CN103273065B - 一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法，包括以下步骤：一、建立无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型；二、进行切层处理，得到各层切片的截面信息，各层切片分别为1#切片、2#切片…、n#切片；三、将基板和金属粉末均放入电子束快速成型机中；四、预热基板；五、制备1#实体片层；六、制备i#实体片层，i为2、3…、n；七、判断i=n时扫描过程结束；八、除去未成型粉末，得到无焊缝金属蜂窝构件。本发明工艺简单易控，操作简便可靠，生产周期短，生产效率高，可重复性强；采用本发明成型的无焊缝金属蜂窝构件的力学性能优异，蜂窝孔不易变形、坍塌，且能够根据需求任意调整蜂窝孔结构，适于大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于金属构件的快速成型技术领域，具体涉及一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法。
背景技术
金属蜂窝是一种结构、功能一体化材料，由金属骨架和相间的蜂窝孔组成，因其内部结构含有许多蜂窝状通孔而得名。金属蜂窝具有独特的性能，广泛应用于航空航天、交通运输、能源环保、机械电子等领域，主要起分离、换热、吸声、蓄能、减震等功效。
比如航空发动机排气系统中的重要部件—油气分离器，油气分离器的作用是把排气中的润滑油分离出来以循环利用，它的性能对减少航空发动机滑油的消耗有着重要的意义。我国目前使用的老式叶片式分离器的油气分离效率低（约96%），造成了大量航空润滑油的损耗，导致我国现有飞机有效载荷、飞行半径与国外先进机型具有很大差距。近十年来，国外开发了一种通孔泡沫金属转子，利用泡沫金属大的比表面积、可控的孔结构和优异的透气性能，将润滑油储存在泡沫金属的孔隙中，在离心力的作用下实现油气分离。研究证明将泡沫金属取代老式叶片，使油气分离系数提高至98%以上，并且大大降低了油气分离器的重量。
经大量试验研究发现，将一种孔结构呈锥形蜂窝状有序排列的无焊缝金属蜂窝构件应用于油气分离工艺，其分离效率高达99%，不仅可以使有效载荷和飞行距离得到大大提高，而且污染排放降低6倍以上，是未来航空业的发展方向。
然而，这种整体无焊缝的金属蜂窝构件很难采用常规技术制备。采用传统焊接法制备的金属蜂窝构件是将薄板首先加工成波纹状，再将波纹片 焊接连接而成。然而采用传统焊接法制备的金属蜂窝构件在孔的形状与大小方面受到限制，且焊缝的存在使其性能受到严重影响。虽然采用电火花加工法和粉末冶金法也可以制备整体无焊缝的金属蜂窝构件，但是电火花法的加工耗时长，工程造价高，且无法实现孔结构形式的多样化；而粉末冶金法是在金属或合金粉末中加入粘结剂，均匀混合后进行压坯成形，然后将压坯经干燥、脱除粘结剂后再经过烧结而成，因此粉末冶金法的制备工艺繁杂，而且所制金属蜂窝构件存在蜂窝孔结构易变形、坍塌，力学性能低下等问题。
因此，亟需研发一种工艺简单可控，产品性能优异，且能够根据需求任意调整蜂窝孔结构的无焊缝金属蜂窝构件的快速成型方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种工艺简单可控、产品性能优异的无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法。采用该方法成型的金属蜂窝构件整体无焊缝，结构均匀完整，能够根据需求任意调整蜂窝孔结构；不仅解决了采用传统成型工艺制备的金属蜂窝构件普遍存在焊缝的技术缺陷，而且克服了采用传统成型工艺制备的金属蜂窝构件的蜂窝孔结构单一、产品质量低劣的技术瓶颈，具有显著的应用价值。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法，该方法采用的设备包括电子束快速成型机和与电子束快速成型机相接的计算机，所述电子束快速成型机包括可升降工作台、储粉箱、铺粉器和电子束发生器，所述计算机内装有三维建模软件和切层软件，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据所要成型的无焊缝金属蜂窝构件的结构和尺寸，在计算机中利用三维建模软件建立无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型；
步骤二、将步骤一中建立的无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型导入 切层软件中，利用切层软件由上至下对无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型进行切层处理，得到无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的截面信息；
