高溫合金薄壁件激光選區(qū)熔化成形關(guān)鍵工藝的深度剖析與創(chuàng)新探索

一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)的眾多領(lǐng)域中，高溫合金薄壁件憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢，占據(jù)著舉足輕重的地位，尤其是在航空航天領(lǐng)域，其重要性更是不言而喻。航空航天設(shè)備需要在極端復(fù)雜和惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，如高溫、高壓、高應(yīng)力以及強(qiáng)腐蝕等，這對(duì)零部件的材料性能提出了極為苛刻的要求。高溫合金具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，以及在高溫下穩(wěn)定的組織結(jié)構(gòu)，能夠滿足航空航天設(shè)備在高溫環(huán)境下長期可靠工作的需求。例如，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金薄壁件被廣泛應(yīng)用于燃燒室、渦輪葉片、導(dǎo)向器等關(guān)鍵部件。燃燒室作為發(fā)動(dòng)機(jī)中燃料燃燒的區(qū)域，需要承受高溫燃?xì)獾膹?qiáng)烈沖刷和劇烈的熱循環(huán)，高溫合金薄壁件能夠在這樣的環(huán)境下保持結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性，確保燃燒過程的高效進(jìn)行。渦輪葉片則是發(fā)動(dòng)機(jī)中能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，在高速旋轉(zhuǎn)過程中，不僅要承受巨大的離心力和熱應(yīng)力，還要抵抗高溫燃?xì)獾那治g，高溫合金薄壁件的高強(qiáng)度和良好的熱穩(wěn)定性使其能夠勝任這一關(guān)鍵任務(wù)，保障發(fā)動(dòng)機(jī)的高效運(yùn)行和可靠性。隨著航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)高溫合金薄壁件的性能和結(jié)構(gòu)要求也日益提高。一方面，為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和推重比，需要不斷提高其工作溫度和壓力，這就要求高溫合金薄壁件具備更高的高溫強(qiáng)度和更好的熱穩(wěn)定性；另一方面，為了減輕航空航天器的重量，提高其機(jī)動(dòng)性和燃油經(jīng)濟(jì)性，需要設(shè)計(jì)和制造出結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、壁厚更薄的高溫合金零部件。傳統(tǒng)的制造工藝，如鑄造、鍛造和機(jī)械加工等，在面對(duì)這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高性能要求的高溫合金薄壁件時(shí)，往往存在諸多局限性。鑄造工藝雖然能夠制造出形狀較為復(fù)雜的零件，但難以保證薄壁件的尺寸精度和內(nèi)部質(zhì)量，容易出現(xiàn)縮孔、疏松等缺陷；鍛造工藝對(duì)于復(fù)雜形狀的薄壁件加工難度較大，且材料利用率低；機(jī)械加工則會(huì)造成大量的材料浪費(fèi)，加工周期長，成本高昂，而且對(duì)于一些具有特殊結(jié)構(gòu)和形狀的薄壁件，甚至無法實(shí)現(xiàn)加工。激光選區(qū)熔化成形（SelectiveLaserMelting，SLM）技術(shù)作為一種先進(jìn)的增材制造技術(shù)，為高溫合金薄壁件的制造提供了新的解決方案，展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。該技術(shù)基于離散-堆積原理，通過高能激光束選擇性地熔化金屬粉末，逐層堆積形成三維實(shí)體零件。與傳統(tǒng)制造工藝相比，SLM技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢。首先，它能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的一體化制造，無需模具，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期和制造成本。對(duì)于航空航天領(lǐng)域中那些形狀復(fù)雜、難以通過傳統(tǒng)工藝加工的高溫合金薄壁件，SLM技術(shù)能夠輕松應(yīng)對(duì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造的高度一體化。其次，SLM技術(shù)具有極高的材料利用率，幾乎可以達(dá)到100%，這對(duì)于價(jià)格昂貴的高溫合金材料來說，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。在傳統(tǒng)制造工藝中，大量的材料會(huì)在加工過程中被切削掉，造成資源的浪費(fèi)，而SLM技術(shù)則避免了這一問題，能夠充分利用每一份材料。此外，SLM技術(shù)在制造過程中，由于激光束的快速加熱和冷卻，使得熔池的凝固速度極快，能夠獲得細(xì)小的晶粒組織和均勻的化學(xué)成分分布，從而顯著提高零件的力學(xué)性能。這種快速凝固的特點(diǎn)還能夠抑制合金元素的偏析，改善材料的微觀結(jié)構(gòu)，使高溫合金薄壁件在高溫下的性能更加穩(wěn)定。然而，盡管SLM技術(shù)在高溫合金薄壁件制造方面具有諸多優(yōu)勢，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，仍然面臨著一系列關(guān)鍵工藝問題的挑戰(zhàn)。例如，激光功率、掃描速度、掃描策略、粉末特性等工藝參數(shù)的選擇，都會(huì)對(duì)SLM成形過程中的溫度場、應(yīng)力場分布產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而影響零件的質(zhì)量和性能。如果激光功率過高，可能會(huì)導(dǎo)致粉末過度熔化，產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷；而激光功率過低，則會(huì)使粉末熔化不完全，影響零件的致密度。掃描速度過快，會(huì)使熔池來不及充分凝固，容易出現(xiàn)未熔合缺陷；掃描速度過慢，則會(huì)導(dǎo)致零件的熱積累過多，產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力和變形。此外，掃描策略的不合理選擇，如掃描方向、掃描間距等，也會(huì)影響零件的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和性能均勻性。粉末的特性，如粒度分布、流動(dòng)性、松裝密度等，同樣會(huì)對(duì)SLM成形過程產(chǎn)生重要影響。粒度不均勻的粉末可能會(huì)導(dǎo)致熔化不均勻，影響零件的質(zhì)量；流動(dòng)性差的粉末則會(huì)影響鋪粉的均勻性，進(jìn)而影響零件的精度和性能。研究SLM技術(shù)制造高溫合金薄壁件的關(guān)鍵工藝，對(duì)于推動(dòng)航空航天等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從航空航天領(lǐng)域來看，通過優(yōu)化SLM工藝參數(shù)，能夠制造出性能更加優(yōu)異、結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的高溫合金薄壁件，滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天器等裝備不斷升級(jí)的需求，提高我國航空航天裝備的自主創(chuàng)新能力和國際競爭力。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面，采用SLM技術(shù)制造的高溫合金薄壁件，能夠?qū)崿F(xiàn)零部件的輕量化設(shè)計(jì)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和推重比，降低燃油消耗，減少污染物排放，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的綠色、高效發(fā)展提供技術(shù)支持。在航天器領(lǐng)域，SLM技術(shù)制造的薄壁件能夠減輕航天器的重量，提高其運(yùn)載能力和運(yùn)行效率，為深空探測、衛(wèi)星通信等任務(wù)的順利實(shí)施提供保障。對(duì)于整個(gè)制造業(yè)而言，深入研究SLM技術(shù)的關(guān)鍵工藝，有助于推動(dòng)增材制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，促進(jìn)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。增材制造技術(shù)作為一種新興的制造技術(shù)，具有傳統(tǒng)制造工藝無法比擬的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)個(gè)性化定制、快速制造、復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造等，對(duì)于提高制造業(yè)的生產(chǎn)效率、降低成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量具有重要作用。通過攻克SLM技術(shù)在高溫合金薄壁件制造中的關(guān)鍵工藝難題，可以為增材制造技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供借鑒和參考，推動(dòng)增材制造技術(shù)在汽車、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)制造業(yè)向智能化、綠色化、個(gè)性化方向發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)優(yōu)化方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。在國外，德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（ILT）的研究人員對(duì)多種高溫合金進(jìn)行了SLM成形工藝研究，通過改變激光功率、掃描速度和掃描間距等參數(shù)，系統(tǒng)地分析了這些參數(shù)對(duì)成形件致密度、微觀組織和力學(xué)性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，提高激光功率和降低掃描速度可以增加熔池的能量輸入，從而提高成形件的致密度，但過高的激光功率和過低的掃描速度會(huì)導(dǎo)致熔池過熱，產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）利用先進(jìn)的原位監(jiān)測技術(shù)，如高速攝像機(jī)、紅外熱像儀等，實(shí)時(shí)監(jiān)測SLM成形過程中的熔池行為和溫度場變化，結(jié)合數(shù)值模擬方法，深入研究了工藝參數(shù)與熔池特性之間的關(guān)系，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了更準(zhǔn)確的依據(jù)。他們通過實(shí)驗(yàn)和模擬發(fā)現(xiàn)，掃描策略的選擇對(duì)熔池的穩(wěn)定性和溫度分布有顯著影響，合理的掃描策略可以減少熱應(yīng)力集中，提高成形件的質(zhì)量。國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)和高校也在工藝參數(shù)優(yōu)化方面取得了一系列成果。華南理工大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究了激光功率、掃描速度、鋪粉厚度和掃描間距等參數(shù)對(duì)鎳基高溫合金SLM成形件致密度和力學(xué)性能的影響規(guī)律。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，建立了工藝參數(shù)與致密度、力學(xué)性能之間的數(shù)學(xué)模型，并利用該模型進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化，成功制備出了致密度高、力學(xué)性能優(yōu)異的鎳基高溫合金零件。