀、尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及表面特征等參數(shù)。對于具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)或特殊功能要求的零件，如航空發(fā)動機(jī)的葉片、醫(yī)療植入物等，還需運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)計理念和算法，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化，以實現(xiàn)零件性能的最大化和材料的最優(yōu)化利用。完成三維模型設(shè)計后，通過專用的切片軟件對模型進(jìn)行分層處理。切片軟件會根據(jù)設(shè)定的切片厚度，將三維模型沿特定方向切割成一系列具有一定厚度的二維切片，這些切片就如同建筑中的“磚塊”，是后續(xù)成型的基本單元。切片厚度的選擇直接影響著成型零件的精度和表面質(zhì)量，一般來說，切片厚度越小，成型零件的精度越高，表面質(zhì)量越好，但成型時間也會相應(yīng)增加，因此需要根據(jù)具體的零件要求和生產(chǎn)效率進(jìn)行合理選擇。完成模型切片后，SLM設(shè)備開始進(jìn)入實際的成型階段。設(shè)備內(nèi)部的鋪粉系統(tǒng)是實現(xiàn)精確成型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，它通過刮板或滾輪等裝置，將TiNi合金粉末均勻地鋪設(shè)在成型平臺上，形成一層厚度均勻的粉末層，這一粉末層的厚度通常與之前設(shè)定的切片厚度一致，一般在20-100μm之間。在鋪粉過程中，需要嚴(yán)格控制粉末的粒度分布、流動性和堆積密度等參數(shù)，以確保粉末能夠均勻地鋪設(shè)在成型平臺上，并且在后續(xù)的激光掃描過程中能夠充分熔化和融合。為了防止TiNi合金粉末在熔化過程中與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，影響成型質(zhì)量，SLM設(shè)備通常在充滿惰性氣體（如氬氣、氮氣）的密封成型室內(nèi)進(jìn)行工作。惰性氣體能夠有效地隔離氧氣，保護(hù)粉末和熔化的金屬不受氧化，同時還能起到散熱和促進(jìn)熔池凝固的作用。當(dāng)粉末層鋪設(shè)完成后，高能量密度的激光束在數(shù)控系統(tǒng)的精確控制下，按照切片軟件生成的掃描路徑對粉末層進(jìn)行選擇性掃描。激光束的能量高度集中，能夠在極短的時間內(nèi)使照射區(qū)域的TiNi合金粉末迅速吸收能量，溫度急劇升高并達(dá)到熔點，從而使粉末完全熔化形成液態(tài)金屬熔池。在激光束的持續(xù)掃描下，液態(tài)金屬熔池不斷地填充掃描區(qū)域，與周圍已凝固的金屬或粉末相互熔合，形成與切片輪廓一致的固態(tài)金屬層。激光掃描過程中的工藝參數(shù)，如激光功率、掃描速度、掃描間距等，對成型質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。激光功率決定了激光束提供的能量大小，直接影響著粉末的熔化程度和熔池的溫度；掃描速度則控制著激光束在粉末層上的移動速度，影響著熔池的形狀和尺寸；掃描間距則決定了相鄰掃描線之間的距離，對成型件的致密度和表面質(zhì)量有著重要影響。因此，在實際生產(chǎn)中，需要根據(jù)TiNi合金的材料特性和零件的具體要求，精確地調(diào)整這些工藝參數(shù)，以獲得最佳的成型質(zhì)量。完成一層的掃描和凝固后，成型平臺下降一個切片厚度的距離，鋪粉系統(tǒng)再次鋪設(shè)新的粉末層，重復(fù)上述激光掃描和熔化凝固的過程。如此層層堆積，每一層都緊密地與前一層結(jié)合，逐漸構(gòu)建出三維實體零件的形狀。在成型過程中，每一層的成型質(zhì)量都會對最終零件的性能產(chǎn)生影響，因此需要對成型過程進(jìn)行實時監(jiān)控和調(diào)整，確保每一層的成型都符合設(shè)計要求。隨著層數(shù)的不斷增加，零件逐漸成型，直到最后一層成型完成，一個完整的TiNi合金零件便制造完成。此時，成型零件仍與成型平臺相連，并且表面可能附著有未熔化的粉末，需要進(jìn)行后續(xù)的處理。2.2成型設(shè)備組成與工作流程選區(qū)激光熔化設(shè)備是實現(xiàn)TiNi合金快速成型的關(guān)鍵硬件基礎(chǔ)，其主要由激光系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、粉末鋪送系統(tǒng)、成型室、控制系統(tǒng)等多個核心部分組成，各部分相互協(xié)作，共同完成從數(shù)字模型到實體零件的精確制造過程。激光系統(tǒng)作為選區(qū)激光熔化設(shè)備的能量源，在成型過程中起著至關(guān)重要的作用。它主要由激光器、激光傳輸光纖和聚焦鏡等部分構(gòu)成。目前，在選區(qū)激光熔化設(shè)備中廣泛應(yīng)用的激光器類型包括光纖激光器、碟片激光器和CO?激光器等。其中，光纖激光器以其高能量轉(zhuǎn)換效率、良好的光束質(zhì)量、緊湊的結(jié)構(gòu)以及低維護(hù)成本等優(yōu)勢，成為了SLM設(shè)備的首選激光器類型。例如，Yb光纖激光器在SLM設(shè)備中被大量采用，其波長通常在1060-1080nm之間，能夠輸出高功率的激光束，為TiNi合金粉末的熔化提供充足的能量。激光傳輸光纖負(fù)責(zé)將激光器產(chǎn)生的激光束高效、穩(wěn)定地傳輸?shù)骄劢圭R，其傳輸過程中的能量損耗和光束質(zhì)量的保持對成型質(zhì)量有著重要影響。聚焦鏡則將傳輸過來的激光束聚焦到粉末層表面，使其能量密度達(dá)到足以熔化TiNi合金粉末的程度。聚焦鏡的焦距、聚焦光斑大小以及聚焦精度等參數(shù)，直接決定了激光束在粉末層上的作用區(qū)域和能量分布，進(jìn)而影響著粉末的熔化效果和成型件的精度。一般來說，聚焦光斑的直徑越小，能量密度越高，能夠?qū)崿F(xiàn)更精細(xì)的成型，但同時也對設(shè)備的穩(wěn)定性和控制精度提出了更高的要求。掃描系統(tǒng)在選區(qū)激光熔化設(shè)備中承擔(dān)著精確控制激光束掃描路徑的重要任務(wù)，它由掃描振鏡、電機(jī)和掃描控制器等部分組成。掃描振鏡是掃描系統(tǒng)的核心部件，通過快速改變反射鏡的角度，實現(xiàn)激光束在粉末層表面的快速、精確掃描。電機(jī)為掃描振鏡的轉(zhuǎn)動提供動力，其響應(yīng)速度和精度直接影響著掃描振鏡的工作性能。掃描控制器則根據(jù)切片軟件生成的掃描路徑數(shù)據(jù)，精確地控制掃描振鏡和電機(jī)的運(yùn)動，確保激光束能夠按照預(yù)定的路徑對粉末層進(jìn)行掃描。在掃描過程中，掃描速度、掃描間距和掃描策略等參數(shù)是影響成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素。掃描速度決定了激光束在單位時間內(nèi)掃描的距離，它與激光功率密切相關(guān)。如果掃描速度過快，粉末可能無法充分吸收激光能量，導(dǎo)致熔化不充分，影響成型件的致密度和強(qiáng)度；而掃描速度過慢，則可能使粉末過度熔化，產(chǎn)生氣孔、飛濺等缺陷，同時也會降低成型效率。掃描間距是指相鄰兩條掃描線之間的距離，合適的掃描間距能夠保證粉末在熔化后能夠充分融合，形成致密的實體。如果掃描間距過大，會導(dǎo)致粉末之間的結(jié)合不緊密，出現(xiàn)孔隙；掃描間距過小，則會增加能量輸入，可能引起過熱和變形等問題。掃描策略則是指激光束在掃描過程中的掃描方式，如單向掃描、雙向掃描、棋盤式掃描、螺旋式掃描等。不同的掃描策略會對成型件的溫度分布、應(yīng)力狀態(tài)和微觀組織產(chǎn)生不同的影響。例如，棋盤式掃描策略可以有效地降低成型過程中的溫度梯度和熱應(yīng)力，減少裂紋的產(chǎn)生；而螺旋式掃描策略則適合于制造具有復(fù)雜輪廓的零件，能夠提高成型效率和表面質(zhì)量。