1. 研究目的与意义（文献综述）

目的及意义（含国内外的研究现状分析）

作为一种全新概念的制造技术，增材制造技术自20世纪90年代出现以来，经过20余年的发展，已经成为当前先进制造技术领域技术创新蓬勃发展的源泉，以“3D打印技术”为全新概念的增材制造技术已经成为当前包括美国在内的世界主要制造大国实施技术创新#65380;提振本国制造业的重要着力点。中国政府积极推进3D打印技术在制造业的技术创新进程。在工业和信息化部的支持下，2012年成立“中国3D打印技术产业联盟”。2013年，中国3D打印技术产业联盟成功举办首届世界3D打印技术产业大会，并与亚洲制造业协会#65380;英国增材制造联盟#65380;比利时Materialise公司#65380;德国EOS公司#65380;美国3DSystem公司等组织共同发起成立世界3D打印技术产业联盟的号召，高度凸显了中国3D打印技术在全球3D打印技术创新领域的重要引领作用。作为增材制造技术基础研究的支持机构，国家自然科学基金委员会机械工程学科在“十三五”学科发展战略规划设想中明确将增材制造技术作为跨学科学部交叉优先领域进行布局，以进一步提升中国增材制造技术的自主创新能力。其中， 选区激光熔覆成形技术（Selective LaserMelting，简称SLM）被认为是最具潜力的AM技术之一，在生物移植#65380;航空航天及中小型模具等制造领域受到越来越广泛的关注，并逐渐成为研究热点。

1.1.选区激光熔覆成形技术

选区激光熔覆成形技术（Selective LaserMelting）是近十几年才发展起来的新型快速成型（Rapid Prototyping）技术。该技术能直接制造形状复杂、机械性能良好、高精度、致密度近100%的金属零件，无需或仅需简单后处理（如喷砂、抛光等）即可直接投入实际使用^[1~3]。SLM的工艺简单，成型材料范围广泛，是最有发展潜力的金属零件直接成型技术之一。它是一种将激光快速成形技术与激光熔覆技术相结合的先进制造技术，能够实现复杂结构、致密金属零部件的直接成形，具有材料应用范围广、零件内部可实现梯度功能、节省成本、缩短生产周期等优势、因此具有广阔的工程应用前景。国内外已有多家机构对该项技术进行了深入研究，并取得了一系列可喜的成果，在装备制造业、模具制造业以及航空航天领域内零件的制造与修复都得到了广泛应用。

SLM技术的工作过程是:首先建立要建零件的CAD模型，然后通过特殊的分层软件对CAD模型进行切片处理，并把生成的层信息传递给控制计算机。激光束按照所得信息对位于工作台上的金属粉末进行选区扫描，被扫描的粉末发生完全熔化，随后结晶为固体。一层加工完成之后，工作台下降一定的距离，送粉器再铺上一层粉末，然后激光对下一层进行扫描，激光扫描-工作台下降-铺粉这一过程不断重复，直到完整的模型生成，过程如图1所示。

图1 SLM 技术过程图

SLM技术可以加工的材料为不锈钢^[4]、工具钢、热工钢、钛及钛合金^[5]、铝合金^[6,7,8]、钴铬合金、镍基合金等工程材料。采用SLM技术生产模型的致密度(Inconel718)如图2所示。由于所用的材料与系列产品生产过程所用的材料相同，生产的零件性能也能满足工程上对零件使用性能的要求而直接用于生产。SLM设备的导光系统使用振镜，特点是反映速度快、定位准确，缺点是振镜的转动范围限制了激光的扫描范围，由此决定了SLM技术能够以及适合加工尺寸较小、形状复杂、要求精密的零件。主要用于注塑模具、压铸模具、生物植片、航空零件以及各种金属零件功能模型的制造