西北工業(yè)大學(xué)的研究人員針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金薄壁件的特點(diǎn)，開展了SLM成形工藝參數(shù)的優(yōu)化研究。他們通過優(yōu)化掃描策略和工藝參數(shù)，有效地控制了薄壁件的變形和殘余應(yīng)力，提高了薄壁件的尺寸精度和表面質(zhì)量。例如，采用分區(qū)掃描和交替掃描的策略，減少了薄壁件在成形過程中的熱積累，降低了殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，使薄壁件的尺寸精度控制在±0.1mm以內(nèi)。關(guān)于高溫合金薄壁件激光選區(qū)熔化成形的缺陷控制，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了深入研究。在國外，英國伯明翰大學(xué)的學(xué)者對(duì)SLM成形過程中產(chǎn)生的氣孔、裂紋等缺陷進(jìn)行了詳細(xì)的分析。他們發(fā)現(xiàn)，氣孔的形成主要與粉末的流動(dòng)性、熔池的氣體逸出以及掃描速度等因素有關(guān)。通過優(yōu)化粉末制備工藝，提高粉末的流動(dòng)性，以及合理調(diào)整掃描速度和激光功率，可以有效地減少氣孔的產(chǎn)生。對(duì)于裂紋的控制，他們提出了通過預(yù)熱基板、優(yōu)化掃描策略和添加微量元素等方法來降低熱應(yīng)力，抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展。日本的研究人員則利用超聲振動(dòng)輔助SLM成形技術(shù)，有效地減少了成形件中的氣孔和裂紋等缺陷。超聲振動(dòng)可以促進(jìn)熔池內(nèi)的氣體逸出，增強(qiáng)熔池的流動(dòng)性，使熔池中的金屬液更加均勻地分布，從而減少氣孔的形成。同時(shí)，超聲振動(dòng)還可以細(xì)化晶粒，提高材料的塑性和韌性，降低裂紋產(chǎn)生的可能性。國內(nèi)在缺陷控制方面也有不少研究成果。北京航空航天大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了SLM成形過程中的應(yīng)力分布和變形規(guī)律，提出了一系列減少殘余應(yīng)力和變形的措施。他們通過優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，增加支撐的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，有效地減少了零件在成形過程中的變形。同時(shí)，采用應(yīng)力釋放槽和預(yù)變形等方法，進(jìn)一步降低了殘余應(yīng)力，提高了零件的尺寸精度。南京航空航天大學(xué)的學(xué)者針對(duì)SLM成形高溫合金薄壁件容易出現(xiàn)的未熔合缺陷，通過優(yōu)化激光能量密度和掃描策略，提高了粉末的熔化程度和熔池之間的結(jié)合強(qiáng)度，有效地減少了未熔合缺陷的產(chǎn)生。他們還利用熱等靜壓（HIP）后處理工藝，對(duì)SLM成形件進(jìn)行處理，進(jìn)一步提高了零件的致密度和力學(xué)性能，消除了內(nèi)部的微小缺陷。在組織性能調(diào)控方面，國內(nèi)外研究也取得了豐富的成果。國外，法國國家科學(xué)研究中心（CNRS）的研究人員研究了熱處理工藝對(duì)SLM成形高溫合金組織和性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)，合適的固溶處理和時(shí)效處理可以顯著改善高溫合金的微觀組織和力學(xué)性能。固溶處理可以使合金中的第二相充分溶解，消除晶界和枝晶間的偏析，提高合金的均勻性；時(shí)效處理則可以促使細(xì)小的強(qiáng)化相析出，提高合金的強(qiáng)度和硬度。美國通用電氣公司（GE）通過對(duì)SLM成形高溫合金進(jìn)行熱機(jī)械處理，結(jié)合高溫鍛造和熱處理工藝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)合金組織的精確調(diào)控，使合金的高溫強(qiáng)度和疲勞性能得到了顯著提高。熱機(jī)械處理可以使合金的晶粒得到細(xì)化，形成更加均勻的組織結(jié)構(gòu)，同時(shí)還可以引入位錯(cuò)等缺陷，提高合金的強(qiáng)度和韌性。國內(nèi)的科研團(tuán)隊(duì)在組織性能調(diào)控方面也有重要進(jìn)展。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的學(xué)者研究了SLM成形過程中的冷卻速率對(duì)高溫合金微觀組織和力學(xué)性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)，快速冷卻可以使合金形成細(xì)小的晶粒和均勻的微觀組織，提高合金的強(qiáng)度和硬度，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致合金的塑性和韌性下降。通過控制冷卻速率和后續(xù)的熱處理工藝，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)合金組織和性能的優(yōu)化。例如，采用適當(dāng)?shù)睦鋮s速率和時(shí)效處理，可以在保證合金強(qiáng)度的同時(shí)，提高其塑性和韌性。上海交通大學(xué)的研究人員通過在高溫合金中添加微量元素，如鈮、鈦等，研究了微量元素對(duì)SLM成形合金組織和性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)，微量元素的添加可以細(xì)化晶粒，促進(jìn)強(qiáng)化相的析出，提高合金的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能。同時(shí)，微量元素還可以改善合金的加工性能，提高SLM成形的質(zhì)量和效率。盡管國內(nèi)外在高溫合金薄壁件激光選區(qū)熔化成形工藝方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足和待解決的問題。在工藝參數(shù)優(yōu)化方面，目前的研究大多集中在單一材料和簡單結(jié)構(gòu)的零件上，對(duì)于復(fù)雜成分的高溫合金和具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的薄壁件，工藝參數(shù)的優(yōu)化還需要進(jìn)一步深入研究。同時(shí)，工藝參數(shù)之間的相互作用和協(xié)同效應(yīng)尚未完全明確，需要建立更加完善的數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化算法，以實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的全局優(yōu)化。在缺陷控制方面，雖然已經(jīng)提出了一些有效的控制方法，但對(duì)于一些微觀缺陷，如微小氣孔、微裂紋等，仍然缺乏有效的檢測和控制手段。此外，缺陷形成的機(jī)理還需要進(jìn)一步深入研究，以便為缺陷控制提供更加堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在組織性能調(diào)控方面，目前對(duì)SLM成形高溫合金的組織演變規(guī)律和強(qiáng)化機(jī)制的研究還不夠深入，特別是在高溫和復(fù)雜應(yīng)力條件下的組織性能變化規(guī)律，需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。同時(shí)，如何通過工藝調(diào)控實(shí)現(xiàn)高溫合金薄壁件在不同服役條件下的性能優(yōu)化，也是未來需要解決的重要問題。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在深入探究高溫合金薄壁件激光選區(qū)熔化成形的關(guān)鍵工藝，通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析，揭示工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響規(guī)律，明確缺陷形成機(jī)制并提出有效的控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)成形件微觀組織和力學(xué)性能的調(diào)控。具體研究內(nèi)容如下：工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響研究：全面研究激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉厚度等主要工藝參數(shù)對(duì)高溫合金薄壁件致密度、尺寸精度和表面質(zhì)量的影響規(guī)律。通過單因素實(shí)驗(yàn)，逐一改變各工藝參數(shù)，觀察和分析其對(duì)成形質(zhì)量的單一影響。例如，固定其他參數(shù)，逐漸增加激光功率，研究其對(duì)熔池深度、寬度以及致密度的影響；改變掃描速度，分析其對(duì)粉末熔化程度、溫度場分布以及表面粗糙度的影響。在此基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，綜合考慮多個(gè)工藝參數(shù)的交互作用，設(shè)計(jì)多組實(shí)驗(yàn)方案，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，確定各工藝參數(shù)之間的交互關(guān)系，以及對(duì)成形質(zhì)量的綜合影響，建立工藝參數(shù)與成形質(zhì)量之間的數(shù)學(xué)模型，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。缺陷形成機(jī)制與控制方法研究：深入分析激光選區(qū)熔化成形高溫合金薄壁件過程中常見的氣孔、裂紋、未熔合等缺陷的形成機(jī)制。通過掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）等微觀分析手段，對(duì)缺陷部位的微觀組織和化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)合溫度場、應(yīng)力場的數(shù)值模擬結(jié)果，揭示缺陷形成的內(nèi)在原因。例如，對(duì)于氣孔缺陷，研究粉末的流動(dòng)性、氣體逸出行為以及熔池的凝固特性對(duì)氣孔形成的影響；對(duì)于裂紋缺陷，分析熱應(yīng)力、組織應(yīng)力以及合金元素偏析等因素在裂紋萌生和擴(kuò)展過程中的作用。針對(duì)不同的缺陷類型，提出相應(yīng)的控制方法。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，如調(diào)整激光能量密度、掃描策略等，減少缺陷的產(chǎn)生；采用預(yù)熱基板、添加支撐結(jié)構(gòu)等工藝措施，降低熱應(yīng)力和變形，抑制裂紋的萌生；研究粉末的預(yù)處理方法，如篩分、干燥等，提高粉末的質(zhì)量和流動(dòng)性，減少氣孔和未熔合缺陷。微觀組織與力學(xué)性能調(diào)控研究：研究激光選區(qū)熔化成形過程中高溫合金的微觀組織演變規(guī)律，以及微觀組織與力學(xué)性能之間的關(guān)系。利用電子背散射衍射（EBSD）、透射電子顯微鏡（TEM）等先進(jìn)的微觀分析技術(shù)，對(duì)成形件不同部位的微觀組織進(jìn)行表征，包括晶粒尺寸、取向、晶界特征以及第二相的析出情況等。分析激光掃描速度、冷卻速率等工藝參數(shù)對(duì)微觀組織的影響，建立微觀組織演變的數(shù)學(xué)模型。通過拉伸試驗(yàn)、硬度測試、疲勞試驗(yàn)等力學(xué)性能測試方法，研究微觀組織對(duì)高溫合金薄壁件室溫及高溫力學(xué)性能的影響規(guī)律。例如，研究晶粒細(xì)化、第二相強(qiáng)化等機(jī)制對(duì)合金強(qiáng)度、塑性和疲勞性能的影響。通過優(yōu)化工藝參數(shù)和后續(xù)熱處理工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫合金薄壁件微觀組織和力學(xué)性能的有效調(diào)控，提高其綜合性能。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析等多種研究方法：實(shí)驗(yàn)研究：搭建激光選區(qū)熔化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選用合適的高溫合金粉末和基板材料，進(jìn)行高溫合金薄壁件的成形實(shí)驗(yàn)。