CN101391302A - 一种热等静压金属包套的整体快速制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热等静压金属包套的整体快速制造方法，其步骤为：①采用三维造型软件设计出金属包套的CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到SLM快速成形机；②对成形室抽真空；③在工作平台上平铺一层金属粉末；④采用半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器，对位于该层切片边界处的金属粉末进行扫描，熔化边界处的粉末材料；⑤重复上述步骤③～④，直至制成致密的包套。在包套三维模型设计时，可在包套上预留进粉孔，以便进行后续的粉末充填、震实、抽真空和封装等工艺。本发明制得的包套是致密的，包套形状是可控制的，可以成形任意复杂形状结构的零件，并且实现了材料高利用率。

Description

一种热等静压金属包套的整体快速制造方法
技术领域
本发明属于零件成形制造领域，具体涉及一种热等静压金属包套的整体快速制造方法。
背景技术
热等静压(Hot isostatic pressing，HIP)是利用高温高压载荷来实现粉末材料的制备和零件成形的工艺方法。特别是，利用该技术可以实现陶瓷、硬质合金、复合材料、钛镍等贵重金属粉末零件的整体近净成形，其零件的力学性能与同材质锻件相当，尺寸精度可达0.1mm，且材料利用率超过90％，几乎不存在材料浪费。在该工艺中，成形材料为粉末状态，高温高压介质为气体。为了实现高温高压气体对粉末材料的压制作用，需要制作专门的金属包套，包覆粉末材料以屏蔽气体进入粉末内部；同时，还可充当模具的角色，以达到控制最终零件形状的目的。
俄罗斯最早研究热等静压近净成形工艺，并利用该方法制造出航空发动机的涡轮盘等复杂零部件，取得实际应用。起初，制造热等静压包套主要为机加工方法。如俄罗斯的LNT(Laboratory of New Technology)实验室利用机加工方法制造复杂涡轮盘等零部件的金属包套。但是，机加工方法往往需要逐步制造出包套的不同部位，然后采取焊接等连接方法拼接成一个整体，整个过程周期长，而且浪费材料十分严重。据法国新能源技术及纳米材料创新实验室的实际应用表明，利用机加工方法制造热等静压包套的成本超过零件总制造成本的60％，极大了限制了该方法的推广应用。为此，一些研究单位研究铸造和金属注射等成形方法制造热等静压包套。与机加工方法相比，该成形方法可实现热等静压包套的整体成形，制造周期缩短，而且材料利用率得到较大提高。但是，该成形方法往往需要制造专门的模具，从而加大了包套制造成本。近年来，一些研究人员开始尝试利用快速成形技术在无需制造模具的条件下快速、低成本地制造热等静压金属包套。如日本的Kinzoku Giken公司用选择性激光烧结(Selective LaserSintering，SLS)技术制造叶轮的热等静压包套。具体过程是，首先利用SLS方法通过逐层烧结金属粉末成形出叶轮的复杂部分，然后通过焊接方法连接其他简单形状的软钢包套部分，形成整体封闭的金属包套。但是，该种工艺只是利用快速成形方法制造包套中复杂局部结构，然后将各个局部结构拼接成整体，且在热等静压之后需要通过酸蚀等方法去除包套，工艺较为繁琐，操作难度较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热等静压金属包套的整体快速制造方法，该方法可以实现任意复杂形状包套的整体、快速和低成本制造。
本发明提供的热等静压金属包套的整体快速制造方法，其步骤包括：
(1)采用三维造型软件设计出金属包套的CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到选择性激光熔化快速成形机；
(2)对选择性激光熔化快速成形机的成形室抽真空；