所述无焊缝金属蜂窝构件的各层切片依据切层的先后顺序分别为1#切片、2#切片、…、n#切片，其中n为不小于3的正整数；所述无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的厚度均为0.04mm～0.18mm；
步骤三、将步骤二中得到的无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的截面信息均导入电子束快速成型机中，然后选择基板和金属粉末，并将所选择的基板和金属粉末一起放入电子束快速成型机中，其中基板放置在可升降工作台上，金属粉末放置在储粉箱中；所选择的金属粉末的材质与所要成型的无焊缝金属蜂窝构件的材质相同；
步骤四、在惰性气氛保护下，利用电子束发生器产生电子束，然后利用所产生的电子束对步骤三中放置在可升降工作台上的基板进行预热处理；
步骤五、利用电子束快速成型机制备1#实体片层：
步骤501、利用铺粉器将步骤三中放置在储粉箱中的金属粉末平铺于步骤四中预热后的基板表面，再在惰性气氛保护下，利用电子束发生器产生电子束，然后利用所产生的电子束对平铺于基板表面的金属粉末进行预热处理；平铺于基板表面的金属粉末的厚度与1#切片的厚度相等，预热处理过程中电子束的电流为10mA～20mA，预热处理的时间为8s～10s；
步骤502、在惰性气氛保护下，利用电子束发生器产生电子束，然后利用所产生的电子束按照1#切片的截面信息对步骤501中预热后的金属粉末进行选区扫描，使选区扫描后的金属粉末加热熔化为金属液，金属液自然冷却后凝固于基板表面，得到与1#切片的厚度与截面信息均相同的1#实体片层；选区扫描过程中电子束的电流为15mA～50mA，选区扫描的扫描速率为1.5×104mm/s～13.5×104mm/s；
步骤六、利用电子束快速成型机制备i#实体片层，所述i为2、3、…、n，其中n为不小于3的正整数：
步骤601、将放置有基板和(i-1)#实体片层的可升降工作台下降且下降高度与i#切片的厚度相同；
步骤602、利用铺粉器将步骤三中放置在储粉箱中的金属粉末平铺于(i-1)#实体片层表面，再在惰性气氛保护下，利用电子束发生器产生电子束，然后利用所产生的电子束对平铺于(i-1)#实体片层表面的金属粉末进行预热处理；平铺于(i-1)#实体片层表面的金属粉末的厚度与i#切片的厚度相等，预热处理过程中电子束的电流为10mA～20mA，预热处理的时间为8s～10s；
步骤603、在惰性气氛保护下，利用电子束发生器产生电子束，然后利用所产生的电子束按照i#切片的截面信息对预热后的金属粉末进行选区扫描，使选区扫描后的金属粉末加热熔化为金属液，金属液自然冷却后凝固于(i-1)#实体片层表面，得到与i#切片的厚度与截面信息均相同的i#实体片层；选区扫描过程中电子束的电流为15mA～50mA，选区扫描的扫描速率为1.5×104mm/s～13.5×104mm/s；
步骤七、对i#实体片层进行判断，当i#实体片层满足i=n时，判断电子束选区熔化成型的逐层扫描过程结束，进入步骤八；否则，返回步骤六；
步骤八、采用压缩空气吹拂或超声波振荡的方法将未经电子束选区熔化成型的金属粉末除去，得到由1#实体片层、2#实体片层、…以及n#实体片层逐层堆积而成的无焊缝金属蜂窝构件。
上述的一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法，其特征在于，所述无焊缝金属蜂窝构件为无焊缝金属蜂窝平板件或无焊缝金属蜂窝旋转件。
上述的一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法，其特征在于，所述无焊缝金属蜂窝构件的材质为不锈钢、钛合金或镍合金。
上述的一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法，其特征在于，所述三维建模软件为Pro/Engineer软件、Solidworks软件或Unigraphic软件。
上述的一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法，其特征在于，所述切层软件为AutoFab软件、NetFabb软件或Magics软件。
上述的一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法，其特征在于，步骤三中所选择的金属粉末的粒度为10μm～140μm。
上述的一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法，其特征在于，步骤三中所选择的基板的材质为不锈钢，且基板的板面面积S基满足：1.2Sm≤S基≤2.1Sm，其中Sm为无焊缝金属蜂窝构件的下底面面积，S基和Sm的单位均为mm2。