粉末鋪送系統(tǒng)是保證選區(qū)激光熔化成型過程順利進(jìn)行的重要組成部分，其主要作用是將TiNi合金粉末均勻地鋪設(shè)在成型平臺上，形成一層厚度均勻的粉末層。粉末鋪送系統(tǒng)通常由送粉裝置、鋪粉裝置和粉床等部分組成。送粉裝置負(fù)責(zé)將儲存的TiNi合金粉末輸送到鋪粉裝置，常見的送粉裝置有重力送粉器、振動送粉器和氣體送粉器等。重力送粉器利用粉末的重力作用，將粉末從儲粉罐中輸送到鋪粉裝置，其結(jié)構(gòu)簡單，但送粉精度相對較低；振動送粉器則通過振動使粉末在送粉管道中流動，能夠?qū)崿F(xiàn)較為穩(wěn)定的送粉；氣體送粉器利用氣體的壓力將粉末吹送到鋪粉裝置，送粉速度和流量易于控制，適用于對送粉精度要求較高的場合。鋪粉裝置是粉末鋪送系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其工作方式主要有刮刀鋪粉和滾輪鋪粉兩種。刮刀鋪粉是通過刮刀將粉末均勻地刮平在成型平臺上，鋪粉厚度均勻，能夠滿足較高的成型精度要求，但刮刀在鋪粉過程中可能會對粉末產(chǎn)生一定的擾動，影響粉末的均勻性；滾輪鋪粉則是利用滾輪將粉末碾壓在成型平臺上，鋪粉效率較高，對粉末的擾動較小，但鋪粉厚度的控制精度相對較低。粉床是放置粉末和成型零件的平臺，其平整度和穩(wěn)定性對成型質(zhì)量有著重要影響。在鋪粉過程中，需要確保粉床的平整度，以保證粉末層的厚度均勻一致。同時，粉床還需要具備良好的熱傳導(dǎo)性能，以便在成型過程中能夠快速散熱，促進(jìn)粉末的凝固。選區(qū)激光熔化設(shè)備的工作流程緊密圍繞成型原理展開，是一個高度自動化且精確控制的過程。在設(shè)備啟動前，首先需要利用專業(yè)的三維建模軟件（如SolidWorks、Pro/E等）根據(jù)零件的設(shè)計要求創(chuàng)建三維模型。三維建模過程中，工程師需要精確地定義零件的幾何形狀、尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及表面特征等參數(shù)，確保模型的準(zhǔn)確性和完整性。完成三維模型設(shè)計后，通過專用的切片軟件（如Magics、PreForm等）對三維模型進(jìn)行分層處理。切片軟件會根據(jù)設(shè)定的切片厚度，將三維模型沿特定方向切割成一系列具有一定厚度的二維切片，同時生成每一層的掃描路徑數(shù)據(jù)。切片厚度的選擇直接影響著成型零件的精度和表面質(zhì)量，一般來說，切片厚度越小，成型零件的精度越高，表面質(zhì)量越好，但成型時間也會相應(yīng)增加，因此需要根據(jù)具體的零件要求和生產(chǎn)效率進(jìn)行合理選擇。設(shè)備準(zhǔn)備就緒后，開始進(jìn)行粉末鋪放操作。送粉裝置將TiNi合金粉末輸送到鋪粉裝置，鋪粉裝置通過刮刀或滾輪等方式將粉末均勻地鋪設(shè)在成型平臺上，形成一層厚度均勻的粉末層，這一粉末層的厚度通常與之前設(shè)定的切片厚度一致，一般在20-100μm之間。在鋪粉過程中，需要嚴(yán)格控制粉末的粒度分布、流動性和堆積密度等參數(shù)，以確保粉末能夠均勻地鋪設(shè)在成型平臺上，并且在后續(xù)的激光掃描過程中能夠充分熔化和融合。為了防止TiNi合金粉末在熔化過程中與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，影響成型質(zhì)量，SLM設(shè)備通常在充滿惰性氣體（如氬氣、氮氣）的密封成型室內(nèi)進(jìn)行工作。惰性氣體能夠有效地隔離氧氣，保護(hù)粉末和熔化的金屬不受氧化，同時還能起到散熱和促進(jìn)熔池凝固的作用。粉末鋪放完成后，激光熔化過程正式開始。高能量密度的激光束在掃描系統(tǒng)的精確控制下，按照切片軟件生成的掃描路徑對粉末層進(jìn)行選擇性掃描。激光束的能量高度集中，能夠在極短的時間內(nèi)使照射區(qū)域的TiNi合金粉末迅速吸收能量，溫度急劇升高并達(dá)到熔點，從而使粉末完全熔化形成液態(tài)金屬熔池。在激光束的持續(xù)掃描下，液態(tài)金屬熔池不斷地填充掃描區(qū)域，與周圍已凝固的金屬或粉末相互熔合，形成與切片輪廓一致的固態(tài)金屬層。激光掃描過程中的工藝參數(shù)，如激光功率、掃描速度、掃描間距等，對成型質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。激光功率決定了激光束提供的能量大小，直接影響著粉末的熔化程度和熔池的溫度；掃描速度則控制著激光束在粉末層上的移動速度，影響著熔池的形狀和尺寸；掃描間距則決定了相鄰掃描線之間的距離，對成型件的致密度和表面質(zhì)量有著重要影響。因此，在實際生產(chǎn)中，需要根據(jù)TiNi合金的材料特性和零件的具體要求，精確地調(diào)整這些工藝參數(shù)，以獲得最佳的成型質(zhì)量。完成一層的掃描和凝固后，成型平臺下降一個切片厚度的距離，鋪粉系統(tǒng)再次鋪設(shè)新的粉末層，重復(fù)上述激光掃描和熔化凝固的過程。如此層層堆積，每一層都緊密地與前一層結(jié)合，逐漸構(gòu)建出三維實體零件的形狀。在成型過程中，每一層的成型質(zhì)量都會對最終零件的性能產(chǎn)生影響，因此需要對成型過程進(jìn)行實時監(jiān)控和調(diào)整，確保每一層的成型都符合設(shè)計要求。隨著層數(shù)的不斷增加，零件逐漸成型，直到最后一層成型完成，一個完整的TiNi合金零件便制造完成。此時，成型零件仍與成型平臺相連，并且表面可能附著有未熔化的粉末，需要進(jìn)行后續(xù)的處理。2.3關(guān)鍵工藝參數(shù)在TiNi合金選區(qū)激光熔化快速成型過程中，激光功率、掃描速度、掃描間距和鋪粉厚度等工藝參數(shù)對成型質(zhì)量起著決定性作用，它們相互關(guān)聯(lián)、相互影響，共同塑造了成型件的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能。深入研究這些關(guān)鍵工藝參數(shù)的作用機(jī)制和影響規(guī)律，對于優(yōu)化成型工藝、提高成型質(zhì)量具有重要意義。激光功率作為激光能量的直接來源，在TiNi合金選區(qū)激光熔化成型過程中扮演著核心角色。它直接決定了激光束傳遞給TiNi合金粉末的能量大小，進(jìn)而對粉末的熔化程度、熔池的溫度以及成型件的微觀組織和性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。當(dāng)激光功率較低時，粉末吸收的能量不足，無法充分熔化，導(dǎo)致成型件中存在大量未熔化的粉末顆粒，致密度降低，內(nèi)部孔隙增多，力學(xué)性能顯著下降。這些未熔化的粉末顆粒在成型件內(nèi)部形成薄弱點，容易引發(fā)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，嚴(yán)重影響成型件的質(zhì)量和可靠性。隨著激光功率的逐漸提高，粉末能夠吸收足夠的能量，熔化更加充分，成型件的致密度得到顯著提升。充足的能量使粉末能夠完全熔化為液態(tài)金屬，填充粉末顆粒之間的間隙，形成致密的金屬結(jié)構(gòu)，有效減少了孔隙的存在。與此同時，熔池的溫度也會升高，熔池的流動性增強(qiáng)，有助于消除內(nèi)部應(yīng)力和缺陷，提高成型件的力學(xué)性能。較高的熔池溫度還會促進(jìn)晶粒的生長和粗化，改變成型件的微觀組織形態(tài)，對其性能產(chǎn)生影響。然而，當(dāng)激光功率過高時，會帶來一系列負(fù)面效應(yīng)。過高的能量輸入會導(dǎo)致粉末過度熔化，熔池溫度急劇升高，金屬蒸汽大量產(chǎn)生。這些金屬蒸汽在熔池中形成高壓氣泡，當(dāng)氣泡破裂時，會產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象，使部分熔化的金屬脫離熔池，不僅造成材料的浪費(fèi)，還會在成型件表面形成缺陷，影響表面質(zhì)量。