(3)在工作平台上平铺一层的金属粉末，金属粉末的厚度为0.02—0.1mm，粒径为10—60μm；
(4)采用激光功率大于等于100W的半导体泵浦YAG激光器、光纤激光器或CO2激光器，激光光斑为10—250μm，扫描速度为30—200mm/s，扫描间距为0.03—0.07mm，对该层切片处金属粉末进行扫描，熔化切片处的粉末材料；
(5)重复上述步骤(3)～(4)，直至制成金属包套。
针对现有技术中各种热等静压包套制造方法存在的问题，本发明提出利用选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术通过逐层熔化金属粉末，实现任意复杂热等静压包套整体结构的一次近净成形，使其制造周期缩短，制造成本降低。具体而言，本发明具有如下优点：
(1)可以成形任意复杂形状结构的零件，解除了传统方法难于制作复杂包套的限制。
(2)由于在真空环境下熔化或烧结制件，确保了SLM制件内部无气体存在，即使需要充填粉末，包套内部也进行高真空处理，从而保证后续的热等静压工艺能够顺利进行，以制得所需形状和致密度的零件。
(3)制得的包套是致密的，且包套形状是可控制的，避免了设计包套所带来的偏差，因此能够保证最终热等静压成形的零件尺寸。
(4)若采用的包套和内部粉末是同一种材料，热等静压后无需去除包套，避免了包套材料对零件的污染以及零件脱离包套的工艺过程，实现了材料高利用率。
附图说明
图1为叶轮包套三维模型图；
图2为设计带有进粉孔的叶轮包套三维模型图；
图3为某一层包套制作示意图。
具体实施方式
本发明利用选择性激光熔化SLM快速成形技术，对所要制作的粉末零件外壳进行三维扫描，从而将外壳熔化成致密体，而内部仍然为松装的粉末，致密的封闭外壳在热等静压过程中起到包套作用，从而阻断外界高温高压的气体。在热等静压过程中，可以一次成形所需的复杂结构的零件。
如果要提高包套内部粉末的致密度或者要充填与外面包套不同材料的粉末，则可以在SLM制作的包套上预留一个进粉口，口径大小参考粉末颗粒大小，以适合清粉和充填粉末为准。在包套制作完成后，可以通过充填粉末、震实、抽真空和封装工艺将包套封口，以完成金属包套的制作。在这种工艺过程中，虽然包套的后续处理过程略显复杂，但能够制作复杂形状的包套，且封口对包套整体形状的影响较少。热等静压后需要通过酸蚀等方法去除包套，但只需进行简单的机加工就可得到最终的零件，对提高热等静压零件的尺寸精度有较大的改进，可以满足不同材料热等静压工艺处理的要求。
实例1：
(1)首先根据SLM制件经过热等静压后可能出现的变形情况，采用三维造型软件(如UG、Pro/E等)设计出金属包套热等静压前的CAD三维模型，该模型为封闭的壳体，如附图1即为叶轮包套三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到SLM快速成形机。
(2)对SLM快速成形机的成形室抽真空。
(3)送粉机构在工作平台上平铺一层厚度为60μm，粒径为20μm的304不锈钢粉末。
(4)采用激光功率大于等于100W的半导体泵浦YAG激光器、光纤激光器或CO2激光器，激光光斑为30μm，扫描间距为0.06mm，扫描速度为100mm/s，对该层切片处的金属粉末进行扫描，以熔化切片处的粉末材料，使之相对密度大于95％。对位于该层内部的金属粉末可以采用两种方式进行处理，一种是不进行激光扫描，为未熔化的松装粉末；另一种是采用相同工艺参数的激光束，扫描成间距为2mm的网状结构，内部的相对密度为60％左右，如附图3内部网状线即为激光扫描部分。由于叶片很薄，所以叶片部分都烧结成致密体，而中心中空柱体部分则只烧结外壳部分，利用激光烧结的外壳部分均由三维模型的STL文件控制。
(5)重复上述步骤(3)～(4)，直至制成一个完整的、相对密度大于95％的封闭壳体且内部相对密度约为60％金属粉末的SLM制件。
该方法制成的金属包套和内部粉末是同一种材料，热等静压后即得到最终所需的零件，无需去除包套。