上述的一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法，其特征在于，步骤四中预热后的基板的温度T基满足：0.44Tm≤T基≤0.67Tm，其中Tm为金属粉末的熔点，Tm和T基的单位均为℃。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用电子束选区熔化成型技术快速制备整体无焊缝的金属蜂窝构件，不仅解决了采用传统成型工艺制备的金属蜂窝构件普遍存在焊缝的技术缺陷，而且克服了采用传统成型工艺制备的金属蜂窝构件的蜂窝孔结构单一、产品质量低劣的技术瓶颈，最终得到一种整体无焊缝、结构均匀完整、综合性能高的金属蜂窝构件。
2、本发明无焊缝金属蜂窝构件的结构和尺寸可根据实际需求进行调整；本发明首先在三维建模软件中通过对所需成型的金属蜂窝构件的外形、尺寸以及蜂窝孔结构进行设计和调整，然后通过对金属粉末材质的选取，并且通过控制电子束选区熔化成型的工艺参数，最终制备得到产品性能优异、能够根据需求任意调整蜂窝孔结构的无焊缝金属蜂窝构件。
3、本发明无焊缝金属蜂窝构件的力学性能优异，蜂窝孔结构不易变形、坍塌，且能够根据需求任意调整蜂窝孔结构；本发明能够生产结构复杂的金属蜂窝构件，如带上下致密盖板的无焊缝金属蜂窝构件，或带中间致密隔板的无焊缝金属蜂窝构件。
4、本发明工艺简单易控，操作简便可靠，生产周期短，生产效率高， 可重复性强，适于大规模工业化生产。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明无焊缝金属蜂窝构件的成型工艺流程图。
图2为本发明无焊缝金属蜂窝构件的成型过程示意图。
图3为本发明实施例1建立的无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型示意图。
图4为本发明实施例2和实施例3建立的无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型示意图。
图5为本发明实施例4建立的无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型示意图。
附图标记说明：
1—可升降工作台； 2—储粉箱； 3—铺粉器；
4—电子束发生器； 5—基板； 6—金属粉末；
7—已成型构件。
具体实施方式
如图2所示，本发明无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型过程中所采用的设备包括电子束快速成型机和与电子束快速成型机相接的计算机，所述计算机内装有三维建模软件和切层软件。所述电子束快速成型机为现有设备，可以采用瑞典Arcam-A1型或Arcam-A2型电子束快速成型机，也可以采用我国清华大学及西北有色金属研究院共同研制的EBSM-150型或EBSM-250型电子束快速成型机；根据本领域公知常识，电子束快速成型机包括可升降工作台1、储粉箱2、铺粉器3和电子束发生器4，且可升降工作台1、储粉箱2、铺粉器3和电子束发生器4均位于电子束快速成型机的成型室内，其中可升降工作台1设置在成型室的底部， 电子束发生器4设置于成型室的顶部且与可升降工作台1正对设置，储粉箱2设置于成型室的一侧或对称设置于成型室的左右两侧，铺粉器3滑动设置于可升降工作台1上。所述三维建模软件和切层软件均为现有软件，其中三维建模软件可以采用Pro/Engineer软件、Solidworks软件或Unigraphic软件，切层软件可以采用AutoFab软件、NetFabb软件或Magics软件。
实施例1
本实施例所要成型的无焊缝金属蜂窝构件的具体规格为：材质为钛合金（具体为TiAl合金），尺寸为200mm（长）×100mm（宽）×18mm（高），且具有正六边形（正六边形的内切圆直径为1.6mm）蜂窝通孔结构的无焊缝金属蜂窝平板件。
结合图1和图2，本实施例无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法包括以下步骤：
步骤一、根据所要成型的无焊缝金属蜂窝构件的结构和尺寸，在计算机中利用三维建模软件建立无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型；本实施例采用的三维建模软件为Solidworks软件；本实施例建立的无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型见图3；