采用單因素實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響。對(duì)成形件進(jìn)行致密度測試、尺寸精度測量和表面質(zhì)量檢測，利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀等設(shè)備對(duì)成形件的微觀組織和化學(xué)成分進(jìn)行分析，通過拉伸試驗(yàn)、硬度測試、疲勞試驗(yàn)等力學(xué)性能測試方法，獲取成形件的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)研究能夠直觀地獲取工藝參數(shù)與成形質(zhì)量、微觀組織和力學(xué)性能之間的關(guān)系，為數(shù)值模擬和理論分析提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。數(shù)值模擬：利用有限元分析軟件，建立激光選區(qū)熔化成形過程的數(shù)值模型，模擬成形過程中的溫度場、應(yīng)力場和流場分布。通過數(shù)值模擬，深入研究工藝參數(shù)對(duì)溫度場、應(yīng)力場的影響規(guī)律，預(yù)測成形件的變形和殘余應(yīng)力分布，分析缺陷形成的原因。將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，不斷優(yōu)化數(shù)值模型，提高模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。數(shù)值模擬能夠在計(jì)算機(jī)上模擬復(fù)雜的物理過程，節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間，為工藝參數(shù)的優(yōu)化和缺陷控制提供理論指導(dǎo)。理論分析：基于傳熱學(xué)、力學(xué)、材料科學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)激光選區(qū)熔化成形過程中的物理現(xiàn)象進(jìn)行理論分析。建立溫度場、應(yīng)力場的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)相關(guān)的計(jì)算公式，分析工藝參數(shù)與溫度場、應(yīng)力場之間的定量關(guān)系。研究微觀組織演變的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)制，建立微觀組織演變的理論模型，解釋微觀組織與力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。理論分析能夠從本質(zhì)上揭示激光選區(qū)熔化成形過程的物理規(guī)律，為實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬提供理論基礎(chǔ)。二、激光選區(qū)熔化成形技術(shù)原理與特點(diǎn)2.1技術(shù)基本原理激光選區(qū)熔化成形技術(shù)基于離散-堆積原理，將三維實(shí)體模型通過數(shù)字化處理，離散成一系列二維切片，再通過激光束逐層熔化金屬粉末并堆積，最終實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體零件的制造，其過程主要包含以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：三維模型構(gòu)建與切片處理：首先，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件，依據(jù)所需制造的高溫合金薄壁件的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)要求，構(gòu)建精確的三維實(shí)體模型。該模型是零件制造的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和合理性直接影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫合金薄壁燃燒室為例，在CAD軟件中，工程師需精確設(shè)計(jì)其復(fù)雜的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)、薄壁的厚度分布以及與其他部件的連接部位等，確保燃燒室在高溫、高壓的惡劣工作環(huán)境下能夠穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高效的燃燒過程。完成三維模型構(gòu)建后，利用專門的切片軟件對(duì)模型進(jìn)行分層切片處理。切片軟件會(huì)沿著零件的成形方向，按照設(shè)定的層厚（通常在0.02-0.05mm之間），將三維模型切割成一系列具有一定厚度的二維截面輪廓數(shù)據(jù)。這些截面輪廓數(shù)據(jù)包含了每一層的幾何形狀、尺寸以及在三維空間中的位置信息，為后續(xù)的激光掃描提供了精確的路徑規(guī)劃依據(jù)。對(duì)于復(fù)雜形狀的高溫合金薄壁件，合理選擇切片層厚至關(guān)重要。較小的層厚能夠提高零件的成形精度和表面質(zhì)量，但會(huì)增加打印時(shí)間和數(shù)據(jù)處理量；較大的層厚則可以提高打印效率，但可能會(huì)導(dǎo)致零件表面粗糙度增加，精度降低。因此，需要根據(jù)零件的具體要求和實(shí)際生產(chǎn)情況，權(quán)衡選擇合適的層厚。粉末鋪展與激光掃描熔化：在鋪粉系統(tǒng)的作用下，將高溫合金粉末均勻地鋪灑在打印平臺(tái)上，形成一層具有一定厚度的粉末層。鋪粉過程要求粉末均勻分布，以確保后續(xù)激光掃描熔化時(shí)，粉末能夠均勻受熱熔化，保證零件的質(zhì)量一致性。為實(shí)現(xiàn)均勻鋪粉，通常采用刮刀式鋪粉或滾輪式鋪粉方式。刮刀式鋪粉通過刮刀將粉末從送粉裝置刮向打印平臺(tái)，形成平整的粉末層；滾輪式鋪粉則利用滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)將粉末均勻地鋪展在平臺(tái)上。在鋪粉過程中，需要精確控制粉末的鋪粉厚度和均勻性，一般鋪粉厚度與切片層厚相等，以保證每層粉末能夠被充分熔化并與下層良好結(jié)合。鋪粉完成后，高能激光束在數(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(duì)粉末層進(jìn)行選擇性掃描。當(dāng)激光束照射到粉末上時(shí)，其高能量密度使粉末迅速吸收能量，溫度急劇升高，達(dá)到粉末的熔點(diǎn)并熔化，形成微小的熔池。隨著激光束的移動(dòng)，熔池不斷向前推進(jìn)，新熔化的粉末與已凝固的金屬層相互融合，在熔池后方，液態(tài)金屬迅速冷卻凝固，與下層已固化的金屬實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，從而完成一層粉末的熔化堆積過程。激光功率、掃描速度和掃描間距等參數(shù)對(duì)熔池的尺寸、形狀和溫度分布有著顯著影響，進(jìn)而影響零件的致密度、微觀組織和力學(xué)性能。較高的激光功率和較慢的掃描速度會(huì)使熔池獲得更多的能量輸入，熔池尺寸增大，有利于提高粉末的熔化程度和零件的致密度，但可能會(huì)導(dǎo)致熱積累過多，產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力和變形；相反，較低的激光功率和較快的掃描速度會(huì)使熔池能量輸入減少，可能導(dǎo)致粉末熔化不完全，出現(xiàn)未熔合缺陷。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)材料特性和零件要求，優(yōu)化選擇合適的激光工藝參數(shù)。逐層堆積與零件成形：完成一層粉末的熔化堆積后，打印平臺(tái)下降一個(gè)層厚的距離，鋪粉系統(tǒng)再次鋪灑一層新的粉末，重復(fù)上述激光掃描熔化過程，使新的粉末層與已固化的層依次疊加，層層堆積。在堆積過程中，每一層都緊密地與下層結(jié)合，逐漸形成完整的三維實(shí)體零件。隨著堆積層數(shù)的不斷增加，零件的形狀逐漸顯現(xiàn)，直至完成整個(gè)高溫合金薄壁件的制造。在逐層堆積過程中，零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部輪廓逐漸成型。對(duì)于具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如多孔結(jié)構(gòu)、晶格結(jié)構(gòu)等）的高溫合金薄壁件，激光選區(qū)熔化技術(shù)能夠通過精確控制激光掃描路徑，實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的直接制造，無需額外的模具或支撐結(jié)構(gòu)，大大提高了制造的靈活性和效率。然而，在堆積過程中，由于熱應(yīng)力的作用，零件可能會(huì)出現(xiàn)變形、開裂等缺陷。為了減少這些缺陷的產(chǎn)生，需要采取一系列措施，如優(yōu)化掃描策略（采用分區(qū)掃描、交替掃描等方式）、添加支撐結(jié)構(gòu)（對(duì)于懸空結(jié)構(gòu)或薄壁結(jié)構(gòu)）、控制打印環(huán)境溫度等，以保證零件的精度和質(zhì)量。激光選區(qū)熔化成形技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造的原理在于其數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的高度融合，以及逐層堆積的加工方式。通過CAD軟件的三維建模，可以設(shè)計(jì)出任意復(fù)雜形狀的零件模型，不受傳統(tǒng)制造工藝中模具和加工方法的限制。在制造過程中，激光束能夠精確地按照預(yù)設(shè)路徑選擇性地熔化粉末，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件每個(gè)細(xì)節(jié)的精確控制，無論是具有復(fù)雜曲面、內(nèi)部空洞還是薄壁結(jié)構(gòu)的零件，都能夠通過逐層堆積的方式逐步構(gòu)建而成。這種制造方式打破了傳統(tǒng)制造工藝的局限性，為高溫合金薄壁件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制造提供了廣闊的空間。2.2技術(shù)特點(diǎn)分析激光選區(qū)熔化成形技術(shù)在制造高溫合金薄壁件方面具有一系列顯著優(yōu)勢，同時(shí)也面臨著一些挑戰(zhàn)，具體如下：2.2.1技術(shù)優(yōu)勢高精度與復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形能力：激光選區(qū)熔化成形技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)極高的成形精度，其尺寸精度通?？煽刂圃凇?.1mm以內(nèi)，這對(duì)于制造對(duì)尺寸精度要求苛刻的高溫合金薄壁件至關(guān)重要。例如，在制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫合金薄壁葉片時(shí)，其復(fù)雜的曲面形狀和精確的尺寸要求，傳統(tǒng)制造工藝難以滿足，而激光選區(qū)熔化技術(shù)憑借其高精度的特點(diǎn)，能夠精確地復(fù)制設(shè)計(jì)模型，確保葉片的幾何形狀和尺寸精度符合設(shè)計(jì)要求，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率。該技術(shù)還具有無與倫比的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造能力，能夠直接制造出具有內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如內(nèi)部冷卻通道、多孔結(jié)構(gòu)等）和異形表面的高溫合金薄壁件。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的薄壁結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部通常設(shè)計(jì)有復(fù)雜的冷卻通道，以確保在高溫環(huán)境下的正常工作。