选区激光熔化技术具有以下主要特点^[9,10]：

（1）直接制成终端金属产品，省掉中间过渡环节，适合制造传统方法难以制造或无法制造的各种复杂形状零部件，如内部有复杂异型结构（空腔）或悬空结构零件；

（2）采用光斑很小的激光束加工金属，使得加工出来的金属零件具有尺寸精度高（±0.05mm）和表面粗糙度低（Ra 10~30μm）的特点；

（3）所制得零件的致密度近乎100%，显微组织细小均匀，力学性能一般优于铸件，部分性能与锻件相当；

（4）适合单件和小批量模具或工件快速制造。

目前，SLM技术已应用到医学、航空航天、模具和量具制作等多个领域。Hollander等人研究了钛合金Ti-6Al-4V粉末的SLM成形，并介绍了以Ti-6Al-4V粉末为材料制造人工骨的工艺流程^[11]。德国Fraunhofer激光技术研究所与牙科设备公司BEGO展开合作，研究利用SLM技术制作在牙科手术中常用到的牙冠和假牙，此外还考虑到用该技术制作人造骨等其它手术用人造移植物^[12]。SLM技术在航空航天领域的应用也越来越广。航空航天零部件形状复杂，传统方法一般难以制造。P. Rochusa等人^[13]撰文详细介绍了快速成型技术在航天航空领域的应用前景及其优势。另一家著名的快速成型公司MCP公司已用该技术制造大型量规、精密的金属模具嵌入件及薄壁金属零件等，所加工出来的金属零件尺寸精度高、表面粗糙度低，且力学性能良好^[8]。然而大量文献表明，在目前的激光熔覆成形过程中还存在着裂纹、气孔、夹杂以及层间结合弱等缺陷。尤其是裂纹，在整个成形过程中一旦产生就会恶性放大，迫使整个成形过程终止，这些都限制着该技术的推广应用。激光移动热源的快速加热冷却特性产生了一种非常规的热行为，而这种热行为及其导致的热应力是造成成形缺陷的重要因素，而且影响着成形件的几何形状和力学性能。因此揭示激光、粉末及工件之间交互作用的内在行为（熔池温度场、流场，应力场及气/粉两相流场）将有助于反馈和控制成形过程中的加工信息和工艺参数。但激光自身特性造成的激光熔池温度场及粉末流场等物理场的快速变化导致很难利用常规手段来获取这些信息参数，因而目前大多数的研究都是利用有限元模拟的方法进行的。

1.2. 有限元分析

有限元分析（Finite ElementMethod，简称FEM），是将连续的求解域离散成一组单元的组合体，通过对有限个单元作分片插值求解各种力学#65380;物理问题的一种数值近似求解方法，因此也称有限单元法。虽然有限元分析得到的只是近似解，但对于大多数难以求得准确解的实际问题，有限单元法是一种行之有效的方法。在工程分析和科学研究中，有限元法常常用于求解在位移场、应力场、温度场等多物理场作用下，结构形状几何非线性、材料非线性等问题。特别是在复杂几何形状、复杂材料特性和复杂边界条件下，有限元法是一种非常有效的分析方法。随着数值计算方法与计算机技术的不断发展，有限元分析的应用也越来越广泛。

有限元模拟最大的优势还在于其不仅能够实现温度场的动态模拟，还可用于分析热变化过程中应力的动态变化和冷却状态下制品内部残余应力的分布状态。具有代表性的SLM工艺过程和成型制品的应力模拟工作可见文献^[14~17]。

通过有限元对应力场的模拟，可以很直观地研究残余应力的形成机理以及不同工艺参数对于制品残余分布的影响规律从而为增材制造工艺的优化、制品变形开裂等问题的研究和预防，起到非常重要的理论支持和高效预测作用。在模拟技术飞速发展的过程中，综合化和大尺寸化成为SLM增材制造模拟技术的发展方向和研究热点。例如，劳伦斯利物莫国家实验室Khairallah团队的有限元与有限体积方法融合模型技术^[18]。全尺寸的增材制造模型也是今后发展的重要趋势，此类模型的研发，将为增材制造全尺寸制品的应力预测提供重要的理论支持和工艺指导。

