CN101780544A

CN101780544A - 一种采用激光成形难熔金属零件的方法

Info

Publication number: CN101780544A
Application number: CN201010042776A
Authority: CN
Inventors: 刘锦辉; 赵灿; 李瑞迪; 张丹青; 陈继兵
Original assignee: Heilongjiang University of Science and Technology
Current assignee: Heilongjiang University of Science and Technology
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2010-07-21

Abstract

本发明提供了一种使用高熔点金属粉末制造零件的方法，将选择性激光熔化快速成型技术与粉末烧结成型结合起来；首选采用三维造型软件设计出所述的零件的CAD模型，然后由切片处理软件生成多层切片信息并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到选择性激光熔化快速成形系统；其次在所述的选择性激光熔化快速成形系统中，送粉机构在工作平台上平铺一层约为0.05～0.2mm厚度的待加工粉末，采用激光功率200W以上的YAG激光器或光纤激光器按扫描速度为20～300mm/s的速度扫描所述的待加工粉末；最终使粉末熔化后堆积成零件。本方法无需模具，具有工艺过程可控性强，无需后处理，简单易行、可制造复杂形状的特点。

Description

一种采用激光成形难熔金属零件的方法

技术领域

本发明涉及金属零件成型加工领域，特别涉及一种利用钨、钼等熔点高难于熔化的金属粉末制造零件的方法，该方法利用金属粉末选择性激光熔化技术将难熔金属加工成零件。

背景技术

难熔材料是以钨、钼等难熔金属或添加一定的其他元素而构成的一种纯金属或合金材料。与传统合金材料相比，难熔材料的典型特点是熔点高，通常在3000℃左右，因此难于进行铸造加工且冶炼困难，多采用粉末冶金的方法加工成形。近年来，难熔材料零件由于其优异的性能已经得到了非常广泛的应用；以钨基合金为例，具有以下优良性能，如密度高、抗拉强度好、延性好、具有良好的吸收射线的能力、良好的导电性能、良好的导热性及较低的热膨胀系数、良好的耐腐蚀性与抗氧化性、良好的可焊接性和良好的机加工特性等。可用作防辐射屏蔽材料和γ射线刀、导航仪的陀螺转子，配重螺钉、调整片以及电铆中的铆钉材料，电火花加工用电极材料，点焊中的点焊材料，高压开关的电接触材料等等。

粉末冶金(Powder Metallurgy，PM)是一种常见的难熔金属零件的成形方法。其具体过程是将高熔点金属粉末与添加元素进行均匀混合，置于模具内进行压制，再进行烧结工艺处理，在烧结过程中低熔点粉末颗粒熔化粘结难熔金属粉末，并在烧结过程中形成低熔点二元以及三元相从而形成以难熔金属粉末为骨架以低熔点金属粉末为粘结相的难熔烧结体。该成形方法可以生产W、Mo或其他合金难熔体。因此利用该技术可以制造出难熔金属零件。为进一步提高合金物理化学性能，还可加入特殊元素进行改性。但是利用粉末冶金液相烧结法成形各种难熔材料零部件时，存在以下问题：

(1)粉末冶金液相烧结法难以直接成形出任意复杂形状的零件。难熔材料的应用中如需要某种复杂形状，粉末冶金液相烧结法则因工艺受限无法直接成形。实际生产中往往需要机械加工以及后续处理，这种方法不仅工艺繁琐，生产效率低，而且还造成了材料的浪费。

(2)粉末冶金液相烧结法需要使用模具进行成形，加工完成后需要将零件从模具中脱除，因此模具的设计与烧结工艺控制等环节至关重要，工艺控制困难，稍有偏差就会影响零件的尺寸精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种难熔金属零部件的近净成形方法，该方法无需模具，具有工艺过程可控性强，无需后处理，简单易行、可制造复杂形状的特点。

本发明为了实现其技术目的所采用的技术方案是：一种采用激光成形难熔金属零件的方法，将选择性激光熔化快速成型工艺与粉末烧结成型工艺结合；包括以下步骤：

A、在计算机中采用三维造型软件设计出所述的零件的CAD模型，然后由切片处理软件将所述的零件的CAD模型生成多层切片信息并保存为STL文件，将所述的STL文件的数据传送到选择性激光熔化快速成形系统中铺粉系统的计算机中；

B、在所述的选择性激光熔化快速成形系统中，铺粉系统在工作平台上平铺一层约为0.05～0.2mm厚度的待加工粉末，采用激光功率200W以上的YAG激光器或光纤激光器按扫描速度为20～300mm/s的速度扫描所述的待加工粉末；

