CN103240414B - 激光熔化技术制造金属零件参数的选择方法及基板试样 - Google Patents

Abstract

一种激光熔化技术制造金属零件参数的选择方法及基板试样，其中方法包括第一步，在预成形零件的金属基板上铺设一层金属粉末，厚度范围为0.01mm-0.06mm等七步。基板试样包括金属基板，所述金属基板上铺设有一层金属粉末，厚度范围为0.01mm-0.06mm；激光扫描在所述金属粉末上所形成的扫描线分为溶入所述金属基板表面之下的基板下部部分和露于所述金属基板表面之上的基板上部部分，所述基板上部部分和所述基板下部部分之间的厚度比值系数为2-3。本发明采用一系列的技术性实验，且结合相应的检测实验，确定不同金属粉末材料激光熔化成形的最佳参数范围，规范化当前此类行业各自为政的局面。从而解决选择性激光熔化技术成形金属零件的参数选择问题。

Description

激光熔化技术制造金属零件参数的选择方法及基板试样

技术领域

本发明涉及能量回收与利用技术领域，尤其是涉及一种激光熔化技术制造金属零件参数的选择方法。

背景技术

选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)成形技术是近年来发展起来的一项3D打印新技术。首先将被制造零件proE或UG数字化模型文件(多数STL格式)输入电脑，经程序沿零件某一方向进行切片处理，然后它利用激光对零件切片进行选择性扫描。这一过程能够直接将金属粉末熔化，依据积分原理，层层叠加，最终堆积成所需零部件。因此，该技术也被归类为增长制造技术。

目前，此技术已用于航空航天特种零部件和个性化医学移植物(如骨骼、牙齿等)的直接制造。而且还可以与其它成形工艺相结合，复合制造各种特殊零部件。由于设备采用易于金属粉末吸收的大功率高能量密度激光，可以成形各类难熔金属和化合物，为解决高熔点、高硬度、高脆性材料的成形提供了解决方案，同时拓广了其应用领域。

随着激光器制造技术和工艺的飞跃式进步，采用激光作为加工手段的相关技术也在不断发展。特别是大功率激光器制造技术的成熟和相应激光器的市场化，极大地推动了SLM技术的发展。尤其是SLM技术的制造效率得到了大幅度提高，而制造零部件的材质种类也有所扩充。

尽管SLM技术在更多领域内得到应用，但就SLM技术本身来讲，由于制造参数当中，至少激光功率、激光扫描速度、激光扫描间距决定着激光能量的输入状况，而且在大功率激光的作用下，上述参数的选择可以在较为宽的范围内进行，且必须结合金属粉末材料不同的熔点和传热特性，特别是金属粉末熔化后的焊合状态，因此给成形工艺的选择和优化造成了困难，进而影响了成形质量。

发明内容

本发明的目的在于设计一种新型的激光熔化技术制造金属零件参数的选择方法，解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种激光熔化技术制造金属零件参数的选择方法，包括步骤如下：

第一步，在预成形零件的金属基板上铺设一层金属粉末，厚度范围为0.01mm-0.06mm；所述金属粉末的粒度范围10μm-60μm；

第二步，利用三维作图软件制作长方体图形，其截面为矩形；

第三步，设定初始工艺参数，其中，激光扫描间距＞1mm，激光功率＞100W，激光扫描速度范围为400mm/s-1000mm/s；以所述初始工艺参数扫描所述金属基板上的金属粉末，进行矩形扫描实验，使金属粉末熔化，形成一组扫描线；