激光選區(qū)熔化技術(shù)可以通過數(shù)字化設(shè)計(jì)，直接將這些復(fù)雜的冷卻通道與薄壁結(jié)構(gòu)一體化制造出來，無需像傳統(tǒng)工藝那樣進(jìn)行多次加工和組裝，大大提高了制造效率和零件的可靠性。這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的直接制造能力，不僅為高溫合金薄壁件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了廣闊的空間，還能夠?qū)崿F(xiàn)零件的輕量化設(shè)計(jì)，提高零件的性能和降低成本。材料利用率高：在傳統(tǒng)的高溫合金加工工藝中，如鍛造、機(jī)械加工等，大量的原材料會(huì)在加工過程中被切削掉，形成廢料，材料利用率通常較低，一般在30%-50%左右。而激光選區(qū)熔化成形技術(shù)采用逐層堆積的制造方式，根據(jù)零件的三維模型，精確地將金屬粉末熔化并堆積在需要的位置，幾乎可以實(shí)現(xiàn)材料的零浪費(fèi)，材料利用率理論上可接近100%。對(duì)于價(jià)格昂貴的高溫合金材料來說，高材料利用率具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。以制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫合金渦輪盤為例，傳統(tǒng)工藝需要大量的原材料進(jìn)行加工，成本高昂，而采用激光選區(qū)熔化技術(shù)，能夠顯著減少原材料的消耗，降低制造成本，同時(shí)也減少了廢料的產(chǎn)生，有利于環(huán)境保護(hù)。制造周期短：傳統(tǒng)的高溫合金薄壁件制造工藝，如鑄造、鍛造等，通常需要制作模具，模具的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試過程復(fù)雜且耗時(shí)，往往需要數(shù)月甚至更長時(shí)間。而激光選區(qū)熔化成形技術(shù)基于數(shù)字化模型，無需模具即可直接制造零件，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。從設(shè)計(jì)到制造，只需要將三維模型導(dǎo)入設(shè)備，經(jīng)過簡單的參數(shù)設(shè)置和切片處理，即可開始打印，整個(gè)過程通常只需要幾天甚至更短時(shí)間。對(duì)于航空航天領(lǐng)域的新產(chǎn)品研發(fā)，快速的制造周期能夠使企業(yè)更快地將產(chǎn)品推向市場，提高企業(yè)的競爭力。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)升級(jí)過程中，利用激光選區(qū)熔化技術(shù)，可以快速制造出新型的高溫合金薄壁件，進(jìn)行性能測試和優(yōu)化，加速發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)進(jìn)程。組織性能優(yōu)異：在激光選區(qū)熔化成形過程中，激光束的能量高度集中，使得粉末能夠快速熔化和凝固，冷卻速度極快，通?？蛇_(dá)103-10?℃/s。這種快速凝固過程能夠顯著細(xì)化晶粒，使高溫合金薄壁件獲得細(xì)小均勻的微觀組織。細(xì)小的晶粒不僅可以提高材料的強(qiáng)度和硬度，還能改善材料的塑性和韌性，提高零件的綜合力學(xué)性能?？焖倌踢€能夠抑制合金元素的偏析，使合金成分更加均勻，進(jìn)一步提高材料的性能穩(wěn)定性。對(duì)于高溫合金薄壁件在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下的工作，優(yōu)異的組織性能能夠確保其長期可靠運(yùn)行。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫環(huán)境下，激光選區(qū)熔化成形的高溫合金薄壁件能夠承受更高的溫度和應(yīng)力，具有更好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，延長了零件的使用壽命。2.2.2面臨的挑戰(zhàn)殘余應(yīng)力與變形問題：在激光選區(qū)熔化成形過程中，由于激光束的快速加熱和冷卻，使得零件在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷劇烈的溫度變化，從而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這種熱應(yīng)力在零件內(nèi)部不斷積累，當(dāng)超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致零件產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形。殘余應(yīng)力和變形會(huì)嚴(yán)重影響高溫合金薄壁件的尺寸精度和表面質(zhì)量，甚至可能導(dǎo)致零件報(bào)廢。對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)的高溫合金零件，由于其壁厚較薄，抵抗變形的能力較弱，更容易受到殘余應(yīng)力的影響而發(fā)生翹曲、扭曲等變形。為了減少殘余應(yīng)力和變形，需要采取一系列措施，如優(yōu)化掃描策略（采用分區(qū)掃描、交替掃描等方式）、添加支撐結(jié)構(gòu)（對(duì)于懸空結(jié)構(gòu)或薄壁結(jié)構(gòu)）、控制打印環(huán)境溫度等。通過優(yōu)化掃描策略，可以使零件在成形過程中受熱更加均勻，減少熱應(yīng)力的集中；添加支撐結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)零件的剛性，防止變形的發(fā)生；控制打印環(huán)境溫度可以降低零件與環(huán)境之間的溫度梯度，減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生。然而，這些措施雖然能夠在一定程度上緩解殘余應(yīng)力和變形問題，但并不能完全消除，仍然需要進(jìn)一步深入研究和優(yōu)化。缺陷問題：激光選區(qū)熔化成形高溫合金薄壁件過程中，容易出現(xiàn)氣孔、裂紋、未熔合等缺陷，這些缺陷會(huì)嚴(yán)重影響零件的力學(xué)性能和可靠性。氣孔的形成主要與粉末的特性（如粉末的流動(dòng)性、松裝密度等）、熔池的氣體逸出行為以及掃描速度等因素有關(guān)。如果粉末的流動(dòng)性差，在鋪粉過程中容易出現(xiàn)不均勻的情況，導(dǎo)致局部粉末堆積過多或過少，從而在熔化過程中形成氣孔；熔池中的氣體如果不能及時(shí)逸出，也會(huì)在凝固后形成氣孔。裂紋的產(chǎn)生則與熱應(yīng)力、組織應(yīng)力以及合金元素偏析等因素密切相關(guān)。在快速冷卻過程中，零件內(nèi)部的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致材料的局部開裂，形成裂紋；合金元素的偏析會(huì)使材料的性能不均勻，降低材料的韌性，增加裂紋產(chǎn)生的可能性。未熔合缺陷主要是由于激光能量不足、掃描速度過快或掃描間距過大等原因，導(dǎo)致粉末未能完全熔化，從而在零件內(nèi)部形成未熔合區(qū)域。這些缺陷的存在會(huì)降低零件的強(qiáng)度、韌性和疲勞性能，嚴(yán)重影響零件的使用壽命和安全性。為了減少缺陷的產(chǎn)生，需要對(duì)粉末進(jìn)行預(yù)處理（如篩分、干燥等），提高粉末的質(zhì)量和流動(dòng)性；優(yōu)化工藝參數(shù)（如調(diào)整激光能量密度、掃描速度、掃描間距等），確保粉末能夠充分熔化并實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合；采用合適的后處理工藝（如熱等靜壓、熱處理等），消除內(nèi)部缺陷，提高零件的致密度和力學(xué)性能。設(shè)備與材料成本高：激光選區(qū)熔化成形設(shè)備是一種高精度、復(fù)雜的機(jī)電一體化設(shè)備，其價(jià)格昂貴，通常在數(shù)百萬甚至上千萬元人民幣。設(shè)備的成本不僅包括購買費(fèi)用，還包括設(shè)備的維護(hù)、保養(yǎng)和運(yùn)行成本，如激光器的維護(hù)、粉末的更換、保護(hù)氣體的消耗等，這些都增加了零件的制造成本。高溫合金粉末的價(jià)格也相對(duì)較高，尤其是一些特殊成分和性能要求的高溫合金粉末，其制備工藝復(fù)雜，成本高昂。這使得激光選區(qū)熔化成形高溫合金薄壁件的總體成本較高，限制了該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。為了降低成本，一方面需要不斷研發(fā)和改進(jìn)設(shè)備，提高設(shè)備的性能和穩(wěn)定性，降低設(shè)備的制造成本和維護(hù)成本；另一方面，需要優(yōu)化粉末制備工藝，提高粉末的質(zhì)量和利用率，降低粉末的成本。還可以通過優(yōu)化工藝參數(shù)，提高生產(chǎn)效率，降低單位零件的制造成本。三、高溫合金薄壁件激光選區(qū)熔化成形關(guān)鍵工藝參數(shù)研究3.1激光功率對(duì)成形質(zhì)量的影響3.1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法為了深入研究激光功率對(duì)高溫合金薄壁件激光選區(qū)熔化成形質(zhì)量的影響，設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用鎳基高溫合金粉末作為原材料，該粉末具有良好的高溫強(qiáng)度、抗氧化性和抗熱腐蝕性，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域?；宀牧线x用與高溫合金粉末具有良好兼容性的不銹鋼，以確保在成形過程中能夠提供穩(wěn)定的支撐和良好的熱傳導(dǎo)性能。在實(shí)驗(yàn)過程中，保持掃描速度、掃描間距、鋪粉厚度等其他工藝參數(shù)恒定不變。掃描速度設(shè)定為1000mm/s，此速度在保證粉末能夠充分熔化的同時(shí)，避免了因速度過快導(dǎo)致的粉末熔化不完全或速度過慢引起的熱積累過多問題。掃描間距設(shè)置為0.1mm，確保相鄰掃描線之間能夠?qū)崿F(xiàn)良好的冶金結(jié)合，同時(shí)避免因間距過小導(dǎo)致的能量過度集中和過大導(dǎo)致的結(jié)合不充分。鋪粉厚度固定為0.03mm，這是根據(jù)前期的預(yù)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)研究確定的合適厚度，能夠保證每層粉末在激光掃描下均勻熔化，且與下層良好融合。改變激光功率，分別設(shè)置為150W、200W、250W、300W和350W五個(gè)不同的水平。每個(gè)激光功率水平下，制備三個(gè)尺寸為50mm×10mm×2mm的薄壁件試樣，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。在制備試樣時(shí)，采用相同的掃描策略，即采用分區(qū)掃描和交替掃描相結(jié)合的方式，以減少熱應(yīng)力的集中，提高成形質(zhì)量。掃描方向在每層之間旋轉(zhuǎn)67°，以避免因掃描方向單一導(dǎo)致的組織各向異性。利用高精度電子天平測量試樣的質(zhì)量，通過排水法測量試樣的體積，進(jìn)而計(jì)算出試樣的致密度。使用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)試樣的微觀組織進(jìn)行觀察，分析不同激光功率下晶粒的尺寸、形態(tài)和分布情況。采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，測量試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)，通過維氏硬度計(jì)測量試樣不同部位的硬度，以評(píng)估其硬度均勻性。3.1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析致密度分析：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著激光功率的增加，高溫合金薄壁件試樣的致密度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當(dāng)激光功率為150W時(shí)，由于能量輸入較低，粉末未能充分熔化，部分粉末之間僅通過機(jī)械咬合結(jié)合，導(dǎo)致試樣內(nèi)部存在較多的孔隙和未熔合區(qū)域，致密度僅為85.2%。隨著激光功率升高至200W，能量輸入增加，粉末的熔化程度提高，熔池的流動(dòng)性增強(qiáng)，能夠更好地填充孔隙，使致密度顯著提高至92.5%。