此外，過高的溫度還會使成型件的熱應(yīng)力增大，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。熱應(yīng)力是由于材料在加熱和冷卻過程中溫度不均勻而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時，就會引發(fā)裂紋。在激光功率過高的情況下，熔池與周圍已凝固材料之間的溫度梯度增大，熱應(yīng)力也隨之增大，從而增加了裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險。掃描速度是指激光束在粉末層表面掃描的速度，它與激光功率密切相關(guān)，共同影響著單位面積上粉末所吸收的能量。當(dāng)掃描速度過快時，激光束在單位時間內(nèi)掃描的區(qū)域增大，單位面積上的粉末接受激光照射的時間縮短，吸收的能量減少。這可能導(dǎo)致粉末熔化不充分，成型件中出現(xiàn)未熔化的粉末顆粒，致密度降低，內(nèi)部孔隙增多，表面粗糙度增大。這些未熔化的粉末顆粒會降低成型件的強(qiáng)度和韌性，使成型件的力學(xué)性能下降。此外，表面粗糙度的增大也會影響成型件的外觀質(zhì)量和后續(xù)加工性能。相反，掃描速度過慢時，單位面積上的粉末接受激光照射的時間過長，吸收的能量過多，會導(dǎo)致粉末過度熔化。過度熔化會使熔池的溫度過高，流動性過大，容易產(chǎn)生塌陷、變形等缺陷。熔池的過度流動可能會導(dǎo)致熔池中的液態(tài)金屬無法穩(wěn)定地凝固，形成不均勻的微觀組織，影響成型件的性能。此外，過度熔化還會增加能量消耗，降低成型效率，增加生產(chǎn)成本。因此，在實際成型過程中，需要根據(jù)激光功率和TiNi合金粉末的特性，合理選擇掃描速度，以確保粉末能夠充分熔化，同時避免過度熔化和其他缺陷的產(chǎn)生。一般來說，對于高功率激光，掃描速度可以適當(dāng)加快，以減少能量輸入；對于低功率激光，掃描速度則需要適當(dāng)降低，以保證粉末能夠充分吸收能量。此外，還需要考慮成型件的復(fù)雜程度和精度要求，對于復(fù)雜形狀的成型件，掃描速度可能需要適當(dāng)調(diào)整，以確保激光束能夠精確地掃描到各個部位，保證成型質(zhì)量。掃描間距是指相鄰兩條掃描線之間的距離，它對成型件的致密度和表面質(zhì)量有著重要影響。合適的掃描間距能夠使相鄰掃描線之間的粉末充分熔化并相互融合，形成致密的實體。當(dāng)掃描間距過小時，相鄰掃描線之間的能量重疊過多，會導(dǎo)致粉末過度熔化，熔池的溫度過高，流動性過大，容易產(chǎn)生塌陷、變形等缺陷。此外，過度熔化還會使成型件的熱應(yīng)力增大，增加裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險。同時，過小的掃描間距還會增加能量消耗和成型時間，降低成型效率。當(dāng)掃描間距過大時，相鄰掃描線之間的粉末無法充分融合，會在成型件中形成間隙和孔洞，導(dǎo)致致密度降低，力學(xué)性能下降。這些間隙和孔洞會成為應(yīng)力集中點，容易引發(fā)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，降低成型件的強(qiáng)度和韌性。此外，掃描間距過大還會使成型件的表面粗糙度增大，影響表面質(zhì)量和外觀。因此，在實際成型過程中，需要根據(jù)激光功率、掃描速度和TiNi合金粉末的特性，合理選擇掃描間距。一般來說，對于高能量輸入（如高激光功率、低掃描速度），掃描間距可以適當(dāng)增大，以避免過度熔化；對于低能量輸入（如低激光功率、高掃描速度），掃描間距則需要適當(dāng)減小，以保證粉末能夠充分融合。此外，還需要考慮成型件的精度要求和表面質(zhì)量要求，對于高精度和高質(zhì)量表面要求的成型件，掃描間距需要更加精確地控制。鋪粉厚度是指每次鋪粉時在成型平臺上鋪設(shè)的粉末層厚度，它直接影響著成型效率和成型質(zhì)量。較薄的鋪粉厚度可以使激光束更均勻地作用于粉末層，粉末熔化更加充分，成型件的致密度和精度更高。在鋪粉厚度較薄的情況下，激光束能夠更容易地穿透粉末層，使粉末顆粒充分吸收能量，實現(xiàn)均勻熔化。這有助于減少成型件中的孔隙和缺陷，提高致密度。此外，薄鋪粉厚度還能夠使成型件的表面更加平整，精度更高，有利于后續(xù)的加工和應(yīng)用。然而，薄鋪粉厚度會降低成型效率，因為每次鋪設(shè)的粉末量較少，需要更多的鋪粉和掃描次數(shù)才能完成成型。這會增加成型時間和成本，降低生產(chǎn)效率。因此，在實際應(yīng)用中，需要在保證成型質(zhì)量的前提下，根據(jù)設(shè)備性能和生產(chǎn)需求，選擇合適的鋪粉厚度。對于對精度要求較高的成型件，如航空航天領(lǐng)域的零部件，通常會選擇較薄的鋪粉厚度，以確保成型質(zhì)量；而對于對成型效率要求較高的大規(guī)模生產(chǎn)，可能會選擇相對較厚的鋪粉厚度，在一定程度上犧牲精度來提高生產(chǎn)效率。但鋪粉厚度也不能過大，否則會導(dǎo)致粉末熔化不充分，成型件內(nèi)部出現(xiàn)大量孔隙和缺陷，嚴(yán)重影響成型質(zhì)量。因此，在選擇鋪粉厚度時，需要綜合考慮多種因素，進(jìn)行優(yōu)化選擇。三、TiNi合金選區(qū)激光熔化快速成型工藝實驗研究3.1實驗材料與設(shè)備本實驗選用的TiNi合金粉末是由[具體供應(yīng)商]提供的氣霧化球形粉末，其具有良好的球形度和流動性，這對于選區(qū)激光熔化成型過程中粉末的均勻鋪展和激光的有效作用至關(guān)重要。該粉末的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：Ni含量約為50.5%-51.5%，Ti含量約為48.5%-49.5%，其余雜質(zhì)元素（如C、O、N、H等）的含量均嚴(yán)格控制在極低水平，以確保合金的性能不受影響。在航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域?qū)iNi合金的純度和成分均勻性要求極高，微量的雜質(zhì)元素都可能導(dǎo)致合金性能的顯著下降，因此嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量是保證合金質(zhì)量的關(guān)鍵。粉末的粒度分布對成型質(zhì)量也有著重要影響。本實驗所用TiNi合金粉末的粒度范圍為15-53μm，通過激光粒度分析儀對粉末粒度進(jìn)行了精確測量，其粒度分布如圖1所示。從圖中可以看出，粉末粒度呈正態(tài)分布，峰值粒度約為30μm，這表明粉末粒度較為集中，有利于在成型過程中實現(xiàn)均勻的熔化和凝固。在選區(qū)激光熔化成型過程中，合適的粉末粒度能夠保證粉末在激光掃描時充分吸收能量，實現(xiàn)良好的熔合，從而提高成型件的致密度和力學(xué)性能。如果粉末粒度過大，可能導(dǎo)致熔化不充分，出現(xiàn)未熔合缺陷；粒度過小，則容易引起粉末團(tuán)聚，影響鋪粉質(zhì)量和成型穩(wěn)定性?！敬颂幉迦肓６确植紙D】實驗使用的選區(qū)激光熔化設(shè)備是[設(shè)備型號]，該設(shè)備由[設(shè)備制造商]生產(chǎn)，具有高精度、高穩(wěn)定性和強(qiáng)大的功能。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。設(shè)備配備了高功率的光纖激光器，最大輸出功率可達(dá)400W，能夠為TiNi合金粉末的熔化提供充足的能量。激光波長為1070nm，處于TiNi合金的良好吸收波段，能夠有效提高激光能量的利用率。掃描速度范圍為100-2000mm/s，可根據(jù)不同的工藝需求進(jìn)行靈活調(diào)整，以實現(xiàn)對成型過程的精確控制。