C、重复上述步骤(B)，使待加工的粉末按照步骤A成形成的STL文件中各切片的形状逐层熔化，堆积成零件。

本发明的技术方案中使用了选择选择性激光熔化快速成形技术，金属粉末选择性激光熔化(SLM-Selective Laser Melting)技术基于一般快速成形原理，利用CAD软件设计出零件的三维实体模型，然后根据具体工艺要求，按照一定的厚度对模型进行分层切片处理，将其离散化为一系列二维层面，再对二维层面信息进行数据处理并加入加工参数，生成数控代码输入成型机，控制成型机的运动顺序完成各层面的成型制造，直到加工出与CAD模型相一致的原型或零件。

这种方法是在选区激光烧结(SLS)基础上发展起来的，但又区别于选区激光烧结技术，关键技术特点体现在如下几个方面：

直接制成终端金属产品，省掉中间过渡环节；

可得到冶金结合的金属实体，密度接近100％；

SLM制造的零件有高的拉伸强度；较低的粗糙度(Rz30-50mm)，高的尺寸精度(＜0.1 mm)

适合各种复杂形状的零件，尤其适合内部有复杂异型结构(如空腔)、用传统方法无法制造的复杂零件；

适合单件和小批量模具和零件快速成型。

SLM快速成形技术是模具或金属零件的一次成形技术，也是简化中间环节的终端技术。是激光快速成形发展的必然趋势。生产出的零件经抛光或简单表面处理可直接作模具、零件或医学金属植入体使用。该技术将主要应用于模具产品的快速开发应用，原型的快速设计和自动制造保证了工具的快速制造。无需数控铣削，无需电火花加工，无需任何专用工装和工具，直接根据原型而将复杂的工具和型腔制造出来，一般来说，采用选区激光熔化快速成形技术，模具的制造时间和成本均为传统传技术的1/3。并且该技术在复合材料、梯度材料的零件实体制造也有很好的发展潜力。

图1所示为根据SLM成形技术原理搭建的SLM成形装置图，包括一个封闭的成形腔6，SLM零件9在该成形腔6内成形，为了保证该零件在高温下不被氧化，因此设计成一个封闭的成形腔6，该腔具有一个保护气体的进气口4和出气口5，保护气体主要是惰性气体，在成形腔6下面设置有一个基板11，制造零件的原料粉末10设置在基板11上，该基板11由一个活塞12推动，在成形腔6的上面设置有一个保护镜3，扫描系统1产生的激光2从保护镜3处射向基板11上的粉末10，使组成该粉末的难熔金属粉末熔化，然后，铺粉系统7在计算机系统中的STL文件控制下，再铺一层，如此反复，最终形成SLM零件。根据成形零件的三维CAD模型的分层切片信息，扫描系统1就是振镜控制激光束作用于待成形区域内的粉末。一层扫描完毕后，活塞缸内的活塞下降一个层厚距离；接着送粉系统输送一定量的粉末，铺粉系统的辊子铺展一层厚的粉末沉积于已成形层之上。然后，重复上述两个成形过程，直至所有三维CAD模型的切片层全部扫描完毕。这样三维CAD模型经逐层累积方式直接成形金属零件。最后，活塞上推，从成形装备中取出零件。至此，SLM金属粉末直接成形金属零件的全部过程结束。

本发明将选择性激光熔化(SLM)快速成形技术与粉末烧结成形结合起来，这种复合方法具有以下优点：

1、使用SLM多道扫描制造难容金属零件的二维切片实体，SLM多层扫描制造后，可以成形出复杂形状结构的零件。

2、通过激光对所选择区域的难熔金属粉末进行扫描，形成温度极高的液相熔池，通过高能量密度的激光快速融化-快速凝固作用，使松散粉末形成致密的烧结体。这一加工过程比传统的粉末冶金工艺成形出的零件具有更高的密度，并可通过成形工艺参数调整熔池的三维几何形状，以控制成型零件的致密化程度。

3、采用SLM成形难容金属零件，免去了设计与制造模具带来的尺寸偏差。

4、由于工艺参数具有灵活的可控性，可以形成不同温度影响区域和极限温度范围，因而该复合成形法所涉及的成形材料成份较传统粉末冶金广泛。

工艺过程简单，避免了传统的机加工，节省材料。

下面通过具体实施例对本发明进行较为详细的说明。

附图说明

图1是根据SLM成形原理搭建的SLM成形装置图。

图2是实施例2中钨被熔化的金相结构图，图中可见，在200W的YAG激光器扫描下，钨被熔化。

具体实施方式

实施例1，

(1)、计算机利用三维造型软件(如UG、Pro/E等)设计出零件的CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输入到SLM快速成形系统。

(2)、在SLM快速成形系统中，由送粉机构在金属基板上平铺一层约为0.1～0.2mm厚度的W-Ni混合粉末(其中W质量分数≥80％，粒径约为10～100μm)。

(3)、采用激光功率为200W的YAG激光器或光纤激光器扫描选择扫描路径后的切片，使难熔混合金属粉末熔化，其中扫描速度为100～300mm/s。

(4)、重复上述步骤(2)-(3)，直到整个零件的外壳加工结束，此时W-Ni难熔金属复杂金属零件SLM加工完成。

最后，对成形出的W-Ni难熔合金复杂零件进行后续加工(如抛光、熔渗等)，使零件的尺寸和形状满足零件要求。

实例2

(1)、利用三维造型软件(如UG、Pro/E等)设计出难熔零件的CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输入到SLM快速成形系统。