第四步，选择制造参数中的激光扫描速度的参数；

第五步，选择制造参数中的激光功率和激光扫描间距的参数；

第六步，采用上述选定的制造参数进行成形实验，成形长方体的试样块，体积大小在1cm³左右；

第七步，采用线切割的方法将所述试样块切割下来，并采用XRD探伤测试其缺陷，而后采用阿基米德排水测试法检验其致密度；

当其致密度未达到100％时，提升激光功率，或降低激光扫描速度和激光扫描间距，然后重复上述检验方法；

当其致密度达到100％时，终止操作。

优选的，第四步中，选择制造参数中的激光扫描速度的参数，具体方法如下：

A，先采用肉眼观察所述扫描线，当所述扫描线发生不连续现象，则降低激光扫描速度，直到肉眼观察不到所述不连续现象；

B，采用放大仪器进行放大倍数观察，细致区分所述不连续现象；直到所述扫描线的宽度沿长度方向一致，误差在±0.001范围内；确定该参数下对应的激光扫描速度为该金属粉末成形中所采用的激光扫描速度。

优选的，所述扫描线发生不连续现象是指，沿扫描线长度方向粗细不均。

优选的，采用放大仪器进行放大倍数观察，具体是指采用光学金相显微镜进一步放大倍数观察。

优选的，第五步中，选择制造参数中的激光功率和激光扫描间距的参数，具体方法如下：

A，以前述已经确定好的铺粉层厚与激光扫描速度为制造参数之一，以范围为20W-50W的步长改变所述激光功率成几组，继续进行所述矩形扫描实验，激光扫描间距依然为1mm，形成新的扫描线；

B，将成形好的几组所述新的扫描线连带所述金属基板制作横截面电子显微镜试样；

C，观察所述新的扫描线与所述金属基板的焊合深度以及扫描线隆起的高度；

当焊合深度与隆起高度的比值在2-3之间时，确定这一区间的激光功率为选定値；

以该激光功率下扫描线宽度的一半为所述激光扫描间距的确定值。

优选的，在满足其他条件的情况下，尽可能选择较小的激光功率。

一种激光熔化技术制造金属零件参数选择方法所使用的基板试样，包括金属基板，所述金属基板上铺设有一层金属粉末，厚度范围为0.01mm-0.06mm；激光扫描在所述金属粉末上所形成的扫描线分为溶入所述金属基板表面之下的基板下部部分和露于所述金属基板表面之上的基板上部部分，所述基板上部部分和所述基板下部部分之间的厚度比值系数为2-3。

优选的，所述金属粉末的粒度范围10μm-60μm。

优选的，所述基板上部部分和所述基板下部部分之间的厚度比值系数为2.5。

本发明所谓的焊合深度，是指扫描线在金属基板下部厚度；所谓的扫描线隆起的高度，是指扫描线在金属基板上部高度。

为解决选择性激光熔化技术成形金属零件的参数选择及优化问题，本发明结合实验给出了一种基于激光熔化成形金属零件的参数选择与优化方法。

本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种激光熔化技术制造金属零件参数的选择新方法，该方法借助激光器、振镜系统以及配套的计算机控制软件程序对金属粉末材料扫描熔化成形。当成形涉及到金属粉末时，本发明则采用实际SLM成形系统在成形金属基板上利用铺粉系统进行金属粉末预铺设，然后采用系统中已有的扫描程序进行线扫描和块体结构扫描。块体截面主要为正方形，扫描过程中通过控制软件提取截面信息，借助计算机的控制、激光器按照零件模型的截面信息逐层进行扫描，每层固体金属粉末在激光扫描下熔化成型后，再铺垫一层固体金属粉末为下次激光扫描做准备，逐层扫描直至完成整个成形过程。

相应的成形结束后，将扫描成形部分制成检测试样，借助于电子显微镜和XRD探伤仪进行必要的检测，按照一定的标准对于成形状况进行评估。成形的块体部分最终还需采用阿基米德排水方法对于试样进行致密度检测，进而确定最终的优化参数组合。