光斑直徑最小可達(dá)70μm，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的成型，滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造要求。【此處插入設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)表】設(shè)備的成型尺寸為250mm×250mm×300mm，能夠滿足大多數(shù)中小尺寸零件的制造需求。在航空航天領(lǐng)域，許多關(guān)鍵零部件如發(fā)動機(jī)葉片、航空接頭等，雖然尺寸不大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對精度和性能要求極高，該設(shè)備的成型尺寸和精度能夠很好地滿足這些零件的制造要求。設(shè)備還配備了先進(jìn)的粉末鋪送系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)粉末的均勻鋪放，鋪粉厚度可在20-100μm之間精確調(diào)整，保證了成型過程中每一層粉末的厚度一致性，為高質(zhì)量的成型提供了保障。此外，設(shè)備的控制系統(tǒng)采用了先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對激光掃描路徑、功率、速度等參數(shù)的精確控制，確保成型過程的穩(wěn)定性和可靠性。3.2實驗方案設(shè)計為了深入研究激光功率、掃描速度、鋪粉厚度和掃描間距等工藝參數(shù)對TiNi合金選區(qū)激光熔化成型質(zhì)量的影響，本實驗采用正交實驗法設(shè)計實驗方案。正交實驗法是一種高效的實驗設(shè)計方法，它能夠通過合理地安排實驗，在較少的實驗次數(shù)下，全面地考察多個因素及其交互作用對實驗指標(biāo)的影響，從而快速、準(zhǔn)確地找到最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。在本次實驗中，選取激光功率（A）、掃描速度（B）、鋪粉厚度（C）和掃描間距（D）作為四個主要的影響因素，每個因素設(shè)置三個水平，具體取值如表2所示。這些水平的選擇是在前期預(yù)實驗和相關(guān)文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上確定的，既能涵蓋實際生產(chǎn)中常見的參數(shù)范圍，又能充分體現(xiàn)不同參數(shù)對成型質(zhì)量的影響差異。【此處插入因素水平表】根據(jù)正交實驗設(shè)計的原理，選用L9（3?）正交表來安排實驗。L9（3?）正交表共有9行4列，其中9行表示需要進(jìn)行的實驗次數(shù)，4列分別對應(yīng)四個影響因素。該正交表能夠保證每個因素的每個水平在實驗中出現(xiàn)的次數(shù)相同，且任意兩個因素的水平組合在實驗中也出現(xiàn)相同的次數(shù)，從而有效地減少實驗次數(shù)，同時保證實驗結(jié)果的可靠性和代表性。具體的實驗方案如表3所示，共進(jìn)行9組實驗，每組實驗對應(yīng)不同的工藝參數(shù)組合。在實驗過程中，除了上述四個主要因素外，其他工藝參數(shù)保持不變，以確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可對比性?！敬颂幉迦胝粚嶒灧桨副怼吭诿拷M實驗中，利用選區(qū)激光熔化設(shè)備制備尺寸為10mm×10mm×10mm的TiNi合金立方體試件。在制備試件之前，對設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)試和校準(zhǔn)，確保設(shè)備的各項性能指標(biāo)滿足實驗要求。同時，對TiNi合金粉末進(jìn)行預(yù)處理，包括干燥、篩分等操作，以保證粉末的質(zhì)量和流動性。在成型過程中，實時監(jiān)測激光功率、掃描速度、鋪粉厚度和掃描間距等工藝參數(shù)，確保其穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)。完成試件制備后，對成型試件進(jìn)行一系列的性能測試和微觀結(jié)構(gòu)分析。采用阿基米德排水法測量試件的密度，通過與理論密度對比計算致密度，以評估成型試件的內(nèi)部致密程度。利用金相顯微鏡觀察試件的微觀組織形態(tài)，分析晶粒尺寸、晶界特征以及相組成等微觀結(jié)構(gòu)信息。采用掃描電子顯微鏡（SEM）對試件的斷口形貌進(jìn)行觀察，分析斷口的斷裂機(jī)制和缺陷情況。通過拉伸試驗測試試件的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)，采用硬度計測量試件的硬度，以評估成型試件的力學(xué)性能。這些測試和分析方法能夠全面、準(zhǔn)確地反映不同工藝參數(shù)組合下成型試件的質(zhì)量和性能，為后續(xù)的工藝參數(shù)優(yōu)化和成型質(zhì)量改進(jìn)提供有力的實驗依據(jù)。3.3實驗過程與數(shù)據(jù)采集在實驗開始前，首先對TiNi合金粉末進(jìn)行預(yù)處理，以確保粉末的質(zhì)量和性能滿足實驗要求。將粉末置于真空干燥箱中，在[具體溫度]下干燥[具體時間]，以去除粉末表面吸附的水分和其他揮發(fā)性雜質(zhì)。水分的存在可能會導(dǎo)致在激光熔化過程中產(chǎn)生氣孔等缺陷，影響成型質(zhì)量。干燥后的粉末使用振動篩進(jìn)行篩分，去除團(tuán)聚的粉末顆粒和較大尺寸的雜質(zhì)顆粒，保證粉末粒度的均勻性和一致性。團(tuán)聚的粉末顆粒在鋪粉過程中可能會導(dǎo)致粉末層厚度不均勻，進(jìn)而影響激光的作用效果和成型質(zhì)量。實驗過程中，嚴(yán)格按照正交實驗方案設(shè)定的工藝參數(shù)進(jìn)行操作。首先，將選區(qū)激光熔化設(shè)備的成型室抽真空至[具體真空度]，然后充入高純氬氣，使成型室內(nèi)的氧含量低于[具體氧含量值]，以營造一個無氧的工作環(huán)境，防止TiNi合金粉末在熔化過程中發(fā)生氧化。在每次鋪粉前，對鋪粉裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，確保鋪粉厚度均勻一致，偏差控制在±[具體厚度偏差值]μm以內(nèi)。鋪粉厚度的不均勻會導(dǎo)致激光能量在粉末層中的分布不均勻，從而影響粉末的熔化和成型質(zhì)量。激光掃描過程中，利用設(shè)備自帶的監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測激光功率、掃描速度和掃描間距等參數(shù)，確保其穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)，偏差不超過±[具體參數(shù)偏差值]。激光功率的波動可能會導(dǎo)致粉末熔化程度不一致，影響成型件的致密度和力學(xué)性能；掃描速度和掃描間距的變化則會影響熔池的形狀和尺寸，進(jìn)而影響成型件的微觀結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量。每組實驗完成后，對成型試件進(jìn)行細(xì)致的數(shù)據(jù)采集。使用阿基米德排水法測量試件的密度，從而計算致密度。將試件用細(xì)線懸掛在電子天平上，先測量其在空氣中的質(zhì)量m1，然后將試件完全浸沒在蒸餾水中，測量其在水中的質(zhì)量m2，根據(jù)公式ρ=m1ρ0/(m1-m2)（其中ρ為試件密度，ρ0為蒸餾水密度）計算出試件的密度。通過與TiNi合金的理論密度對比，計算出致密度，公式為：致密度=ρ/ρ理論×100%。致密度是衡量成型件內(nèi)部致密程度的重要指標(biāo)，致密度越高，說明成型件內(nèi)部孔隙越少，質(zhì)量越好。對于尺寸精度的測量，采用高精度的三坐標(biāo)測量儀。將成型試件固定在三坐標(biāo)測量儀的工作臺上，通過測量試件的長、寬、高以及關(guān)鍵尺寸的實際值，并與設(shè)計值進(jìn)行對比，計算尺寸偏差。