步骤二、将步骤一中建立的无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型导入切层软件中，利用切层软件由上至下对无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型进行切层处理，得到无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的截面信息；本实施采用的切层软件为AutoFab软件；本实施例得到的无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的截面信息均为本领域公知的标准模板库（Standard Template Library，STL）文件；
所述无焊缝金属蜂窝构件的各层切片依据切层的先后顺序分别为1#切片、2#切片…、100#切片；所述无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的厚度均为0.18mm；
步骤三、将步骤二中得到的无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的截面信 息均导入电子束快速成型机中，然后选择基板5和金属粉末6，并将所选择的基板5和金属粉末6一起放入电子束快速成型机中，其中基板5放置在可升降工作台1上，金属粉末6放置在储粉箱2中；本实施例所选择的金属粉末6为粒度为100μm～140μm的TiAl合金粉，本实施例所选择的基板5为尺寸为210mm（长）×115mm（宽）×25mm（高）的不锈钢板，且基板5的板面面积为无焊缝金属蜂窝构件下底面面积的1.2倍；
步骤四、在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后利用所产生的电子束对步骤三中放置在可升降工作台1上的基板5进行预热处理，使基板5的温度T基为1100℃且T基满足：T基=0.67Tm，其中Tm为金属粉末6的熔点，Tm和T基的单位均为℃；
步骤五、制备1#实体片层：
步骤501、利用铺粉器3将步骤三中放置在储粉箱2中的金属粉末6平铺于步骤四中预热后的基板5表面，再在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后利用所产生的电子束对平铺于基板5表面的金属粉末6进行预热处理；平铺于基板5表面的金属粉末6的厚度与1#切片的厚度相等，预热处理过程中电子束的电流为20mA，预热处理的时间为10s；
步骤502、在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后利用所产生的电子束按照1#切片的截面信息对步骤501中预热后的金属粉末6进行选区扫描，使选区扫描后的金属粉末6加热熔化为金属液，金属液自然冷却后凝固于基板5表面，得到与1#切片的厚度与截面信息均相同的1#实体片层；选区扫描过程中电子束的电流为50mA，选区扫描的扫描速率为1.5×104mm/s
步骤六、制备i#实体片层，所述i为2、3、…、100：
步骤601、将放置有基板5和(i-1)#实体片层的可升降工作台1下降且下降高度与i#切片的厚度相同；
步骤602、利用铺粉器3将步骤三中放置在储粉箱2中的金属粉末6 平铺于(i-1)#实体片层表面，再在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后利用所产生的电子束对平铺于(i-1)#实体片层表面的金属粉末6进行预热处理；平铺于(i-1)#实体片层表面的金属粉末6的厚度与i#切片的厚度相等，预热处理过程中电子束的电流为20mA，预热处理的时间为10s；
步骤603、在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后利用所产生的电子束按照i#切片的截面信息对预热后的金属粉末6进行选区扫描，使选区扫描后的金属粉末6加热熔化为金属液，金属液自然冷却后凝固于(i-1)#实体片层表面，得到与i#切片的厚度与截面信息均相同的i#实体片层；选区扫描过程中电子束的电流为50mA，选区扫描的扫描速率为1.5×104mm/s；
步骤七、对i#实体片层进行判断，当i#实体片层满足i=100时，判断电子束选区熔化成型的逐层扫描过程结束，进入步骤八；否则，返回步骤六；
步骤八、采用压缩空气吹拂或超声波振荡的方法将未经电子束选区熔化成型的金属粉末6除去，得到由1#实体片层、2#实体片层、…以及100#实体片层逐层堆积而成的无焊缝金属蜂窝构件。
实施例2
本实施例所要成型的无焊缝金属蜂窝构件的具体规格为：材质为钛合金（具体为Ti6Al4V合金），外径为149mm，内径为117mm，高为53.5mm，且沿径向方向有序排列有正六边形（正六边形的内切圆直径为1.6mm）蜂窝通孔结构的无焊缝金属蜂窝旋转件。
结合图1和图2，本实施例无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法包括以下步骤：