当成形涉及到金属粉末时，本发明则采用实际SLM成形系统在成形金属基板上利用铺粉系统进行金属粉末预铺设，然后采用系统中已有的扫描程序进行线扫描和块体结构扫描。块体截面主要为正方形，扫描过程中通过控制软件提取截面信息，借助计算机的控制、激光器按照零件模型的截面信息逐层进行扫描，每层固体金属粉末在激光扫描下熔化成型后，再铺垫一层固体金属粉末为下次激光扫描做准备，逐层扫描直至完成整个成形过程。其特征在于：采用计算机控制振镜系统，从而使激光按照指定的扫描路径完成扫描，扫描区域的划分是通过计算机控制软件以及配套程序处理完成，激光能量、作用间隔以及次数都是通过计算机系统完成控制工作。

本发明通过扫描线的连续程度确定金属粉末成形的激光扫描速度。

采用的技术方案是，借助激光器、振镜以及配套的计算机控制软件程序进行规定项目的实体成形，包括扫描线和三维实体成形，并通过光学金相显微镜、电子扫描显微镜和XRD以及阿基米德排水测量手段，对与上述成形相关的质量描述量进行检验，进而调整优化制造参数，最终达到制造满致密度的金属零件。本发明的有益效果是采用一系列的技术性实验，且结合相应的检测实验，确定不同金属粉末材料激光熔化成形的最佳参数范围，规范化当前此类行业各自为政的局面。

本发明的有益效果可以总结如下：

1，本发明采用一系列的技术性实验，且结合相应的检测实验，确定不同金属粉末材料激光熔化成形的最佳参数范围，规范化当前此类行业各自为政的局面。

2，本发明借助激光器、振镜系统以及配套的计算机控制软件程序对金属粉末材料扫描熔化成形。通过一系列技术实验逐步确定当中的激光功率、激光扫描速度、激光扫描间距等工艺参数。从而解决选择性激光熔化技术成形金属零件的参数选择问题，本发明结合实验给出了一种基于激光熔化成形金属零件的参数选择新方法。

3，本发明过程简单，可操作性强，实施成本低廉。

附图说明

图1为本发明在金属基板上使金属粉末熔化形成扫描线的示意图；

图2为本发明将成形好的几组扫描线连带金属基板制作横截面电子显微镜试样的示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示的一种激光熔化技术制造金属零件参数的选择方法，包括步骤如下：

第一步，在预成形零件的金属基板上铺设一层金属粉末，厚度范围为0.01mm-0.06mm；所述金属粉末的粒度范围10μm-60μm；

第二步，利用三维作图软件制作长方体图形，其截面为矩形；

第三步，设定初始工艺参数，其中，激光扫描间距＞1mm，激光功率＞100W，激光扫描速度范围为400mm/s-1000mm/s；以所述初始工艺参数扫描所述金属基板上的金属粉末，进行矩形扫描实验，使金属粉末熔化，形成一组扫描线；

第四步，选择制造参数中的激光扫描速度的参数；

第五步，选择制造参数中的激光功率和激光扫描间距的参数；

第六步，采用上述选定的制造参数进行成形实验，成形长方体的试样块，体积大小在1cm³左右；

第七步，采用线切割的方法将所述试样块切割下来，并采用XRD探伤测试其缺陷，而后采用阿基米德排水测试法检验其致密度；

当其致密度未达到100％时，提升激光功率，或降低激光扫描速度和激光扫描间距，然后重复上述检验方法；

当其致密度达到100％时，终止操作。

在优选的实施例中，第四步中，选择制造参数中的激光扫描速度的参数，具体方法如下：

A，先采用肉眼观察所述扫描线，当所述扫描线发生不连续现象，则降低激光扫描速度，直到肉眼观察不到所述不连续现象；

B，采用放大仪器进行放大倍数观察，细致区分所述不连续现象；直到所述扫描线的宽度沿长度方向一致，误差在±0.001范围内；确定该参数下对应的激光扫描速度为该金属粉末成形中所采用的激光扫描速度。

所述扫描线发生不连续现象是指，沿扫描线长度方向粗细不均。

采用放大仪器进行放大倍数观察，具体是指采用光学金相显微镜进一步放大倍数观察。

第五步中，选择制造参数中的激光功率和激光扫描间距的参数，具体方法如下：

A，以前述已经确定好的铺粉层厚与激光扫描速度为制造参数之一，以范围为20W-50W的步长改变所述激光功率成几组，继续进行所述矩形扫描实验，激光扫描间距依然为1mm，形成新的扫描线；