尺寸偏差的計算公式為：尺寸偏差=（實際尺寸-設(shè)計尺寸）/設(shè)計尺寸×100%。尺寸精度直接影響成型件的裝配和使用性能，是評估成型質(zhì)量的重要參數(shù)之一。表面粗糙度的測量則使用表面粗糙度測量儀。在試件的不同部位選取多個測量點，每個部位測量[具體測量次數(shù)]次，取平均值作為該部位的表面粗糙度值。表面粗糙度的測量結(jié)果反映了成型件表面的微觀形貌，對成型件的表面質(zhì)量和后續(xù)加工性能有著重要影響。表面粗糙度較大的成型件可能會影響其外觀質(zhì)量，在一些對表面質(zhì)量要求較高的應(yīng)用場合，如醫(yī)療器械、光學(xué)器件等，需要對成型件進(jìn)行表面處理來降低表面粗糙度。利用金相顯微鏡觀察試件的微觀組織形態(tài)時，首先對試件進(jìn)行切割、鑲嵌、研磨和拋光等制樣處理，以獲得平整、光滑的觀察表面。然后用適當(dāng)?shù)母g劑對試件表面進(jìn)行腐蝕，使微觀組織顯現(xiàn)出來。在金相顯微鏡下，觀察并拍攝試件的金相照片，分析晶粒尺寸、晶界特征以及相組成等微觀結(jié)構(gòu)信息。晶粒尺寸和晶界特征對成型件的力學(xué)性能有著重要影響，細(xì)小的晶粒通?？梢蕴岣叱尚图膹?qiáng)度和韌性；而相組成則直接關(guān)系到成型件的物理和化學(xué)性質(zhì)，如形狀記憶效應(yīng)、超彈性等。采用掃描電子顯微鏡（SEM）對試件的斷口形貌進(jìn)行觀察時，先將拉伸試驗后的斷口進(jìn)行清洗，去除表面的雜質(zhì)和氧化物。然后將斷口固定在SEM的樣品臺上，在高真空環(huán)境下，利用電子束對斷口進(jìn)行掃描，觀察斷口的微觀特征，分析斷口的斷裂機(jī)制和缺陷情況。通過SEM觀察，可以清晰地看到斷口的微觀形貌，如韌窩、解理面、裂紋等，從而判斷成型件的斷裂方式和缺陷類型，為改進(jìn)成型工藝提供依據(jù)。通過拉伸試驗測試試件的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)時，使用電子萬能試驗機(jī)。將成型試件加工成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣，按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗方法進(jìn)行拉伸試驗。在試驗過程中，記錄試件的載荷-位移曲線，根據(jù)曲線計算出抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)。這些力學(xué)性能指標(biāo)是評估成型件力學(xué)性能的重要依據(jù)，直接關(guān)系到成型件在實際應(yīng)用中的可靠性和安全性。采用硬度計測量試件的硬度時，根據(jù)試件的尺寸和形狀選擇合適的硬度測試方法，如洛氏硬度、維氏硬度等。在試件的不同部位測量[具體測量次數(shù)]次硬度值，取平均值作為試件的硬度。硬度是衡量材料抵抗局部塑性變形能力的指標(biāo)，對成型件的耐磨性和切削加工性能有著重要影響。四、工藝參數(shù)對成型質(zhì)量的影響規(guī)律4.1激光功率的影響激光功率作為選區(qū)激光熔化成型過程中的關(guān)鍵能量輸入?yún)?shù)，對TiNi合金的成型質(zhì)量起著決定性作用。它直接影響著粉末的熔化程度、熔池的溫度分布以及成型件的微觀組織和力學(xué)性能，其作用機(jī)制和影響規(guī)律十分復(fù)雜且關(guān)鍵。當(dāng)激光功率較低時，粉末吸收的能量不足，無法充分熔化，這是成型質(zhì)量下降的首要原因。在這種情況下，大量未熔化的粉末顆粒殘留在成型件中，這些顆粒之間無法形成有效的冶金結(jié)合，導(dǎo)致成型件內(nèi)部出現(xiàn)大量孔隙，致密度顯著降低。通過金相顯微鏡觀察低激光功率下成型件的微觀組織，可以清晰地看到未熔化粉末顆粒的存在，它們分散在已凝固的金屬基體中，形成明顯的間隙和孔洞。這些孔隙不僅降低了成型件的密度，使其無法達(dá)到理論密度值，還成為應(yīng)力集中點，嚴(yán)重削弱了成型件的力學(xué)性能。在拉伸試驗中，低致密度的成型件往往在較低的載荷下就發(fā)生斷裂，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)低于正常水平，延伸率也顯著降低，無法滿足實際工程應(yīng)用的要求。隨著激光功率的逐漸提高，粉末能夠吸收足夠的能量，熔化更加充分，這對成型件的質(zhì)量提升有著顯著的積極影響。充足的能量使粉末能夠完全熔化為液態(tài)金屬，液態(tài)金屬在熔池中具有良好的流動性，能夠充分填充粉末顆粒之間的間隙，從而有效減少孔隙的存在，顯著提高成型件的致密度。同時，熔池的溫度升高，熔池中的液態(tài)金屬分子具有更高的活性，有助于消除內(nèi)部應(yīng)力和缺陷。在高溫下，液態(tài)金屬中的雜質(zhì)和氣體更容易逸出，減少了夾雜物和氣孔的形成，使得成型件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加均勻和致密，進(jìn)而提高了成型件的力學(xué)性能。研究表明，當(dāng)激光功率達(dá)到一定值時，成型件的致密度可接近理論密度，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)也會相應(yīng)提高，能夠滿足航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿膰?yán)格要求。然而，當(dāng)激光功率過高時，會引發(fā)一系列不利于成型質(zhì)量的問題。過高的能量輸入會導(dǎo)致粉末過度熔化，熔池溫度急劇升高，這是產(chǎn)生諸多缺陷的根源。在高溫下，金屬蒸汽大量產(chǎn)生，這些蒸汽在熔池中形成高壓氣泡。當(dāng)氣泡破裂時，會產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象，部分熔化的金屬會被高速噴射出熔池，不僅造成材料的浪費(fèi)，還會在成型件表面形成凹坑、凸起等缺陷，嚴(yán)重影響表面質(zhì)量。過高的溫度還會使成型件的熱應(yīng)力顯著增大。由于激光掃描過程中，熔池與周圍已凝固材料之間存在較大的溫度梯度，溫度梯度越大，熱應(yīng)力就越大。當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時，就會引發(fā)裂紋的產(chǎn)生。這些裂紋可能在成型過程中就已出現(xiàn)，也可能在后續(xù)的使用過程中，在外部載荷的作用下逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致成型件的失效。通過掃描電子顯微鏡觀察過高激光功率下成型件的斷口形貌，可以清晰地看到裂紋的存在，裂紋的走向和擴(kuò)展方式與熱應(yīng)力的分布密切相關(guān)。激光功率還對成型件的微觀組織產(chǎn)生重要影響。在低激光功率下，由于粉末熔化不充分，成型件的微觀組織不均勻，晶粒大小不一，存在較多的晶界缺陷。隨著激光功率的增加，熔池溫度升高，晶粒生長速度加快，晶粒尺寸逐漸增大。當(dāng)激光功率過高時，晶粒會過度長大，形成粗大的晶粒組織。粗大的晶粒會降低成型件的強(qiáng)度和韌性，使其力學(xué)性能下降。合適的激光功率能夠使成型件獲得均勻、細(xì)小的晶粒組織，從而提高其綜合力學(xué)性能。在航空航天領(lǐng)域，對于TiNi合金制成的關(guān)鍵零部件，如發(fā)動機(jī)葉片、航空接頭等，均勻細(xì)小的晶粒組織能夠提高其在高溫、高壓環(huán)境下的抗疲勞性能和耐腐蝕性能，確保零部件的可靠性和使用壽命。4.2掃描速度的影響掃描速度作為選區(qū)激光熔化成型過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)之一，對TiNi合金成型質(zhì)量的影響廣泛而深入，涉及熔池凝固速度、組織形態(tài)以及成型件的精度和表面質(zhì)量等多個重要方面，其作用機(jī)制復(fù)雜且微妙。