步骤一、根据所要成型的无焊缝金属蜂窝构件的结构和尺寸，利用三维建模软件建立无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型；本实施例采用的三维建模软件为Solidworks软件；具体建模过程中，可预先建立尺寸为 53.5mm×467.86mm×16mm的平板模型，再在平板板面上阵列切割出所需数量的正六边形（正六边形的内切圆直径为1.6mm），之后利用软件中的钣金卷曲功能，通过控制卷曲半径，实现所需的孔结构梯度变化，最终卷曲形成无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型；本实施例建立的无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型见图4；
步骤二、将步骤一中建立的无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型导入切层软件中，利用切层软件由上至下对无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型进行切层处理，得到无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的截面信息；本实施采用的切层软件为NetFabb软件，本实施例得到的无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的截面信息均为本领域公知的标准模板库（Standard Template Library，STL）文件；
所述无焊缝金属蜂窝构件的各层切片依据切层的先后顺序分别为1#切片、2#切片、…、1070#切片；所述无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的厚度均为0.05mm；
步骤三、将步骤二中得到的无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的截面信息均导入电子束快速成型机中，然后选择基板5和金属粉末6，并将所选择的基板5和金属粉末6一起放入电子束快速成型机中，其中基板5放置在可升降工作台1上，金属粉末6放置在储粉箱2中；本实施例所选择的金属粉末6粒度为60μm～100μm的Ti6Al4V合金粉，本实施例所选择的基板5为190mm×190mm×10mm，厚度为10mm的不锈钢板，且基板5的板面面积为无焊缝金属蜂窝构件下底面面积的2.1倍；
步骤四、在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后利用所产生的电子束对步骤三中放置在可升降工作台1上的基板5进行预热处理，使基板5的温度T基为750℃且T基满足：T基=0.44Tm，其中Tm为金属粉末6的熔点，Tm和T基的单位均为℃；
步骤五、制备1#实体片层：
步骤501、利用铺粉器3将步骤三中放置在储粉箱2中的金属粉末6 平铺于步骤四中预热后的基板5表面，再在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后利用所产生的电子束对平铺于基板5表面的金属粉末6进行预热处理；平铺于基板5表面的金属粉末6的厚度与1#切片的厚度相等，预热处理过程中电子束的电流为10mA，预热处理的时间为10s；
步骤502、在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后利用所产生的电子束按照1#切片的截面信息对步骤501中预热后的金属粉末6进行选区扫描，使选区扫描后的金属粉末6加热熔化为金属液，金属液自然冷却后凝固于基板5表面，得到与1#切片的厚度与截面信息均相同的1#实体片层；选区扫描过程中电子束的电流为16.5mA，选区扫描的扫描速率为13.5×104mm/s；
步骤六、制备i#实体片层，所述i为2、3、…、1070：
步骤601、将放置有基板5和(i-1)#实体片层的可升降工作台1下降且下降高度与i#切片的厚度相同；
步骤602、利用铺粉器3将步骤三中放置在储粉箱2中的金属粉末6平铺于(i-1)#实体片层表面，再在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后利用所产生的电子束对平铺于(i-1)#实体片层表面的金属粉末6进行预热处理；平铺于(i-1)#实体片层表面的金属粉末6的厚度与i#切片的厚度相等，预热处理过程中电子束的电流为10mA，预热处理的时间为10s；