B，将成形好的几组所述新的扫描线连带所述金属基板制作横截面电子显微镜试样；

C，观察所述新的扫描线与所述金属基板的焊合深度以及扫描线隆起的高度；

当焊合深度与隆起高度的比值在2-3之间时，确定这一区间的激光功率为选定値；

以该激光功率下扫描线宽度的一半为所述激光扫描间距的确定值。

在更加优选的实施例中，第五步中，在满足其他条件的情况下，尽可能选择较小的激光功率。

一种激光熔化技术制造金属零件参数选择方法所使用的基板试样，包括金属基板，所述金属基板上铺设有一层金属粉末，厚度范围为0.01mm-0.06mm；激光扫描在所述金属粉末上所形成的扫描线分为溶入所述金属基板表面之下的基板下部部分和露于所述金属基板表面之上的基板上部部分，所述基板上部部分和所述基板下部部分之间的厚度比值系数为2-3。

在优选的实施例中，所述金属粉末的粒度范围10μm-60μm。

在更加优选的实施例中，所述基板上部部分和所述基板下部部分之间的厚度比值系数为2.5。

本发明主要针对金属粉末预沉积式激光熔化制造金属零部件的装备，装备主要配置为激光器、振镜系统、机械运动系统以及配套的计算机控制软件程序。零件的成形过程为：首先在成型腔内铺垫成型金属制件所需的金属粉末，通过计算机处理提取所成型金属制件的截面信息，借助计算机的控制、激光器按照模型的截面图形逐层进行扫描成型，每层金属粉末在激光扫描下熔化成型后，再铺设下一层金属粉末为下次激光扫描做准备，逐层扫描直至完成整个成型过程。

以上针对切片截面区域的扫描路径为能够利用数学方法所描述的各类曲线。采用的激光器为光纤激光器、YAG激光器等，其激光波长较短，易于为金属粉末吸收。上述激光器对应振镜对其光路进行控制，振镜安装在成型系统的上方。

下面结合本发明的实施方案，具体说明本发明的实现方式。本发明采用的其中一类激光器为光纤激光器，激光波长为1.06μm，光斑直径可精细到30μm以下，该波长激光易于为金属粉末吸收，而下面结合实例对本发明作进一步详细说明。

在某个优选的实施例中：

首先在预成形零件的金属基板上铺设一层金属粉末，金属粉末粒度范围10μm-60μm，金属粉末厚度范围为0.01mm-0.06mm。利用三维作图软件制作长方体图形，其截面为矩形。然后设定激光扫描间距＞1mm，激光功率＞100W，激光扫描速度范围为400mm/s-1000mm/s。以上述初始工艺参数扫描金属基板上的金属粉末，结果务必使金属粉末熔化，形成一组扫描线(如附图1所示)。

首先选择制造参数中的激光扫描速度的参数，具体方法如下：

一组激光参数作用下形成的扫描线，首先采用肉眼观察，如果扫描线发生不连续现象(沿扫描线长度方向粗细不均)，则需要降低激光扫描速度，肉眼观察不到区别的情况下，应采用光学金相显微镜进一步放大倍数观察，细致区分不连续现象。直到扫描线宽度沿长度方向一致，误差在±0.001范围内。确定该参数下对应的激光扫描速度为该金属粉末成形中所采用的激光扫描速度。

然后选择制造参数中的激光功率和激光扫描间距参数，具体方法如下：

在确定激光扫描速度后，以确定好的铺粉层厚与激光扫描速度为制造参数之一，以一定的步长(步长范围为20W-50W)改变激光功率(＞100W)成几组，继续进行矩形扫描实验，激光扫描间距依然为1mm。将成形好的几组扫描线连带金属基板制作横截面电子显微镜试样，如附图2所示，观察激光熔化金属粉末成扫描线与金属基板的焊合深度(金属基板下部厚度)以及扫描线隆起的高度(金属基板上部高度)，当焊合深度与隆起高度的比值在2-3之间时，确定这一区间的激光功率为选定値。并以节约能源为原则，尽可能选择较小的激光功率。并以该激光功率下扫描线宽度的一半为激光扫描间距的确定值。