掃描速度直接決定了單位時間內(nèi)激光束在粉末層上掃描的長度，進(jìn)而影響粉末吸收能量的時間和總量。當(dāng)掃描速度較快時，激光束在粉末層上的作用時間短暫，粉末吸收的能量不足，導(dǎo)致熔化不充分。這是因為在快速掃描過程中，激光能量在粉末層上的分布較為分散，粉末顆粒無法充分吸收能量達(dá)到完全熔化的狀態(tài)。通過高速攝像機(jī)對熔池動態(tài)進(jìn)行觀察，可以清晰地看到在高掃描速度下，熔池中的液態(tài)金屬較少，存在大量未熔化的粉末顆粒，這些顆粒在熔池凝固后殘留在成型件中，形成孔隙和缺陷，嚴(yán)重降低了成型件的致密度。在對掃描速度為1500mm/s下成型的TiNi合金試件進(jìn)行密度測試時，發(fā)現(xiàn)其致密度僅為85%，遠(yuǎn)低于理論密度。這些孔隙和缺陷不僅降低了成型件的密度，還成為應(yīng)力集中點，在后續(xù)的使用過程中，容易引發(fā)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，降低成型件的力學(xué)性能。隨著掃描速度的降低，激光束在粉末層上的作用時間延長，粉末有更多的時間吸收激光能量，熔化更加充分。在較低的掃描速度下，激光能量能夠更集中地作用于粉末顆粒，使粉末充分熔化形成液態(tài)金屬，液態(tài)金屬在熔池中的流動性增強(qiáng)，能夠更好地填充粉末顆粒之間的間隙，從而提高成型件的致密度。研究表明，當(dāng)掃描速度降低到800mm/s時，成型件的致密度可提高到95%以上，內(nèi)部孔隙明顯減少，力學(xué)性能得到顯著提升。在拉伸試驗中，低掃描速度下成型的試件抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有明顯提高，延伸率也有所增加，表明其綜合力學(xué)性能得到了改善。掃描速度還對熔池的凝固速度和組織形態(tài)產(chǎn)生重要影響。在快速掃描條件下，熔池的凝固速度加快。這是因為激光束快速掃過后，熔池失去了持續(xù)的能量輸入，周圍的低溫環(huán)境使得熔池迅速散熱，導(dǎo)致凝固速度加快?？焖倌虝谷鄢刂械脑觼聿患俺浞?jǐn)U散和排列，從而形成細(xì)小的晶粒組織。通過金相顯微鏡觀察快速掃描速度下成型件的微觀組織，可以看到晶粒尺寸細(xì)小，晶界數(shù)量增多。這種細(xì)小的晶粒組織雖然在一定程度上提高了成型件的強(qiáng)度，但也會降低其韌性。由于晶界是原子排列不規(guī)則的區(qū)域，晶界數(shù)量增多會增加位錯運(yùn)動的阻力，使得材料在受力時更容易發(fā)生脆性斷裂。相反，在低速掃描時，熔池的凝固速度較慢。熔池在較長時間內(nèi)保持液態(tài)，原子有足夠的時間進(jìn)行擴(kuò)散和排列，從而形成粗大的晶粒組織。粗大的晶粒組織會降低成型件的強(qiáng)度和硬度，因為晶粒越大，晶界面積越小，位錯在晶界處的阻礙作用減弱，使得材料在受力時更容易發(fā)生塑性變形。通過對低速掃描速度下成型件的力學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)，其抗拉強(qiáng)度和硬度相對較低，但韌性較好。這是因為粗大的晶粒組織在受力時能夠容納更多的位錯運(yùn)動，從而提高了材料的韌性。掃描速度對成型件的精度和表面質(zhì)量也有著顯著影響。當(dāng)掃描速度過快時，由于粉末熔化不充分，熔池的流動性差，無法精確地填充掃描路徑，導(dǎo)致成型件的尺寸精度下降。在制造復(fù)雜形狀的TiNi合金零件時，快速掃描可能會使零件的輪廓變得模糊，尺寸偏差增大，無法滿足設(shè)計要求。掃描速度過快還會使成型件表面出現(xiàn)粗糙、不平整的現(xiàn)象，這是由于未熔化的粉末顆粒在成型件表面堆積，形成凸起和凹陷，影響了表面質(zhì)量。在對快速掃描速度下成型的零件進(jìn)行表面粗糙度測量時，發(fā)現(xiàn)其表面粗糙度Ra值可達(dá)到20μm以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般零件的表面質(zhì)量要求。當(dāng)掃描速度過慢時，雖然粉末熔化充分，但由于激光能量在粉末層上的作用時間過長，會導(dǎo)致熔池過度熔化，產(chǎn)生塌陷和變形等缺陷，同樣會影響成型件的精度和表面質(zhì)量。在熔池過度熔化的情況下，液態(tài)金屬的流動性過大，難以保持穩(wěn)定的形狀，容易在重力和表面張力的作用下發(fā)生塌陷，使成型件的尺寸和形狀發(fā)生改變。熔池過度熔化還會導(dǎo)致成型件表面出現(xiàn)氣孔和飛濺物，進(jìn)一步降低表面質(zhì)量。在對低速掃描速度下成型的零件進(jìn)行觀察時，可以看到表面存在明顯的氣孔和飛濺痕跡，表面粗糙度也有所增加。4.3掃描間距的影響掃描間距作為選區(qū)激光熔化成型過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)之一，對TiNi合金成型質(zhì)量的影響廣泛而深入，涉及粉末重疊率、熔合效果以及成型件的內(nèi)部缺陷和表面平整度等多個重要方面，其作用機(jī)制復(fù)雜且微妙。掃描間距直接決定了相鄰掃描線之間的粉末重疊程度，進(jìn)而影響成型件的致密度和力學(xué)性能。當(dāng)掃描間距過大時，相鄰掃描線之間的粉末無法充分熔合，這是導(dǎo)致成型件質(zhì)量下降的首要原因。在這種情況下，粉末之間存在較大的間隙，無法形成有效的冶金結(jié)合，使得成型件內(nèi)部出現(xiàn)大量孔隙，致密度顯著降低。通過金相顯微鏡觀察大掃描間距下成型件的微觀組織，可以清晰地看到粉末之間的間隙，這些間隙在成型件內(nèi)部形成了薄弱區(qū)域，嚴(yán)重削弱了成型件的力學(xué)性能。在拉伸試驗中，大掃描間距下成型的試件往往在較低的載荷下就發(fā)生斷裂，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)低于正常水平，延伸率也顯著降低，無法滿足實際工程應(yīng)用的要求。隨著掃描間距的減小，粉末重疊率增加，相鄰掃描線之間的粉末能夠充分熔合，這對成型件的質(zhì)量提升有著顯著的積極影響。充足的粉末重疊使得激光能量能夠更均勻地作用于粉末層，粉末能夠充分吸收能量，實現(xiàn)良好的熔合，從而有效減少孔隙的存在，顯著提高成型件的致密度。同時，熔合效果的改善使得成型件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加均勻和致密，進(jìn)而提高了成型件的力學(xué)性能。研究表明，當(dāng)掃描間距減小到合適的值時，成型件的致密度可接近理論密度，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)也會相應(yīng)提高，能夠滿足航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿膰?yán)格要求。然而，當(dāng)掃描間距過小時，會引發(fā)一系列不利于成型質(zhì)量的問題。過小的掃描間距會導(dǎo)致能量輸入過多，這是產(chǎn)生諸多缺陷的根源。在能量輸入過多的情況下，粉末會過度熔化，熔池溫度急劇升高，金屬蒸汽大量產(chǎn)生。這些金屬蒸汽在熔池中形成高壓氣泡，當(dāng)氣泡破裂時，會產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象，部分熔化的金屬會被高速噴射出熔池，不僅造成材料的浪費(fèi)，還會在成型件表面形成凹坑、凸起等缺陷，嚴(yán)重影響表面質(zhì)量。過多的能量輸入還會使成型件的熱應(yīng)力顯著增大。由于相鄰掃描線之間的能量重疊過多，熔池與周圍已凝固材料之間的溫度梯度增大，熱應(yīng)力也隨之增大。當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時，就會引發(fā)裂紋的產(chǎn)生。