(2)、由送粉机构在金属基板上平铺一层约为0.05~0.15mm厚度的钨粉(粒径约为10~100μm)。

(3)、采用激光功率为200W的YAG激光器扫描选择加工路径后的切片，使钨粉末熔化，其中扫描速度为50～100mm/s。

(4)、重复步骤(2)-(3)，直至具有一定复杂形状的钨金属零件加工完成。

如图2所示为采用200W的YAG激光器扫描选择加工路径后的切片，使钨粉末熔化后的金相图。

将所得到的具有复杂形状的钨金属零件过机械抛光等步骤后处理，即可以得到具有一定复杂形状和尺寸的纯钨难熔金属零件。

实例3

(2)、由送粉机构在金属基板上平铺一层约为0.02～0.15mm厚度的Mo-Si混合粉末(粒径约为10～100μm)。

(3)、采用激光功率为200W的光纤激光器扫描选择加工路径后的切片，使Mo-Si混合粉末熔化，其中扫描速度为50～100mm/s。

(4)、重复步骤(2)-(3)，直至具有一定复杂形状的钼金属零件加工完成。

将所得到的具有复杂形状的钨金属零件过机械抛光等步骤后处理，即可以得到具有一定复杂形状和尺寸的MoSi₂难熔金属零件。

以上实施例中：

每一层制造过程中，激光束对轮廓边界和内部的难熔金属粉末进化熔化，通过控制温度场对难熔金属粉末进行烧结；重复上述过程，多层加工结束后，即可成形出具有一定形状、一定强度的难熔金属零件，对难熔金属粉末进行SLM烧结致密化控制的方法有以下两种：

(a)粉末成分控制：与传统粉末冶金工艺相似，在难熔金属粉末中加入低熔点金属粉末，考虑粉末的互溶度和液相表面张力，形成有利于致密化过程的低熔点相，保证难熔烧结体的成形性；

(b)工艺参数控制：在SLM加工中，由于激光光斑聚焦在部分区域，在这一特殊区域可形成高温度熔池，熔池的温度能接近甚至超过难熔金属的熔点，将难熔金属粉末熔化从而形成致密的烧结体。

总之，在本发明的实施例中，难熔金属零件可以采用以下具体步骤成形：

(1)、采用三维造型软件设计出零件的CAD模型，然后由切片处理软件生成多层切片信息并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到SLM快速成形系统。

(2)、送粉机构在工作平台上平铺一层约为0.1～0.2mm厚度的待加工粉末(粒径约为10～100μm)。

(3)、采用激光功率大于等于200W的YAG激光器或光纤激光器扫描切片并使难熔金属粉末熔化，其中扫描速度为20～200mm/s。

(4)、重复上述步骤(2)-(3)，直到整个零件加工结束。

本发明的实质是将选择性激光熔化(SLM)技术与粉末烧结技术相结合。利用SLM技术可以在金属粉床中形成极高的温度场，根据CAD设计的复杂形状切片，成形出具有任意复杂形状的难熔金属零件。由于利用200W的YAG激光器在扫描速度为20～200mm/s时就可以将W的粉末熔化，在增加YAG激光器的功率后，可以适当加快扫描速度，以加快零件加工速度，因此，一般使用大于250W-300W的YAG激光器。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种采用激光成形难熔金属零件的方法，将选择性激光熔化快速成型工艺与粉末烧结成型工艺结合；其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种采用激光成形难熔金属零件的方法，其特征在于：所述的待加工粉末为W-Ni混合粉末，其中W按重量百分比在80％以上，粒径为：10um～100um。

3.根据权利要求2所述的一种采用激光成形难熔金属零件的方法，其特征在于：所述的待加工粉末的厚度为：0.02～0.1mm，所述的激光器为激光功率是200W的YAG激光器，其扫描速度为：100～300mm/s。

4.根据权利要求1所述的一种采用激光成形难熔金属零件的方法，其特征在于：所述的待加工粉末为粒径10um～100um的钨粉。

5.根据权利要求4所述的一种采用激光成形难熔金属零件的方法，其特征在于：所述的激光器为光纤激光器，其扫描速度为：50～100mm/s。

6.根据权利要求1所述的一种采用激光成形难熔金属零件的方法，其特征在于：所述的待加工的粉末为粒径为10～100μm的Mo-Si混合粉末。

7.根据权利要求6所述的一种采用激光成形难熔金属零件的方法，其特征在于：所述的Mo-Si混合粉末的厚度为0.02～0.15mm，所述的激光器为200W的光纤激光器，其扫描速度是50～100mm/s。