當(dāng)激光功率進(jìn)一步增加到250W時(shí)，能量輸入更加充足，粉末完全熔化，熔池之間實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合，致密度達(dá)到最高值97.8%。然而，當(dāng)激光功率繼續(xù)增大到300W和350W時(shí)，過高的能量導(dǎo)致熔池過熱，氣體在熔池中難以逸出，形成氣孔缺陷，同時(shí)，過高的熱輸入還可能導(dǎo)致材料蒸發(fā)和飛濺，使致密度下降，分別為95.6%和93.1%。通過對(duì)不同激光功率下試樣致密度的分析可知，存在一個(gè)合適的激光功率范圍，能夠使粉末充分熔化并實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，從而獲得較高的致密度。在本實(shí)驗(yàn)條件下，250W左右的激光功率較為適宜。微觀組織分析：從掃描電子顯微鏡觀察到的微觀組織圖像可以看出，不同激光功率下高溫合金薄壁件的微觀組織存在明顯差異。當(dāng)激光功率為150W時(shí)，由于熔化不充分，晶粒生長受到限制，組織中存在大量的未熔粉末顆粒，晶粒尺寸較小且分布不均勻，呈現(xiàn)出細(xì)小的等軸晶和部分未熔粉末混合的狀態(tài)。隨著激光功率增加到200W，粉末熔化較為充分，熔池的凝固速度相對(duì)較慢，晶粒有更多的時(shí)間生長，開始出現(xiàn)柱狀晶，柱狀晶沿著熱流方向生長，且尺寸逐漸增大，組織的均勻性有所提高。當(dāng)激光功率達(dá)到250W時(shí)，熔池的能量充足，凝固過程中溫度梯度較大，柱狀晶生長更加明顯，且晶粒尺寸進(jìn)一步增大，組織更加致密和均勻。但當(dāng)激光功率增大到300W時(shí)，由于熱輸入過大，熔池的溫度過高，凝固速度加快，柱狀晶的生長受到抑制，同時(shí)，高溫導(dǎo)致晶粒粗化，出現(xiàn)一些粗大的等軸晶，組織的均勻性變差。當(dāng)激光功率為350W時(shí)，粗大的等軸晶更加明顯，且組織中存在較多的缺陷，如氣孔和裂紋等，這是由于過熱導(dǎo)致的組織不穩(wěn)定和缺陷產(chǎn)生。激光功率的變化會(huì)顯著影響高溫合金薄壁件的微觀組織形態(tài)和晶粒尺寸，合適的激光功率能夠促進(jìn)柱狀晶的生長，獲得均勻致密的微觀組織。力學(xué)性能分析：室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，激光功率對(duì)高溫合金薄壁件的力學(xué)性能有顯著影響。當(dāng)激光功率為150W時(shí)，由于致密度較低和微觀組織不均勻，試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較低，分別為450MPa和280MPa，延伸率也僅為8%。隨著激光功率增加到200W，致密度提高和微觀組織改善，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高到580MPa和360MPa，延伸率增加到12%。當(dāng)激光功率達(dá)到250W時(shí)，試樣的力學(xué)性能達(dá)到最佳，抗拉強(qiáng)度為650MPa，屈服強(qiáng)度為420MPa，延伸率為15%。這是因?yàn)樵谠摷す夤β氏?，致密度高且微觀組織均勻，能夠有效地抵抗外力的作用。然而，當(dāng)激光功率繼續(xù)增大到300W和350W時(shí)，由于致密度下降和微觀組織惡化，力學(xué)性能逐漸下降，抗拉強(qiáng)度分別降低到600MPa和550MPa，屈服強(qiáng)度分別為380MPa和350MPa，延伸率也分別減小到10%和6%。硬度測試結(jié)果也表明，隨著激光功率的增加，硬度先增大后減小，在250W時(shí)達(dá)到最大值。激光功率通過影響致密度和微觀組織，進(jìn)而顯著影響高溫合金薄壁件的力學(xué)性能，合適的激光功率能夠使薄壁件獲得良好的力學(xué)性能。3.2掃描速度對(duì)成形質(zhì)量的影響3.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法為深入探究掃描速度對(duì)高溫合金薄壁件激光選區(qū)熔化成形質(zhì)量的影響，設(shè)計(jì)并開展了一系列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用的高溫合金粉末為GH4169，該合金具有良好的綜合性能，在650℃以下具有較高的屈服強(qiáng)度和持久強(qiáng)度，良好的抗疲勞性能和抗氧化性能，廣泛應(yīng)用于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等關(guān)鍵部件?；宀牧线x用與高溫合金兼容性良好的Inconel718，以確保在成形過程中能提供穩(wěn)定的支撐和良好的熱傳導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)過程中，保持激光功率、掃描間距、鋪粉厚度等其他工藝參數(shù)恒定。激光功率設(shè)定為250W，此功率在前期研究中已被證明能夠使粉末充分熔化，且不會(huì)導(dǎo)致過熱現(xiàn)象。掃描間距設(shè)置為0.1mm，可保證相鄰掃描線之間實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合。鋪粉厚度固定為0.03mm，確保每層粉末在激光掃描下均勻熔化并與下層良好融合。改變掃描速度，分別設(shè)置為800mm/s、1000mm/s、1200mm/s、1400mm/s和1600mm/s五個(gè)不同水平。在每個(gè)掃描速度水平下，制備三個(gè)尺寸為50mm×10mm×2mm的薄壁件試樣，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。采用與激光功率實(shí)驗(yàn)相同的掃描策略，即分區(qū)掃描和交替掃描相結(jié)合，掃描方向在每層之間旋轉(zhuǎn)67°，以減少熱應(yīng)力集中，提高成形質(zhì)量。利用電子天平測量試樣質(zhì)量，通過排水法測量試樣體積，從而計(jì)算出試樣的致密度。使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察試樣的微觀組織，分析不同掃描速度下晶粒的尺寸、形態(tài)和分布情況。采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，測量試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)，通過維氏硬度計(jì)測量試樣不同部位的硬度，評(píng)估其硬度均勻性。同時(shí)，使用紅外熱像儀監(jiān)測成形過程中的溫度場分布，利用X射線衍射儀（XRD）分析試樣的物相組成。3.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析熔池形態(tài)與溫度場分布：通過高速攝像機(jī)和紅外熱像儀對(duì)熔池形態(tài)和溫度場分布進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，結(jié)果表明，掃描速度對(duì)熔池形態(tài)和溫度場有顯著影響。當(dāng)掃描速度為800mm/s時(shí)，激光作用時(shí)間相對(duì)較長，粉末吸收的能量較多，熔池尺寸較大，溫度較高，熔池寬度可達(dá)0.5mm，深度約為0.2mm，熔池最高溫度達(dá)到1800℃左右。此時(shí)，熔池內(nèi)的液態(tài)金屬流動(dòng)性較好，能夠充分填充孔隙，有利于提高致密度。然而，過高的溫度和較長的作用時(shí)間也導(dǎo)致熱積累增加，溫度場分布不均勻，在熔池周圍形成較大的溫度梯度，可能引發(fā)較大的熱應(yīng)力。隨著掃描速度增加到1000mm/s，熔池尺寸略有減小，寬度約為0.4mm，深度為0.18mm，最高溫度降至1600℃左右。溫度場分布相對(duì)更加均勻，熱應(yīng)力有所降低，這是因?yàn)榧す庾饔脮r(shí)間縮短，熱積累減少，同時(shí)熔池的快速凝固也有助于減小溫度梯度。當(dāng)掃描速度進(jìn)一步提高到1200mm/s時(shí)，熔池尺寸繼續(xù)減小，寬度為0.35mm，深度為0.15mm，最高溫度為1400℃左右。此時(shí)，粉末熔化時(shí)間縮短，熔池內(nèi)液態(tài)金屬的流動(dòng)性減弱，可能導(dǎo)致部分粉末熔化不完全，影響致密度。當(dāng)掃描速度達(dá)到1400mm/s和1600mm/s時(shí)，熔池尺寸明顯減小，寬度分別為0.3mm和0.25mm，深度分別為0.12mm和0.1mm，最高溫度降至1200℃和1000℃左右。由于能量輸入不足，粉末熔化更加不充分，熔池內(nèi)出現(xiàn)明顯的未熔合區(qū)域，導(dǎo)致致密度急劇下降。通過對(duì)不同掃描速度下熔池形態(tài)和溫度場分布的分析可知，掃描速度過快或過慢都會(huì)對(duì)成形質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，合適的掃描速度能夠使熔池保持適當(dāng)?shù)某叽绾蜏囟?，保證粉末充分熔化，同時(shí)減少熱積累和溫度梯度，提高成形質(zhì)量。殘余應(yīng)力分析：采用X射線衍射法對(duì)不同掃描速度下成形件的殘余應(yīng)力進(jìn)行測量，結(jié)果顯示，掃描速度對(duì)殘余應(yīng)力有顯著影響。當(dāng)掃描速度為800mm/s時(shí)，由于熱積累嚴(yán)重，溫度梯度大，成形件內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力值達(dá)到350MPa左右。較高的殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致零件在后續(xù)加工或使用過程中發(fā)生變形、開裂等缺陷，影響零件的尺寸精度和可靠性。隨著掃描速度增加到1000mm/s和1200mm/s，熱積累和溫度梯度減小，殘余應(yīng)力逐漸降低，分別降至250MPa和180MPa左右。這是因?yàn)閽呙杷俣鹊奶岣呤沟眉す庾饔脮r(shí)間縮短，熱量來不及在零件內(nèi)部大量積累，從而減小了熱應(yīng)力的產(chǎn)生。當(dāng)掃描速度進(jìn)一步提高到1400mm/s和1600mm/s時(shí)，雖然熱積累進(jìn)一步減少，但由于粉末熔化不充分，熔池之間的結(jié)合強(qiáng)度降低，在冷卻過程中，由于收縮不一致，仍然會(huì)產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力值分別為200MPa和220MPa左右。通過對(duì)不同掃描速度下殘余應(yīng)力的分析可知，控制掃描速度可以有效調(diào)節(jié)殘余應(yīng)力的大小，在保證粉末充分熔化的前提下，適當(dāng)提高掃描速度有助于降低殘余應(yīng)力，提高零件的質(zhì)量和可靠性。致密度與微觀組織分析：致密度測試結(jié)果表明，隨著掃描速度的增加，高溫合金薄壁件試樣的致密度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當(dāng)掃描速度為800mm/s時(shí)，由于熱積累導(dǎo)致的熱應(yīng)力和變形，以及可能出現(xiàn)的氣孔等缺陷，致密度為95.5%。隨著掃描速度增加到1000mm/s，熱應(yīng)力和變形減小，粉末熔化充分，熔池之間結(jié)合良好，致密度提高到98.2%。當(dāng)掃描速度進(jìn)一步增加到1200mm/s時(shí)，致密度達(dá)到最高值98.8%，此時(shí)掃描速度與激光功率等參數(shù)匹配較好，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的粉末熔化和冶金結(jié)合。然而，當(dāng)掃描速度繼續(xù)增大到1400mm/s和1600mm/s時(shí)，由于粉末熔化不充分，出現(xiàn)未熔合缺陷，致密度顯著下降，分別為93.6%和88.3%。從掃描電子顯微鏡觀察到的微觀組織圖像可以看出，不同掃描速度下高溫合金薄壁件的微觀組織存在明顯差異。當(dāng)掃描速度為800mm/s時(shí)，由于熱積累和較大的溫度梯度，晶粒生長較為粗大，且出現(xiàn)明顯的柱狀晶生長方向，組織不均勻，存在一些氣孔和微裂紋等缺陷。隨著掃描速度增加到1000mm/s和1200mm/s，晶粒尺寸逐漸細(xì)化，柱狀晶生長得到一定抑制，組織均勻性提高，缺陷減少。當(dāng)掃描速度達(dá)到1400mm/s和1600mm/s時(shí)，由于粉末熔化不充分，組織中出現(xiàn)大量未熔合區(qū)域和孔隙，晶粒形態(tài)不規(guī)則，組織均勻性差。