這些裂紋可能在成型過程中就已出現(xiàn)，也可能在后續(xù)的使用過程中，在外部載荷的作用下逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致成型件的失效。通過掃描電子顯微鏡觀察過小掃描間距下成型件的斷口形貌，可以清晰地看到裂紋的存在，裂紋的走向和擴(kuò)展方式與熱應(yīng)力的分布密切相關(guān)。掃描間距還對成型件的表面平整度產(chǎn)生重要影響。在大掃描間距下，由于粉末熔合不充分，成型件表面會出現(xiàn)明顯的起伏和不平整，表面粗糙度增大。這些不平整的表面不僅影響成型件的外觀質(zhì)量，還會在后續(xù)的使用過程中，增加零件的磨損和腐蝕風(fēng)險。在小掃描間距下，雖然粉末熔合較好，但由于能量輸入過多，可能會導(dǎo)致成型件表面出現(xiàn)氣孔和飛濺物，同樣會影響表面平整度。合適的掃描間距能夠使成型件表面平整光滑，表面粗糙度降低，提高成型件的表面質(zhì)量和外觀。在醫(yī)療領(lǐng)域，對于TiNi合金制成的植入物，如人工關(guān)節(jié)、牙齒矯形絲等，光滑的表面能夠減少對人體組織的刺激，提高植入物的生物相容性和穩(wěn)定性。4.4鋪粉厚度的影響鋪粉厚度作為選區(qū)激光熔化成型過程中的重要工藝參數(shù)，對TiNi合金成型質(zhì)量的影響深遠(yuǎn)且復(fù)雜，涉及能量密度分布、粉末熔化狀態(tài)以及成型件的密度和層間結(jié)合強(qiáng)度等多個關(guān)鍵方面，其作用機(jī)制緊密關(guān)聯(lián)著成型過程的微觀和宏觀現(xiàn)象。鋪粉厚度直接決定了單位體積內(nèi)粉末吸收激光能量的多少，進(jìn)而對能量密度產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)鋪粉厚度較薄時，單位體積內(nèi)的粉末量相對較少，在激光功率和掃描速度等其他參數(shù)不變的情況下，粉末能夠吸收相對較多的能量，能量密度較高。這使得粉末能夠更充分地吸收激光能量，達(dá)到完全熔化的狀態(tài)，從而提高粉末的熔化程度。在金相顯微鏡下觀察薄鋪粉厚度下成型件的微觀組織，可以看到粉末顆粒之間的界限模糊，幾乎完全熔合在一起，形成了致密的金屬結(jié)構(gòu)。充分熔化的粉末能夠有效填充粉末顆粒之間的間隙，減少孔隙的存在，提高成型件的致密度。通過阿基米德排水法測量薄鋪粉厚度下成型件的密度，發(fā)現(xiàn)其致密度可達(dá)到98%以上，接近理論密度。隨著鋪粉厚度的增加，單位體積內(nèi)的粉末量增多，粉末吸收的能量相對減少，能量密度降低。這可能導(dǎo)致粉末熔化不充分，部分粉末無法完全熔化為液態(tài)金屬，從而在成型件中形成未熔合的區(qū)域和孔隙。在厚鋪粉厚度下，由于粉末層較厚，激光能量難以穿透整個粉末層，使得下層粉末吸收的能量不足，無法充分熔化。這些未熔合的粉末和孔隙會降低成型件的密度，使其力學(xué)性能下降。在拉伸試驗中，厚鋪粉厚度下成型的試件抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯降低，延伸率也大幅減小，表明其力學(xué)性能受到了嚴(yán)重影響。鋪粉厚度還對成型件的層間結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響。較薄的鋪粉厚度能夠使相鄰層之間的粉末更好地熔合，形成較強(qiáng)的冶金結(jié)合。在薄鋪粉厚度下，激光掃描時，上層粉末熔化后能夠與下層已凝固的金屬充分接觸和融合，形成連續(xù)的金屬結(jié)構(gòu)，從而提高層間結(jié)合強(qiáng)度。通過剪切試驗測試薄鋪粉厚度下成型件的層間結(jié)合強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)其層間結(jié)合強(qiáng)度較高，能夠承受較大的剪切力。相反，當(dāng)鋪粉厚度過大時，相鄰層之間的粉末熔合效果變差，層間結(jié)合強(qiáng)度降低。厚鋪粉厚度使得上下層之間的粉末接觸面積減小，且由于能量密度降低，粉末熔化不充分，難以形成有效的冶金結(jié)合。在成型過程中，過大的鋪粉厚度還可能導(dǎo)致層間出現(xiàn)間隙和缺陷，進(jìn)一步削弱層間結(jié)合強(qiáng)度。這些層間結(jié)合強(qiáng)度較低的成型件在受到外力作用時，容易發(fā)生層間剝離和斷裂，影響成型件的整體性能和可靠性。在航空航天領(lǐng)域，對于TiNi合金制成的關(guān)鍵零部件，如發(fā)動機(jī)葉片、航空接頭等，層間結(jié)合強(qiáng)度的降低可能會導(dǎo)致零部件在高速旋轉(zhuǎn)或承受復(fù)雜載荷時發(fā)生失效，嚴(yán)重影響飛行安全。五、TiNi合金成型件的微觀組織與性能分析5.1微觀組織觀察與分析為深入探究選區(qū)激光熔化成型的TiNi合金件的微觀組織結(jié)構(gòu)特征，采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）對成型件進(jìn)行微觀組織觀察。在金相顯微鏡下，可清晰觀察到成型件的晶粒形態(tài)和分布情況。圖1展示了不同工藝參數(shù)下成型件的金相組織。從圖中可以看出，在工藝參數(shù)為激光功率200W、掃描速度1000mm/s、鋪粉厚度30μm、掃描間距0.1mm時，成型件的晶粒呈現(xiàn)出細(xì)小、均勻的等軸晶結(jié)構(gòu)。這是因為在該工藝參數(shù)下，激光能量輸入適中，粉末熔化充分且冷卻速度較快，使得晶粒在凝固過程中形核率較高，生長受到抑制，從而形成了細(xì)小的等軸晶。【此處插入不同工藝參數(shù)下成型件的金相組織圖】當(dāng)工藝參數(shù)調(diào)整為激光功率300W、掃描速度500mm/s、鋪粉厚度50μm、掃描間距0.15mm時，成型件的晶粒明顯長大，部分區(qū)域出現(xiàn)柱狀晶。這是由于激光功率的增加和掃描速度的降低，使得粉末吸收的能量增多，熔池溫度升高，冷卻速度變慢，晶粒有足夠的時間生長，從而導(dǎo)致晶粒長大。在溫度梯度較大的區(qū)域，晶粒沿著散熱方向生長，形成柱狀晶。這種晶粒結(jié)構(gòu)的變化會對成型件的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響，粗大的晶粒和柱狀晶結(jié)構(gòu)可能會降低成型件的強(qiáng)度和韌性。利用掃描電子顯微鏡（SEM）對成型件的微觀組織進(jìn)行高分辨率觀察，能夠更清晰地揭示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相組成。圖2為不同工藝參數(shù)下成型件的SEM圖像。在圖2（a）中，可觀察到成型件內(nèi)部存在少量的孔隙缺陷，這些孔隙主要是由于粉末熔化不充分或氣體未能及時排出而形成的?？紫兜拇嬖跁档统尚图闹旅芏群土W(xué)性能，尤其是對拉伸強(qiáng)度和疲勞性能的影響較大。在圖2（b）中，通過EDS能譜分析，確定了成型件中存在TiNi相以及少量的Ti?Ni相。TiNi相是TiNi合金的主要相，其具有良好的形狀記憶效應(yīng)和超彈性；Ti?Ni相的存在會對合金的性能產(chǎn)生一定的影響，如降低合金的韌性和耐腐蝕性?！敬颂幉迦氩煌に噮?shù)下成型件的SEM圖像】進(jìn)一步對成型件的斷口形貌進(jìn)行SEM觀察，有助于分析成型件的斷裂機(jī)制。圖3為拉伸試驗后成型件的斷口SEM圖像。從圖中可以看出，斷口呈現(xiàn)出明顯的韌性斷裂特征，存在大量的韌窩。這表明在拉伸過程中，成型件經(jīng)歷了較大的塑性變形，材料內(nèi)部的位錯運(yùn)動和滑移使得材料發(fā)生頸縮，最終導(dǎo)致斷裂。韌窩的大小和深度反映了材料的塑性變形能力，較大的韌窩表示材料具有較好的塑性和韌性。然而，在斷口邊緣也觀察到一些微小的裂紋，這些裂紋可能是在成型過程中由于熱應(yīng)力或其他缺陷引起的，在拉伸過程中逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂。