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金属3D打印技术及其专用粉末的研究进展(2)

时间:2017-02-11 22:19 来源:南极熊 作者:中国3D打印网 阅读:
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2.1 激光工程化净成形技术( LENS) 
LENS是一种新的快速成形技术,它由美国Sandia国家实验室首先提出。其特点是: 直接制造形状结构复杂的金属功能零件或模具; 可加工的金属或合金材料范围广泛并能实现异质材料零件的制造; 可方便加工熔点高、难加工的材料。
  LENS是在激光熔覆技术的基础上发展起来的一种金属零件3D打印技术。采用中、大功率激光熔化同步供给的金属粉末,按照预设轨迹逐层沉积在基板上,最终形成金属零件。1999年,LENS工艺获得了美国工业界中“最富创造力的25项技术”之一的称号。国外研究人员研究了LENS工艺制备奥氏体不锈钢试件的硬度分布,结果表明随着加工层数的增加,试件的维氏硬度降低。
  国外研究人员应用LENS工艺制备了载重植入体的多孔和功能梯度结构,采用的材料为Ni、Ti等与人体具有良好相容性的合金,制备的植入体的孔隙率最高能达到70%,使用寿命达到7-12年。  Krishna等人采用Ti-6Al-4V和Co-Cr-Mo合金制备了多孔生物植入体,并研究了植入体的力学性能,发现孔隙率为10%时,杨氏模量达到90 GPa,当孔隙率为70%时,杨氏模量急剧降到2 GPa,这样就可以通过改变孔隙率,使植入体的力学性能与生物体适配。   Zhang等制备了网状的 Fe 基(Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr)金属玻璃(MG)组件,研究发现MG的显微硬度达到9.52 GPa。Li通过LENS工艺修复定向凝固高温合金GTD-111。国内的薛春芳等采用LENS工艺,获得微观组织、显微硬度和机械性能良好的网状的Co基高温合金薄壁零件。费群星等采用LENS工艺成型了无变形的Ni-Cu-Sn合金样品。

     在LENS系统中,同轴送粉器包括送粉 器、送粉头和保护气路3部分。送粉器包括粉末料箱和粉末定量送给机构,粉末的流量由步进电机的转速决定。为使金属粉末在自重作用下增加流动性,将送粉器架设在2. 5 m的高度上。从送粉器流出的金属粉末经粉末分割器平均分成4份并通过软管流入粉头,金属粉末从粉头的喷嘴喷射到激光焦点的位置完成熔化堆积过程。全部粉末路径由保护气体推动,保护气体将金属粉末与空气隔离,从而避免金属粉末氧化。LENS 系统同 轴送粉器结构示意图见图1。 目前,快速原型技术已经逐步趋于成熟,发达国家也将激光工程化净成形技术作为研究的重点,并取得了一些实质性成果。在实际应用中,可以利用该技术制作出功能复 合型材料,可以修复高附加值的钛合金叶片,也可以运用到直升机、客机、导弹的制作中。另外,还能将该技术运用于生物植入领域,采用与人体具有相容性的Ni、Ti材质制备植入体,有效提升了空隙率,延长了植入体的使用时长。

(责任编辑:中国3D打印网)

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