掃描速度通過影響熔池的溫度場、凝固過程和粉末熔化程度，對(duì)致密度和微觀組織產(chǎn)生顯著影響，合適的掃描速度能夠獲得高致密度和均勻的微觀組織。力學(xué)性能分析：室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，掃描速度對(duì)高溫合金薄壁件的力學(xué)性能有顯著影響。當(dāng)掃描速度為800mm/s時(shí)，由于致密度較低和微觀組織不均勻，試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較低，分別為600MPa和380MPa，延伸率為10%。隨著掃描速度增加到1000mm/s，致密度提高和微觀組織改善，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高到680MPa和450MPa，延伸率增加到13%。當(dāng)掃描速度達(dá)到1200mm/s時(shí)，試樣的力學(xué)性能達(dá)到最佳，抗拉強(qiáng)度為720MPa，屈服強(qiáng)度為500MPa，延伸率為15%。這是因?yàn)樵谠搾呙杷俣认?，致密度高且微觀組織均勻，能夠有效地抵抗外力的作用。然而，當(dāng)掃描速度繼續(xù)增大到1400mm/s和1600mm/s時(shí)，由于致密度下降和微觀組織惡化，力學(xué)性能逐漸下降，抗拉強(qiáng)度分別降低到620MPa和550MPa，屈服強(qiáng)度分別為400MPa和350MPa，延伸率也分別減小到8%和5%。硬度測試結(jié)果也表明，隨著掃描速度的增加，硬度先增大后減小，在1200mm/s時(shí)達(dá)到最大值。掃描速度通過影響致密度和微觀組織，進(jìn)而顯著影響高溫合金薄壁件的力學(xué)性能，合適的掃描速度能夠使薄壁件獲得良好的力學(xué)性能。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在本實(shí)驗(yàn)條件下，掃描速度為1000-1200mm/s時(shí)，能夠在保證粉末充分熔化的同時(shí)，有效控制熱積累、殘余應(yīng)力和微觀組織，獲得較高的致密度和良好的力學(xué)性能，是較為適宜的掃描速度范圍。3.3掃描間距對(duì)成形質(zhì)量的影響3.3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法為深入研究掃描間距對(duì)高溫合金薄壁件激光選區(qū)熔化成形質(zhì)量的影響，設(shè)計(jì)并開展了一系列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用的高溫合金粉末為GH3536，該合金具有良好的抗氧化性、耐腐蝕性以及抗蠕變強(qiáng)度，是制造燃?xì)廨啓C(jī)火焰筒等高溫部件的常用材料。基板材料選用與高溫合金兼容性良好的Inconel625，以確保在成形過程中能提供穩(wěn)定的支撐和良好的熱傳導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)過程中，保持激光功率、掃描速度、鋪粉厚度等其他工藝參數(shù)恒定。激光功率設(shè)定為250W，此功率在前期研究中已被證明能夠使粉末充分熔化，且不會(huì)導(dǎo)致過熱現(xiàn)象。掃描速度設(shè)置為1000mm/s，在保證粉末充分熔化的同時(shí)，避免了因速度過快導(dǎo)致的粉末熔化不完全或速度過慢引起的熱積累過多問題。鋪粉厚度固定為0.03mm，確保每層粉末在激光掃描下均勻熔化并與下層良好融合。改變掃描間距，分別設(shè)置為0.08mm、0.10mm、0.12mm、0.14mm和0.16mm五個(gè)不同水平。在每個(gè)掃描間距水平下，制備三個(gè)尺寸為50mm×10mm×2mm的薄壁件試樣，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。采用與前文相同的掃描策略，即分區(qū)掃描和交替掃描相結(jié)合，掃描方向在每層之間旋轉(zhuǎn)67°，以減少熱應(yīng)力集中，提高成形質(zhì)量。利用電子天平測量試樣質(zhì)量，通過排水法測量試樣體積，從而計(jì)算出試樣的致密度。使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察試樣的微觀組織，分析不同掃描間距下晶粒的尺寸、形態(tài)和分布情況。采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，測量試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)，通過維氏硬度計(jì)測量試樣不同部位的硬度，評(píng)估其硬度均勻性。同時(shí)，使用激光共聚焦顯微鏡測量試樣的表面粗糙度，以評(píng)估掃描間距對(duì)表面質(zhì)量的影響。3.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析粉末熔化程度與致密度分析：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，掃描間距對(duì)粉末的熔化程度和致密度有顯著影響。當(dāng)掃描間距為0.08mm時(shí)，相鄰掃描線之間的距離較近，能量重疊較多，粉末過度熔化，導(dǎo)致熔池之間的邊界模糊，部分區(qū)域出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，試樣內(nèi)部產(chǎn)生較多的氣孔和裂紋等缺陷，致密度僅為92.3%。隨著掃描間距增加到0.10mm，能量分布較為合理，粉末熔化充分，熔池之間能夠?qū)崿F(xiàn)良好的冶金結(jié)合，致密度提高到97.5%。當(dāng)掃描間距進(jìn)一步增加到0.12mm時(shí)，致密度達(dá)到最高值98.8%，此時(shí)掃描間距與激光功率、掃描速度等參數(shù)匹配較好，能夠?qū)崿F(xiàn)粉末的充分熔化和致密的堆積。然而，當(dāng)掃描間距繼續(xù)增大到0.14mm和0.16mm時(shí)，由于掃描間距過大，相鄰掃描線之間的能量無法有效傳遞，粉末熔化不充分，出現(xiàn)大量未熔合區(qū)域，致密度顯著下降，分別為94.2%和89.5%。通過對(duì)不同掃描間距下致密度的分析可知，存在一個(gè)合適的掃描間距范圍，能夠使粉末充分熔化并實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，從而獲得較高的致密度。在本實(shí)驗(yàn)條件下，0.10-0.12mm的掃描間距較為適宜。層間結(jié)合強(qiáng)度分析：為了評(píng)估掃描間距對(duì)層間結(jié)合強(qiáng)度的影響，對(duì)不同掃描間距下的試樣進(jìn)行了層間拉伸試驗(yàn)。結(jié)果顯示，當(dāng)掃描間距為0.08mm時(shí)，由于過度熔化導(dǎo)致的組織缺陷，層間結(jié)合強(qiáng)度較低，僅為200MPa。隨著掃描間距增加到0.10mm和0.12mm，層間結(jié)合強(qiáng)度逐漸提高，分別達(dá)到280MPa和320MPa。這是因?yàn)樵诤线m的掃描間距下，粉末熔化充分，熔池之間能夠形成牢固的冶金結(jié)合，從而提高了層間結(jié)合強(qiáng)度。當(dāng)掃描間距增大到0.14mm和0.16mm時(shí)，由于未熔合缺陷的存在，層間結(jié)合強(qiáng)度急劇下降，分別為180MPa和150MPa。掃描間距通過影響粉末的熔化程度和熔池之間的結(jié)合情況，對(duì)層間結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響，合適的掃描間距能夠獲得較高的層間結(jié)合強(qiáng)度。表面質(zhì)量分析：激光共聚焦顯微鏡測量結(jié)果表明，掃描間距對(duì)高溫合金薄壁件的表面質(zhì)量有明顯影響。當(dāng)掃描間距為0.08mm時(shí)，由于過度熔化和熱積累，試樣表面出現(xiàn)嚴(yán)重的起伏和粗糙度增加的現(xiàn)象，表面粗糙度Ra達(dá)到12.5μm。隨著掃描間距增加到0.10mm，表面粗糙度有所降低，Ra為8.2μm，表面質(zhì)量得到改善。當(dāng)掃描間距進(jìn)一步增加到0.12mm時(shí)，表面粗糙度繼續(xù)降低，Ra為6.5μm，表面較為平整光滑。然而，當(dāng)掃描間距增大到0.14mm和0.16mm時(shí)，由于粉末熔化不充分，表面出現(xiàn)大量的未熔粉末顆粒和凹凸不平的區(qū)域，表面粗糙度顯著增加，Ra分別為15.3μm和20.1μm。掃描間距的變化會(huì)顯著影響高溫合金薄壁件的表面質(zhì)量，合適的掃描間距能夠獲得較低的表面粗糙度和良好的表面質(zhì)量。微觀組織分析：從掃描電子顯微鏡觀察到的微觀組織圖像可以看出，不同掃描間距下高溫合金薄壁件的微觀組織存在明顯差異。當(dāng)掃描間距為0.08mm時(shí)，由于過度熔化和快速冷卻，晶粒生長受到抑制，組織中出現(xiàn)大量的細(xì)小等軸晶，且晶粒分布不均勻，存在一些氣孔和微裂紋等缺陷。隨著掃描間距增加到0.10mm和0.12mm，晶粒尺寸逐漸增大，柱狀晶生長明顯，組織均勻性提高，缺陷減少。當(dāng)掃描間距達(dá)到0.14mm和0.16mm時(shí)，由于粉末熔化不充分，組織中出現(xiàn)大量未熔合區(qū)域和孔隙，晶粒形態(tài)不規(guī)則，組織均勻性差。掃描間距通過影響熔池的溫度場、凝固過程和粉末熔化程度，對(duì)微觀組織產(chǎn)生顯著影響，合適的掃描間距能夠獲得均勻致密的微觀組織。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在本實(shí)驗(yàn)條件下，掃描間距為0.10-0.12mm時(shí)，能夠在保證粉末充分熔化的同時(shí)，有效提高層間結(jié)合強(qiáng)度、降低表面粗糙度和獲得均勻的微觀組織，是較為適宜的掃描間距范圍。3.4鋪粉層厚對(duì)成形質(zhì)量的影響3.4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法為深入研究鋪粉層厚對(duì)高溫合金薄壁件激光選區(qū)熔化成形質(zhì)量的影響，設(shè)計(jì)并開展了一系列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用的高溫合金粉末為Inconel718，該合金具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性和抗氧化性，以及出色的抗疲勞性能，在航空航天、能源等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。基板材料選用與Inconel718高溫合金兼容性良好的不銹鋼，以確保在成形過程中能提供穩(wěn)定的支撐和良好的熱傳導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)過程中，保持激光功率、掃描速度、掃描間距等其他工藝參數(shù)恒定。激光功率設(shè)定為250W，此功率在前期研究中已被證明能夠使粉末充分熔化，且不會(huì)導(dǎo)致過熱現(xiàn)象。掃描速度設(shè)置為1000mm/s，在保證粉末充分熔化的同時(shí)，避免了因速度過快導(dǎo)致的粉末熔化不完全或速度過慢引起的熱積累過多問題。掃描間距固定為0.1mm，確保相鄰掃描線之間能夠?qū)崿F(xiàn)良好的冶金結(jié)合。改變鋪粉層厚，分別設(shè)置為0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm和0.06mm五個(gè)不同水平。在每個(gè)鋪粉層厚水平下，制備三個(gè)尺寸為50mm×10mm×2mm的薄壁件試樣，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。采用與前文相同的掃描策略，即分區(qū)掃描和交替掃描相結(jié)合，掃描方向在每層之間旋轉(zhuǎn)67°，以減少熱應(yīng)力集中，提高成形質(zhì)量。利用電子天平測量試樣質(zhì)量，通過排水法測量試樣體積，從而計(jì)算出試樣的致密度。使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察試樣的微觀組織，分析不同鋪粉層厚下晶粒的尺寸、形態(tài)和分布情況。采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，測量試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)，通過維氏硬度計(jì)測量試樣不同部位的硬度，評(píng)估其硬度均勻性。同時(shí)，使用激光共聚焦顯微鏡測量試樣的表面粗糙度，以評(píng)估鋪粉層厚對(duì)表面質(zhì)量的影響。