1.3. Ti-6Al-4V

钛合金TC4（也称为TC4）材料的组成为Ti-6Al-4V，具有良好的综合力学性能，比强度大。钛合金热导率低，钛合金的热导率为铁的1/5、铝的1/10，TC4的热导率l=7.955W/m·K。线膨胀系数为7.89×10-6℃，比热为0.612cal/g·℃。钛合金的弹性模量较低。TC4的弹性模量E=110GPa，约为钢的1/2，故钛合金加工时容易产生变形。钛及其合金由于其优异的耐腐蚀性，低密度，良好的机械性能和高生物相容性而广泛用于化学，航空和生物医学工业^[19,20]。然而，钛基合金表现出相对较差的耐磨性和低硬度，这限制了它们的应用领域。陶瓷增强体的添加可以有效提高纯Ti的耐磨性，特定强度和高温耐久性^[21~23]。 SiC^[24]，WC ^[25]，TiC ^[26]和TiB2^[27]等几种增强材料被用于开发钛基复合材料。此外，通过加入一硼化钛（TiB）颗粒来生产Ti-TiB复合材料，可以获得更多的有益性能。首先，硼是具有生物相容性的^[28]，从而使Ti-TiB复合材料成为医学应用的潜在候选材料^[22,29]。其次，Ti（4.51 g·cm-3）和TiB（4.54 g·cm-3）之间只有很小的密度差异，此外，相对较少量的TiB增强材料足以增加TiB的强度和强度复合材料与其他Ti化合物相比^[30]。第三，TiB在高温下表现出良好的化学稳定性以及良好的热力学稳定性，提供非反应性基质增强界面。 TiB和Ti基体相似的热膨胀系数（CTE）（TiB为7.2×10-6℃-1，Ti基体为8.2×10-6℃-1）^[31]）减少了可能促进残余应力的有害不相容性脆性反应区^[32]。

TiB颗粒可以通过Ti与二硼化钛（TiB2）的原位反应而产生，这导致在Ti基体和TiB增强物之间形成良好的界面结合^[33]。参考文献已经报道了与非原位方法相比原位反应生产原位金属基复合材料的巨大优势^[34]。各种常用技术，如铸造^[35]，粉末冶金^[36]和燃烧合成^[37]已被应用于制造Ti基复合材料。一般而言，用于生产钛基材料的传统制造技术涉及高时间，能耗和材料消耗的处理步骤。此外，钛具有很强的反应性，使得制造过程繁琐。因此，选择性激光熔化（SLM）等新兴先进技术可以在不增加任何步骤的情况下以高效的方式生成复杂形状的零件，具有极大的潜力来简化和加速制造过程。

迄今为止，仅对有限数量的钛基复合材料SLM处理进行了研究^[38,39]，其中Ti-TiC复合材料的相对致密度高达98.5％。通过增强，增强成核，微观结构的改善以及加工几乎完全致密的部件来提高机械性能是非常重要的因素。因此，研究起始粉末，其最佳制备，SLM制造参数和涉及的冶金反应以生产高相对密度（gt;99.5％）的陶瓷增强Ti材料是至关重要的。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

ti-6al-4v是一种α β型两相钛合金，含有6%的α稳定元素al，可使α相得到强化；4%的β稳定元素v使β相保持到室温。选择性激光熔覆（3d打印）技术制备ti-6al-4v钛合金已经较为成熟。然而，由于选择性激光熔覆是一种快速升温和急速冷却的加工工艺，前期研究表明实时监控其加热过程较为困难。

1.文献调研，了解国内外相关研究概况和发展趋势；

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，确定技术方案，并完成开题报告。

第4-8周：按照设计方案，进行模拟计算。

第9-12周：采用om等测试技术及设备对ti-6al-4v钛合金试样的物相、显微结构测试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 孙婷婷, 杨永强, 郭明华. 选区激光熔化316l 不锈钢粉末形貌分析.激光杂志,2009, 30(5):68–70

[2] 吴峥强. 金属零件选区激光熔化快速成型技术的现状及发展趋势. 金属铸锻焊技术,2008,7:118–121

[3] i. yadroitsev,p. bertrand, i. smurov .parametric analysis of the selective laser meltingprocess. applied surface science,2007, 253: 8064–8069