激光快速直接制造W/Ni合金太空望远镜准直器

　　1　引　言

　　快速成型技术(RP)是一种无需任何附加模具、直接利用计算机CAD模型制造复杂原型的制造方法。激光直接制造技术(LDM)是快速成型技术的进一步发展,它将金属的特性和功能注入到常规快速成型技术制造的原型中,能够快速柔性地制造出全密度、全功能的金属零件,尤其适用于传统方法难以制造的梯度功能材料、超硬材料、复合材料、金属间化合物材料等特殊材料或形状特殊的金属零件,是目前国际上的研究热点之一。近几年世界各国的许多研究机构对直接制造进行了许多的研究,取得了实质性重要进展,并各自发展了基于激光熔覆的不同名称的快速制造技术[1~9]。

　　激光直接制造技术可很好地用于制造小批量特殊材料、特殊性能和特殊几何形状的贵重金属零件,这些零件用传统方法是很难加工或加工成本非常昂贵的。本文在原研究基础上,研究用激光直接制造技术制造一种新型的太空硬X射线调制望远镜的准直器零件。准直器主要用于吸收倾斜入射于望远镜接收口中的硬X射线辐射,只让垂直入射的X射线被望远镜接收探测到,其基本物理性能要求为有效吸收倾斜入射的太空硬X射线,该准直器采用高熔点、高密度的钨或钨合金来制造。准直器是一直径191 mm,高度300 mm,厚度3 mm的薄壁圆筒型零件,内有5条主筋,要求主筋间的平行度不低于2/1000,尺寸精度无严格要求,横截面如图1所示。由于该准直器特殊的材料和较复杂的形状要求,传统方法诸如铸造、焊接等难以加工,用电火花切割又极其昂贵,激光直接制造技术则提供了一种快速低成本的先进加工方法。

　　2　实验方法

　　实验和制造设备包括PRC3000型3 kW快轴流CO2激光器,CNC数控工作平台,清华大学研制的THPF-1型自动送粉器和THCN-3型同轴送粉喷嘴。用一台Marathon-MR1S双波长红外测温探头来监测制造过程中的熔池温度。

　　激光制造所用材料为150目的纯钨和纯镍,按不同配比配制成W/Ni混合粉末,用同轴送粉激光熔覆的方法制备出W/Ni合金。基板为中碳钢,在零件制造完成后被切除。

　　用JSM-630IF扫描电子显微镜分析所制得金属零件样品的显微组织,由电镜能谱成分分析仪(EDX)测量成分。

　　准直器的制造轨迹为:先熔覆堆积外圆,断光移到平行筋处熔覆筋,断光移至下一根筋的另一端点启动激光熔覆第二根筋,直到完成5根筋后断光回到外圆的起点完成一个截面循环,激光熔覆头提升0·2 mm,启动下一个循环直至完成整个准直器。外圆和筋之间有一定重叠,确保良好的冶金结合。

　　3　结果及讨论

　　3·1　钨和钨合金的激光熔覆特性