3.4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析致密度與成形效率分析：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋪粉層厚對(duì)高溫合金薄壁件的致密度和成形效率有顯著影響。當(dāng)鋪粉層厚為0.02mm時(shí)，由于每層粉末量較少，激光能量能夠充分作用于粉末，使其完全熔化，熔池之間結(jié)合緊密，致密度較高，達(dá)到98.5%。然而，較小的鋪粉層厚導(dǎo)致需要堆積的層數(shù)增多，成形效率較低，制造一個(gè)薄壁件試樣所需的時(shí)間較長。隨著鋪粉層厚增加到0.03mm，致密度略有下降，為98.2%，但仍保持在較高水平。此時(shí)，每層粉末量適中，激光能量與粉末的匹配較好，既保證了粉末的充分熔化，又減少了因?qū)訑?shù)過多導(dǎo)致的能量損耗和時(shí)間增加，成形效率有所提高。當(dāng)鋪粉層厚進(jìn)一步增加到0.04mm時(shí)，致密度下降到97.5%，這是因?yàn)榉勰幼兒瘢す饽芰侩y以完全穿透粉末層，導(dǎo)致部分粉末熔化不完全，出現(xiàn)未熔合區(qū)域，從而降低了致密度。不過，由于層數(shù)減少，成形效率顯著提高，制造時(shí)間明顯縮短。當(dāng)鋪粉層厚增大到0.05mm和0.06mm時(shí)，致密度急劇下降，分別為95.3%和92.1%，這是由于粉末層過厚，激光能量嚴(yán)重不足，大量粉末未被熔化，未熔合缺陷增多。雖然成形效率隨著鋪粉層厚的增加而繼續(xù)提高，但由于致密度過低，無法滿足零件的性能要求。通過對(duì)不同鋪粉層厚下致密度和成形效率的分析可知，存在一個(gè)合適的鋪粉層厚范圍，能夠在保證較高致密度的同時(shí)，獲得較好的成形效率。在本實(shí)驗(yàn)條件下，0.03-0.04mm的鋪粉層厚較為適宜。微觀組織分析：從掃描電子顯微鏡觀察到的微觀組織圖像可以看出，不同鋪粉層厚下高溫合金薄壁件的微觀組織存在明顯差異。當(dāng)鋪粉層厚為0.02mm時(shí)，由于粉末熔化充分且冷卻速度較快，晶粒生長受到抑制，組織中形成大量細(xì)小的等軸晶，晶粒尺寸均勻，平均晶粒尺寸約為5μm，組織均勻性好。隨著鋪粉層厚增加到0.03mm和0.04mm，晶粒尺寸逐漸增大，開始出現(xiàn)柱狀晶，柱狀晶沿著熱流方向生長。在0.04mm鋪粉層厚下，柱狀晶更加明顯，平均晶粒尺寸增大到10μm左右，這是因?yàn)榉勰幼兒?，熔池的冷卻速度相對(duì)較慢，晶粒有更多的時(shí)間生長。當(dāng)鋪粉層厚達(dá)到0.05mm和0.06mm時(shí)，由于粉末熔化不充分，組織中出現(xiàn)大量未熔合區(qū)域和孔隙，晶粒形態(tài)不規(guī)則，大小不一，組織均勻性差，平均晶粒尺寸增大到20μm以上，且存在一些粗大的晶粒。鋪粉層厚通過影響粉末的熔化程度和熔池的冷卻速度，對(duì)微觀組織產(chǎn)生顯著影響，合適的鋪粉層厚能夠獲得均勻致密的微觀組織。表面質(zhì)量分析：激光共聚焦顯微鏡測量結(jié)果表明，鋪粉層厚對(duì)高溫合金薄壁件的表面質(zhì)量有明顯影響。當(dāng)鋪粉層厚為0.02mm時(shí)，由于每層粉末量少，激光掃描后表面較為平整，表面粗糙度Ra較低，為6.0μm。隨著鋪粉層厚增加到0.03mm，表面粗糙度略有增加，Ra為7.5μm，表面質(zhì)量仍較好。當(dāng)鋪粉層厚進(jìn)一步增加到0.04mm時(shí)，表面粗糙度繼續(xù)增加，Ra為9.0μm，這是因?yàn)榉勰幼兒?，激光掃描時(shí)粉末的流動(dòng)性和熔化均勻性受到一定影響，導(dǎo)致表面平整度下降。當(dāng)鋪粉層厚增大到0.05mm和0.06mm時(shí)，由于粉末熔化不充分，表面出現(xiàn)大量的未熔粉末顆粒和凹凸不平的區(qū)域，表面粗糙度顯著增加，Ra分別為15.0μm和20.0μm。鋪粉層厚的變化會(huì)顯著影響高溫合金薄壁件的表面質(zhì)量，合適的鋪粉層厚能夠獲得較低的表面粗糙度和良好的表面質(zhì)量。力學(xué)性能分析：室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，鋪粉層厚對(duì)高溫合金薄壁件的力學(xué)性能有顯著影響。當(dāng)鋪粉層厚為0.02mm時(shí)，由于致密度高和微觀組織均勻，試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較高，分別為1200MPa和900MPa，延伸率為18%。隨著鋪粉層厚增加到0.03mm，力學(xué)性能略有下降，抗拉強(qiáng)度為1150MPa，屈服強(qiáng)度為850MPa，延伸率為15%，但仍保持在較好的水平。當(dāng)鋪粉層厚達(dá)到0.04mm時(shí)，由于致密度下降和微觀組織變化，力學(xué)性能進(jìn)一步下降，抗拉強(qiáng)度為1050MPa，屈服強(qiáng)度為750MPa，延伸率為12%。當(dāng)鋪粉層厚增大到0.05mm和0.06mm時(shí)，由于致密度過低和微觀組織惡化，力學(xué)性能急劇下降，抗拉強(qiáng)度分別為850MPa和700MPa，屈服強(qiáng)度分別為600MPa和500MPa，延伸率也分別減小到8%和5%。硬度測試結(jié)果也表明，隨著鋪粉層厚的增加，硬度先略有下降后急劇下降，在0.02mm時(shí)硬度最高。鋪粉層厚通過影響致密度和微觀組織，進(jìn)而顯著影響高溫合金薄壁件的力學(xué)性能，合適的鋪粉層厚能夠使薄壁件獲得良好的力學(xué)性能。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在本實(shí)驗(yàn)條件下，鋪粉層厚為0.03-0.04mm時(shí)，能夠在保證較高致密度、良好微觀組織和表面質(zhì)量的同時(shí)，獲得較好的成形效率和力學(xué)性能，是較為適宜的鋪粉層厚范圍。四、高溫合金薄壁件激光選區(qū)熔化成形缺陷分析與控制4.1常見缺陷類型及形成機(jī)制4.1.1氣孔缺陷在高溫合金薄壁件激光選區(qū)熔化成形過程中，氣孔缺陷是較為常見的問題之一，其對(duì)零件的力學(xué)性能和可靠性有著顯著影響。氣孔的產(chǎn)生原因較為復(fù)雜，主要與粉末質(zhì)量、氣體卷入、熔池不穩(wěn)定等因素相關(guān)。粉末質(zhì)量是影響氣孔產(chǎn)生的重要因素之一。粉末的粒度分布、流動(dòng)性和松裝密度等特性，都會(huì)對(duì)成形過程產(chǎn)生影響。如果粉末粒度不均勻，大顆粒粉末在熔化過程中需要更多的能量，可能導(dǎo)致局部熔化不完全，形成氣孔。當(dāng)粉末中存在較大尺寸的顆粒時(shí)，這些顆粒周圍的粉末在激光掃描下可能已經(jīng)熔化并凝固，而大顆粒本身卻未能充分熔化，從而在零件內(nèi)部形成氣孔。粉末的流動(dòng)性差也會(huì)導(dǎo)致鋪粉不均勻，使得局部區(qū)域粉末堆積過多或過少，在熔化過程中，粉末堆積過多的區(qū)域可能由于能量分布不均，無法完全熔化，進(jìn)而產(chǎn)生氣孔；而粉末堆積過少的區(qū)域則可能因?yàn)榉勰┝坎蛔悖瑹o法形成致密的結(jié)構(gòu)，同樣會(huì)導(dǎo)致氣孔的出現(xiàn)。松裝密度較低的粉末在成形過程中，顆粒之間的間隙較大，這些間隙在熔化后可能無法完全被液態(tài)金屬填充，從而形成氣孔。氣體卷入也是導(dǎo)致氣孔產(chǎn)生的重要原因。在激光選區(qū)熔化過程中，保護(hù)氣體（如氬氣、氮?dú)獾龋┍挥糜诜乐垢邷睾辖鸱勰┰谌刍^程中與空氣中的氧氣、氮?dú)獾劝l(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而保證零件的質(zhì)量。如果保護(hù)氣體的流量不足或氣流分布不均勻，就可能導(dǎo)致空氣卷入熔池?？諝庵械难鯕?、氮?dú)獾仍诟邷叵聲?huì)與高溫合金中的某些元素發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氣體，如氧氣與高溫合金中的碳元素反應(yīng)生成一氧化碳?xì)怏w，這些氣體在熔池凝固過程中來不及逸出，就會(huì)形成氣孔。粉末在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中，可能會(huì)吸附水分和其他氣體，當(dāng)這些粉末在激光掃描下熔化時(shí)，吸附的水分和氣體被釋放出來，也會(huì)導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生。熔池的穩(wěn)定性對(duì)氣孔的形成也有著重要影響。熔池的溫度場、流場和凝固特性等因素，都會(huì)影響氣體的逸出和熔池的填充情況。當(dāng)激光功率過高或掃描速度過慢時(shí)，熔池溫度過高，液態(tài)金屬的粘度降低，表面張力減小，熔池的穩(wěn)定性變差，容易產(chǎn)生波動(dòng)和飛濺。在這種情況下，氣體更容易卷入熔池，并且熔池中的氣體也難以逸出，從而增加了氣孔產(chǎn)生的可能性。熔池的凝固速度過快，也會(huì)導(dǎo)致氣體來不及逸出，形成氣孔。當(dāng)掃描速度過快時(shí)，熔池的凝固速度加快，氣體在短時(shí)間內(nèi)無法從液態(tài)金屬中逸出，就會(huì)被包裹在凝固的金屬中，形成氣孔。氣孔的形成機(jī)制主要包括以下幾個(gè)方面：在激光掃描過程中，粉末吸收激光能量迅速熔化，形成高溫熔池。熔池中的氣體（包括卷入的氣體和粉末釋放的氣體）在高溫下具有較高的溶解度。隨著熔池的冷卻和凝固，氣體的溶解度逐漸降低，當(dāng)氣體的溶解度低于其在液態(tài)金屬中的實(shí)際含量時(shí)，氣體就會(huì)從液態(tài)金屬中析出，形成氣泡。這些氣泡在熔池中的運(yùn)動(dòng)受到液態(tài)金屬的粘度、表面張力和浮力等因素的影響。如果氣泡受到的浮力大于液態(tài)金屬的阻力，氣泡就會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，試圖逸出熔池。在熔池凝固速度較快或液態(tài)金屬粘度較大的情況下，氣泡可能無法及時(shí)逸出，被凝固的金屬包裹在內(nèi)部，從而形成氣孔。當(dāng)熔池表面存在波動(dòng)或飛濺時(shí)，氣泡可能會(huì)被卷入熔池內(nèi)部，增加了氣孔形成的幾率。4.1.2裂紋缺陷裂紋缺陷是高溫合金薄壁件激光選區(qū)熔化成形過程中另一個(gè)嚴(yán)重影響零件質(zhì)量和性能的問題。裂紋的產(chǎn)生因素較為復(fù)雜，主要包括熱應(yīng)力、成分偏析、凝固收縮等，這些因素相互作用，導(dǎo)致裂紋的萌生與擴(kuò)展。熱應(yīng)力是裂紋產(chǎn)生的重要原因之一。在激光選區(qū)熔化成形過程中，激光束對(duì)粉末進(jìn)行快速加熱和熔化，形成高溫熔池，隨后熔池迅速冷卻凝固。這種快速的加熱和冷卻過程使得零件內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度，從而導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生。當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)引起材料的塑性變形；當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致裂紋的萌生。在薄壁件的拐角、邊緣等部位，由于散熱條件不同，溫度梯度更大，熱應(yīng)力更為集中，因此更容易產(chǎn)生裂紋。掃描策略也會(huì)對(duì)熱應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，不合理的掃描策略（如掃描方向單一、掃描區(qū)域過大等）會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力集中，增加裂紋產(chǎn)生的可能性。成分偏析也是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的重要因素。高溫合金通常含有多種合金元素，在激光選區(qū)熔化的快速凝固過程中，由于合金元素的擴(kuò)散速度較慢，可能會(huì)導(dǎo)致成分偏析現(xiàn)象的發(fā)生。某些合金元素在晶界處富集，形成低熔點(diǎn)共晶相，這些低熔點(diǎn)共晶相在凝固過程中最后凝固，且強(qiáng)度較低。在熱應(yīng)力的作用下，低熔點(diǎn)共晶相所在的晶界容易產(chǎn)生裂紋。合金元素的偏析還會(huì)導(dǎo)致材料的組織不均勻，不同區(qū)域的力學(xué)性能存在差異，從而在受力時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，引發(fā)裂紋。凝固收縮是裂紋產(chǎn)生的又一重要因素。