实例2：
(1)首先根据SLM制件经过热等静压后可能出现的变形情况，采用三维造型软件(如UG、Pro/E等)设计出金属包套热等静压前的CAD三维模型，该模型为带开口的壳体，包套上预留一个1～2mm的进粉孔，如附图2即为带进粉口的叶轮包套三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到SLM快速成形机。
(2)对SLM快速成形机的成形室抽真空。
(3)送粉机构在工作平台上平铺一层厚度为60μm，粒径为20μm的45号钢粉末。
(4)采用激光功率大于等于100W的半导体泵浦YAG激光器、光纤激光器或CO2激光器，激光光斑为30μm，扫描间距为0.06mm，扫描速度为100mm/s，对该层切片处的金属粉末进行扫描，以熔化切片处的粉末材料，使之相对密度大于95％。
(5)外壳包套制作完成后，通过进粉口将内部粉末清出。然后利用Tig焊(Tungsten Inert Gas，惰性气体钨极保护焊)在顶部预留进粉孔处焊接上一根相同直径的45号钢钢管。利用电火花或氦质谱检漏仪等检漏设备检漏，确保焊缝处是密封的，以保证后续抽真空工艺的顺利进行。
(6)通过钢管向包套内部充填所要成形的金属粉末(如Ti粉)，粉末平均粒度为50μm，有差别的粉末粒度更能提高粉末的致密度。同时，振动以震实粉末，直到不能继续充填为止，内部粉末的致密度可以达到70％左右。
(7)利用高度真空泵通过钢管对包套内部进行抽真空处理，在钢管和真空泵连接处设置过滤筛网，以防止粉末被抽进真空泵内。开始的抽气速度要缓慢一点，防止气流扰动粉末颗粒，当真空度低于1×10-4Pa的时候，加热钢管，边抽真空边封口，从而保证包套内部最终的真空度达到1×10-3Pa。
由于钢管孔径很小，对大包套整体带来的影响很小，故可以准确成形包套。包套需要利用酸蚀等方法去除，热等静压后的零件只需进行简单的机加工即可。
图1为根据所要制作零件的最终尺寸，考虑热等静压后的尺寸收缩设计的叶轮包套三维模型图。该叶轮模型为中空壳体，设计的壳体厚度即为在SLM快速成形机上用激光进行扫描熔化的区域，内部的中空部分为松装的金属粉末。图2为设计带有进粉孔的叶轮包套三维模型图，待外壳包套制作完成后，可以通过该进粉孔进行后续的抽真空处理等。图3为利用SLM制作叶轮壳体过程中，某一层切片平面的形状，除内部网格和中心中空部分外，其他部分均为激光扫描熔化所得的致密壳体，内部网格部分采用相同参数的激光扫描，以提高内部松装粉末的致密度。

Claims (4)

1、一种热等静压金属包套的整体快速制造方法，其步骤包括：
(1)采用三维造型软件设计出金属包套的CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到选择性激光熔化快速成形机；
(2)对选择性激光熔化快速成形机的成形室抽真空；
(3)在工作平台上平铺一层的金属粉末，金属粉末的厚度为0.02—0.1mm，粒径为10—60μm；
(4)采用激光功率大于等于100W的半导体泵浦YAG激光器、光纤激光器或CO2激光器，激光光斑为10—250μm，扫描速度为30—200mm/s，扫描间距为0.03—0.07mm，对该层切片处的金属粉末进行扫描，熔化切片处的粉末材料；
(5)重复上述步骤(3)～(4)，直至制成金属包套。
2、根据权利要求1所述的快速制造方法，其特征在于：步骤(4)与步骤(5)之间，进行下述处理：
激光器对切片边界内的金属粉末沿着网状轨迹选择性扫描成网状结构。
3、根据权利要求1所述的快速制造方法，其特征在于：在三维模型制作时，在金属包套上预留进粉孔，以便进行后续的充填粉末、震实、抽真空和封装等工艺。
4、根据权利要求1所述的快速制造方法，其特征在于：粉末成形材料广泛，只要能够制成满足SLM成形要求的金属粉末，均可以利用SLM成形。
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