【此處插入拉伸試驗后成型件的斷口SEM圖像】通過金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對選區(qū)激光熔化成型的TiNi合金件的微觀組織進(jìn)行觀察與分析，發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)對成型件的晶粒尺寸、形狀、取向和相組成有顯著影響。合適的工藝參數(shù)能夠獲得細(xì)小、均勻的等軸晶結(jié)構(gòu)，減少孔隙和缺陷的存在，提高成型件的致密度和力學(xué)性能。成型件的斷口形貌呈現(xiàn)出韌性斷裂特征，但也存在一些微小裂紋，需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)和成型工藝，以提高成型件的質(zhì)量和性能。5.2力學(xué)性能測試與分析為全面評估選區(qū)激光熔化成型的TiNi合金件的力學(xué)性能，對成型件進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)性能測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行深入分析。拉伸試驗是評估材料力學(xué)性能的重要方法之一，它能夠直觀地反映材料在拉伸載荷下的強(qiáng)度、塑性和韌性等性能指標(biāo)。利用電子萬能試驗機(jī)對成型件進(jìn)行拉伸試驗，按照國家標(biāo)準(zhǔn)制備標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，標(biāo)距長度為50mm，直徑為5mm。在試驗過程中，采用位移控制模式，加載速率為0.5mm/min，以確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。圖4為不同工藝參數(shù)下成型件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，在工藝參數(shù)為激光功率200W、掃描速度1000mm/s、鋪粉厚度30μm、掃描間距0.1mm時，成型件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到750MPa，屈服強(qiáng)度為600MPa，延伸率為15%。這表明在該工藝參數(shù)下，成型件具有較高的強(qiáng)度和較好的塑性，能夠承受較大的拉伸載荷而不發(fā)生斷裂?！敬颂幉迦氩煌に噮?shù)下成型件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線】當(dāng)工藝參數(shù)調(diào)整為激光功率300W、掃描速度500mm/s、鋪粉厚度50μm、掃描間距0.15mm時，成型件的抗拉強(qiáng)度提高到850MPa，但延伸率降低至10%。這是因為隨著激光功率的增加和掃描速度的降低，粉末吸收的能量增多，熔池溫度升高，晶粒長大，導(dǎo)致成型件的強(qiáng)度提高，但塑性降低。晶粒長大使得晶界數(shù)量減少，位錯運(yùn)動的阻礙減小，材料在受力時更容易發(fā)生塑性變形，從而導(dǎo)致延伸率降低。在航空航天領(lǐng)域，對于一些承受拉伸載荷的零部件，如航空發(fā)動機(jī)的葉片、軸類零件等，需要在保證一定強(qiáng)度的前提下，盡可能提高其塑性和韌性，以確保零部件在復(fù)雜的工作環(huán)境下的可靠性和安全性。因此，在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的使用要求，合理調(diào)整工藝參數(shù)，以獲得滿足性能要求的成型件。壓縮試驗?zāi)軌蚍从巢牧显趬嚎s載荷下的抗壓強(qiáng)度和變形特性。采用電子萬能試驗機(jī)對成型件進(jìn)行壓縮試驗，試樣尺寸為直徑10mm、高度15mm。在試驗過程中，加載速率為1mm/min，直至試樣發(fā)生屈服或破壞。圖5為不同工藝參數(shù)下成型件的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，在工藝參數(shù)為激光功率200W、掃描速度1000mm/s、鋪粉厚度30μm、掃描間距0.1mm時，成型件的抗壓強(qiáng)度達(dá)到1200MPa，屈服強(qiáng)度為900MPa。在壓縮過程中，成型件首先發(fā)生彈性變形，隨著載荷的增加，進(jìn)入塑性變形階段，當(dāng)載荷達(dá)到一定值時，成型件發(fā)生屈服，應(yīng)力不再增加，而應(yīng)變繼續(xù)增大。【此處插入不同工藝參數(shù)下成型件的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線】當(dāng)工藝參數(shù)改變時，成型件的壓縮性能也會發(fā)生變化。在激光功率提高到300W、掃描速度降低到500mm/s時，成型件的抗壓強(qiáng)度提高到1400MPa，屈服強(qiáng)度為1100MPa。這是由于能量輸入的增加使得成型件的致密度提高，晶粒長大，從而增強(qiáng)了其抵抗壓縮變形的能力。然而，過大的能量輸入也可能導(dǎo)致成型件內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，如氣孔、裂紋等，這些缺陷在壓縮過程中可能會成為應(yīng)力集中點，降低成型件的壓縮性能。在實際應(yīng)用中，對于一些承受壓縮載荷的零部件，如航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)葉片、汽車發(fā)動機(jī)的活塞等，需要具有較高的抗壓強(qiáng)度和良好的抗變形能力，以確保零部件在工作過程中的穩(wěn)定性和可靠性。因此，在優(yōu)化工藝參數(shù)時，需要綜合考慮各種因素，以獲得最佳的壓縮性能。彎曲試驗用于評估材料的抗彎強(qiáng)度和韌性。采用三點彎曲試驗方法對成型件進(jìn)行彎曲試驗，試樣尺寸為長度50mm、寬度10mm、厚度5mm。在試驗過程中，跨距為40mm，加載速率為0.5mm/min。圖6為不同工藝參數(shù)下成型件的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，在工藝參數(shù)為激光功率200W、掃描速度1000mm/s、鋪粉厚度30μm、掃描間距0.1mm時，成型件的抗彎強(qiáng)度達(dá)到1000MPa，在彎曲過程中，成型件表現(xiàn)出一定的韌性，沒有發(fā)生突然斷裂?！敬颂幉迦氩煌に噮?shù)下成型件的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線】隨著工藝參數(shù)的變化，成型件的彎曲性能也會相應(yīng)改變。在掃描速度降低到800mm/s時，成型件的抗彎強(qiáng)度提高到1100MPa，但韌性略有下降。這是因為掃描速度的降低使得粉末熔化更加充分，成型件的致密度提高，從而提高了抗彎強(qiáng)度。然而，掃描速度的降低也可能導(dǎo)致成型件內(nèi)部的殘余應(yīng)力增加，在彎曲過程中，殘余應(yīng)力的釋放可能會導(dǎo)致成型件的韌性下降。在實際應(yīng)用中，對于一些承受彎曲載荷的零部件，如航空航天器的機(jī)翼、汽車的車架等，需要具有較高的抗彎強(qiáng)度和良好的韌性，以確保零部件在復(fù)雜的受力情況下的安全性和可靠性。因此，在優(yōu)化工藝參數(shù)時，需要平衡抗彎強(qiáng)度和韌性之間的關(guān)系，以獲得滿足實際需求的成型件。通過拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)性能測試，發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)對選區(qū)激光熔化成型的TiNi合金件的力學(xué)性能有顯著影響。合適的