在高溫合金薄壁件的激光選區(qū)熔化成形過程中，熔池從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，會(huì)發(fā)生體積收縮。由于零件不同部位的冷卻速度和凝固順序不同，收縮程度也會(huì)存在差異，這種收縮差異會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。在薄壁件的厚壁與薄壁過渡區(qū)域，由于冷卻速度不同，收縮差異較大，容易產(chǎn)生裂紋。零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)影響凝固收縮應(yīng)力的分布，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)會(huì)增加應(yīng)力集中的區(qū)域，從而增加裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。裂紋的萌生與擴(kuò)展機(jī)制如下：在熱應(yīng)力、成分偏析和凝固收縮等因素的作用下，零件內(nèi)部首先會(huì)產(chǎn)生微小的裂紋源。這些裂紋源通常位于晶界、位錯(cuò)等缺陷處，因?yàn)檫@些地方的原子排列不規(guī)則，能量較高，容易在應(yīng)力作用下發(fā)生開裂。當(dāng)裂紋源形成后，在持續(xù)的熱應(yīng)力和外部載荷的作用下，裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展。裂紋的擴(kuò)展方向通常沿著晶界或在晶粒內(nèi)部進(jìn)行，取決于材料的組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布情況。在晶界處，由于存在成分偏析和低熔點(diǎn)共晶相，裂紋更容易沿著晶界擴(kuò)展；而在晶粒內(nèi)部，裂紋則會(huì)沿著應(yīng)力集中的方向擴(kuò)展。隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，裂紋的長度和寬度逐漸增加，最終導(dǎo)致零件的失效。4.1.3變形缺陷變形缺陷是高溫合金薄壁件激光選區(qū)熔化成形過程中需要關(guān)注的重要問題，它會(huì)嚴(yán)重影響零件的尺寸精度和表面質(zhì)量，降低零件的性能和可靠性。變形的產(chǎn)生原因主要包括殘余應(yīng)力分布不均、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等。殘余應(yīng)力分布不均是導(dǎo)致變形的主要原因之一。在激光選區(qū)熔化成形過程中，由于激光束的快速加熱和冷卻，零件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的溫度梯度，從而形成殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力在零件內(nèi)部的分布是不均勻的，在薄壁件的不同部位，由于散熱條件、掃描路徑和熔池凝固順序等因素的不同，殘余應(yīng)力的大小和方向也會(huì)有所差異。在薄壁件的邊緣和拐角處，由于散熱較快，溫度梯度較大，殘余應(yīng)力相對(duì)較高；而在薄壁件的中心部位，殘余應(yīng)力則相對(duì)較低。當(dāng)殘余應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致零件發(fā)生塑性變形。如果殘余應(yīng)力在零件內(nèi)部的分布不均勻，就會(huì)使零件產(chǎn)生不均勻的變形，如翹曲、扭曲等。在一個(gè)平板狀的高溫合金薄壁件中，如果一側(cè)的殘余應(yīng)力較大，而另一側(cè)的殘余應(yīng)力較小，就會(huì)導(dǎo)致平板發(fā)生翹曲變形，影響零件的平面度和尺寸精度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理也是導(dǎo)致變形的重要原因。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和薄壁結(jié)構(gòu)在激光選區(qū)熔化成形過程中更容易發(fā)生變形。對(duì)于具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如多孔結(jié)構(gòu)、晶格結(jié)構(gòu)等）的高溫合金薄壁件，由于不同部位的熱傳導(dǎo)和散熱條件差異較大，在成形過程中會(huì)產(chǎn)生較大的溫度梯度和殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致變形。薄壁結(jié)構(gòu)由于其自身的剛度較低，抵抗變形的能力較弱，在殘余應(yīng)力的作用下更容易發(fā)生變形。在設(shè)計(jì)高溫合金薄壁件時(shí)，如果沒有充分考慮結(jié)構(gòu)的合理性，如壁厚不均勻、支撐結(jié)構(gòu)不足等，也會(huì)增加變形的風(fēng)險(xiǎn)。一個(gè)壁厚不均勻的薄壁件，在成形過程中，較厚的部位冷卻速度較慢，殘余應(yīng)力較大，而較薄的部位冷卻速度較快，殘余應(yīng)力較小，這種差異會(huì)導(dǎo)致薄壁件發(fā)生彎曲變形。變形的形成過程如下：在激光選區(qū)熔化成形過程中，隨著熔池的凝固和堆積，零件逐漸成型。在這個(gè)過程中，殘余應(yīng)力不斷在零件內(nèi)部積累。當(dāng)殘余應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，零件開始發(fā)生微小的變形。隨著成形過程的繼續(xù)進(jìn)行，殘余應(yīng)力進(jìn)一步增加，變形也會(huì)逐漸加劇。在零件的邊緣和拐角處，由于殘余應(yīng)力集中，變形往往首先從這些部位開始。隨著變形的發(fā)展，零件的整體形狀會(huì)發(fā)生改變，尺寸精度和表面質(zhì)量也會(huì)受到影響。如果變形過大，零件可能會(huì)無法滿足設(shè)計(jì)要求，甚至報(bào)廢。在一個(gè)具有懸臂結(jié)構(gòu)的高溫合金薄壁件中，懸臂部分由于缺乏足夠的支撐，在殘余應(yīng)力的作用下，容易發(fā)生向下彎曲變形，導(dǎo)致懸臂的長度和角度發(fā)生變化，影響零件的使用性能。4.2缺陷控制方法研究4.2.1工藝參數(shù)優(yōu)化工藝參數(shù)的優(yōu)化是控制高溫合金薄壁件激光選區(qū)熔化成形缺陷的關(guān)鍵手段之一。通過合理調(diào)整激光功率、掃描速度等參數(shù)，可以有效改善熔池狀態(tài)，減少缺陷的產(chǎn)生。在激光功率方面，前文研究已表明，合適的激光功率能夠使粉末充分熔化并實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，從而獲得較高的致密度和良好的微觀組織。當(dāng)激光功率過低時(shí)，粉末無法充分熔化，會(huì)導(dǎo)致未熔合缺陷的出現(xiàn)，使零件的致密度降低，力學(xué)性能下降。在制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金薄壁葉片時(shí)，若激光功率不足，葉片內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)大量未熔合區(qū)域，這些區(qū)域成為應(yīng)力集中點(diǎn)，在葉片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，極易引發(fā)裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致葉片失效。而當(dāng)激光功率過高時(shí)，會(huì)使熔池過熱，氣體難以逸出，形成氣孔缺陷，同時(shí)過高的熱輸入還可能導(dǎo)致材料蒸發(fā)和飛濺，影響零件的質(zhì)量和尺寸精度。在激光功率為350W時(shí)，高溫合金薄壁件的致密度明顯下降，微觀組織中出現(xiàn)大量氣孔和粗大的晶粒，這是由于過高的激光功率導(dǎo)致熔池過熱，氣體無法及時(shí)逸出，且晶粒生長失控。為了確定合適的激光功率，需要綜合考慮粉末特性、零件結(jié)構(gòu)和尺寸等因素。對(duì)于不同成分和粒度分布的高溫合金粉末，其所需的激光功率也會(huì)有所不同。對(duì)于粒度較細(xì)的粉末，由于其比表面積大，吸收激光能量的能力較強(qiáng)，所需的激光功率相對(duì)較低；而對(duì)于粒度較粗的粉末，則需要較高的激光功率才能使其充分熔化。零件的結(jié)構(gòu)和尺寸也會(huì)影響激光功率的選擇。對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)的零件，由于其散熱較快，需要適當(dāng)提高激光功率，以保證粉末能夠充分熔化；而對(duì)于厚壁結(jié)構(gòu)的零件，則可以適當(dāng)降低激光功率，以避免過熱現(xiàn)象的發(fā)生。掃描速度對(duì)熔池的溫度場、凝固過程和粉末熔化程度有著顯著影響，進(jìn)而影響缺陷的產(chǎn)生。掃描速度過快，會(huì)使粉末熔化時(shí)間縮短，熔池內(nèi)液態(tài)金屬的流動(dòng)性減弱，導(dǎo)致部分粉末熔化不完全，出現(xiàn)未熔合缺陷。在制造燃?xì)廨啓C(jī)高溫合金薄壁燃燒室時(shí)，若掃描速度過快，燃燒室內(nèi)部的粉末無法充分熔化，會(huì)出現(xiàn)未熔合的縫隙，這些縫隙會(huì)降低燃燒室的強(qiáng)度和密封性，影響燃?xì)廨啓C(jī)的性能。掃描速度過慢，會(huì)導(dǎo)致熱積累增加，溫度場分布不均勻，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，容易引發(fā)裂紋和變形等缺陷。在掃描速度為800mm/s時(shí)，由于熱積累嚴(yán)重，溫度梯度大，高溫合金薄壁件內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致零件出現(xiàn)變形和裂紋。為了優(yōu)化掃描速度，需要在保證粉末充分熔化的前提下，盡量減少熱積累和溫度梯度?？梢酝ㄟ^實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究不同掃描速度下熔池的溫度場、應(yīng)力場和凝固過程，確定最佳的掃描速度范圍。在實(shí)驗(yàn)過程中，可以改變掃描速度，觀察零件的成形質(zhì)量和缺陷情況，同時(shí)利用數(shù)值模擬軟件，對(duì)熔池的溫度場、應(yīng)力場進(jìn)行模擬分析，從而找到合適的掃描速度。除了激光功率和掃描速度外，掃描間距、鋪粉厚度等工藝參數(shù)也需要進(jìn)行優(yōu)化。掃描間距過大，會(huì)導(dǎo)致相鄰掃描線之間的能量無法有效傳遞，粉末熔化不充分，出現(xiàn)未熔合區(qū)域；掃描間距過小，則會(huì)使能量重疊過多，粉末過度熔化，產(chǎn)生氣孔和裂紋等缺陷。鋪粉厚度過大，會(huì)使激光能量難以完全穿透粉末層，導(dǎo)致部分粉末熔化不完全；鋪粉厚度過小，則會(huì)增加成形時(shí)間和成本，且可能導(dǎo)致零件的致密度下降。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)具體情況，綜合考慮各種工藝參數(shù)之間的相互關(guān)系，通過正交試驗(yàn)、響應(yīng)面分析等方法，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，以獲得最佳的成形質(zhì)量。4.2.2支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是減少高溫合金薄壁件激光選區(qū)熔化成形過程中變形和殘余應(yīng)力的重要措施。在激光選區(qū)熔化成形過程中，由于零件不同部位的散熱條件和溫度變化不同，會(huì)產(chǎn)生不均勻的熱應(yīng)力，導(dǎo)致零件發(fā)生變形。對(duì)于具有懸空結(jié)構(gòu)或薄壁結(jié)構(gòu)的高溫合金零件，其自身的剛度較低，抵抗變形的能力較弱，更容易在熱應(yīng)力的作用下發(fā)生變形。為了減少變形和殘余應(yīng)力，需要在零件的易變形部位添加支撐結(jié)構(gòu)。一種有效的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是采用片體狀實(shí)體支撐與柱支撐結(jié)合的方式。在三維軟件中，對(duì)高溫合金零件模型進(jìn)行分析，確定其易變形部位，如薄壁的拐角、邊緣、懸空部分等。在這些易變形部位的外端部添加片體狀實(shí)體支撐，片體狀實(shí)體支撐可以提供較大的支撐面積，增強(qiáng)零件的剛性，有效抵抗熱應(yīng)力引起的變形。片體狀實(shí)體支撐