最后，采用上述选定的制造参数进行成形实验，成形长方体试样块，体积大小在1cm3左右。成形后采用线切割的方法将试样块切割下来，并采用XRD探伤测试其缺陷，而后采用阿基米德排水测试法检验其致密度。当其致密度未达到100％时，为提升激光功率或降低激光扫描速度和激光扫描间距，重复上述检验方法，直到试样块的致密度达到近乎100％为止。

以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种激光熔化技术制造金属零件参数的选择方法，其特征在于，包括步骤如下：

第一步，在预成形零件的金属基板上铺设一层金属粉末，厚度范围为0.01mm-0.06mm；所述金属粉末的粒度范围10μm-60μm；

第二步，利用三维作图软件制作长方体图形，其截面为矩形；

第三步，设定初始工艺参数，其中，激光扫描间距>1mm，激光功率>100W，激光扫描速度范围为400mm/s-1000mm/s；以所述初始工艺参数扫描所述金属基板上的金属粉末，进行矩形扫描实验，使金属粉末熔化，形成一组扫描线；

第四步，选择制造参数中的激光扫描速度的参数；

第五步，选择制造参数中的激光功率和激光扫描间距的参数；

第六步，采用上述选定的制造参数进行成形实验，成形长方体的试样块，体积大小在1cm³左右；

第七步，采用线切割的方法将所述试样块切割下来，并采用XRD探伤测试其缺陷，而后采用阿基米德排水测试法检验其致密度；

当其致密度未达到100％时，提升激光功率，或降低激光扫描速度和激光扫描间距，然后重复上述检验方法；

当其致密度达到100％时，终止操作。

2.根据权利要求1所述的激光熔化技术制造金属零件参数的选择方法，其特征在于：第四步中，选择制造参数中的激光扫描速度的参数，具体方法如下：

A,先采用肉眼观察所述扫描线，当所述扫描线发生不连续现象，则降低激光扫描速度,直到肉眼观察不到所述不连续现象；

B,采用放大仪器进行放大倍数观察，细致区分所述不连续现象；直到所述扫描线的宽度沿长度方向一致；确定该参数下对应的激光扫描速度为该金属粉末成形中所采用的激光扫描速度。

3.根据权利要求2所述的激光熔化技术制造金属零件参数的选择方法，其特征在于：所述扫描线发生不连续现象是指，沿扫描线长度方向粗细不均。

4.根据权利要求2所述的激光熔化技术制造金属零件参数的选择方法，其特征在于：采用放大仪器进行放大倍数观察，具体是指采用光学金相显微镜进一步放大倍数观察。

5.根据权利要求1所述的激光熔化技术制造金属零件参数的选择方法，其特征在于：第五步中，选择制造参数中的激光功率和激光扫描间距的参数，具体方法如下：

A,以前述已经确定好的铺粉层厚与激光扫描速度为制造参数之一，以范围为20W-50W的步长改变所述激光功率成几组，继续进行所述矩形扫描实验，激光扫描间距依然为>1mm，形成新的扫描线；

B,将成形好的几组所述新的扫描线连带所述金属基板制作横截面电子显微镜试样；

C,观察所述新的扫描线与所述金属基板的焊合深度以及扫描线隆起的高度；

当焊合深度与隆起高度的比值在2-3之间时，确定这一区间的激光功率为选定値；

以该激光功率下扫描线宽度的一半为所述激光扫描间距的确定值。

6.根据权利要求5所述的激光熔化技术制造金属零件参数的选择方法，其特征在于：在满足其他条件的情况下，尽可能选择较小的激光功率。