步骤603、在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后利用所产生的电子束按照i#切片的截面信息对预热后的金属粉末6进行选区扫描，使选区扫描后的金属粉末6加热熔化为金属液，金属液自然冷却后凝固于(i-1)#实体片层表面，得到与i#切片的厚度与截面信息均相同的i#实体片层；选区扫描过程中电子束的电流为16.5mA，选区扫描的扫描速率为13.5×104mm/s；
步骤七、对i#实体片层进行判断，当i#实体片层满足i=1070时，判 断电子束选区熔化成型的逐层扫描过程结束，进入步骤八；否则，返回步骤六；
步骤八、采用压缩空气吹拂或超声波振荡的方法将未经电子束选区熔化成型的金属粉末6除去，得到由1#实体片层、2#实体片层、…以及1070#实体片层逐层堆积而成的无焊缝金属蜂窝构件。
实施例3
本实施例所要成型的无焊缝金属蜂窝构件的具体规格为：材质为镍合金（具体牌号为Inconel625），外径为120mm，内径为60mm，高为35mm，且沿径向方向有序排列有正六边形（正六边形的内切圆直径为3mm）蜂窝通孔结构的无焊缝金属蜂窝旋转件。
结合图1和图2，本实施例无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法包括以下步骤：
步骤一、根据所要成型的无焊缝金属蜂窝构件的结构和尺寸，利用三维建模软件建立无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型；本实施例采用的三维建模软件为Pro/Engineer软件；具体建模过程中，可预先建立尺寸为35mm×282.6mm×30mm的平板模型，再在平板板面上阵列切割出所需数量的正六边形（正六边形的内切圆直径为3mm），之后利用软件中的钣金卷曲功能，通过控制卷曲半径，实现所需的孔结构梯度变化，最终卷曲形成无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型；本实施例建立的无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型见图4；
步骤二、将步骤一中建立的无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型导入切层软件中，利用切层软件由上至下对无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型进行切层处理，得到无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的截面信息；本实施采用的切层软件为Magics软件，本实施例得到的无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的截面信息均为本领域公知的标准模板库（Standard Template Library，STL）文件；
所述无焊缝金属蜂窝构件的各层切片依据切层的先后顺序分别为1# 切片、2#切片、…、500#切片；所述无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的厚度均为0.07mm；
步骤三、将步骤二中得到的无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的截面信息均导入电子束快速成型机中，然后选择基板5和金属粉末6，并将所选择的基板5和金属粉末6一起放入电子束快速成型机中，其中基板5放置在可升降工作台1上，金属粉末6放置在储粉箱2中；所选择的金属粉末6的材质为Inconel625合金粉；所选择的金属粉末6的粒度为80μm～120μm；所选择的基板5为150mm×150mm×10mm，厚度为10mm的不锈钢板，且基板5的板面面积为无焊缝金属蜂窝下底面面积的2.0倍；
步骤四、在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后利用所产生的电子束对步骤三中放置在可升降工作台1上的基板5进行预热处理，使基板5的温度T基为750℃并满足：T基=0.56Tm，其中Tm为金属粉末6的熔点，Tm和T基的单位均为℃；
步骤五、制备1#实体片层：
步骤501、利用铺粉器3将步骤三中放置在储粉箱2中的金属粉末6平铺于步骤四中预热后的基板5表面，再在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后利用所产生的电子束对平铺于基板5表面的金属粉末6进行预热处理；平铺于基板5表面的金属粉末6的厚度与1#切片的厚度相等，预热处理过程中电子束的电流为15mA，预热处理的时间为8s；
步骤502、在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后利用所产生的电子束按照1#切片的截面信息对步骤501中预热后的金属粉末6进行选区扫描，使选区扫描后的金属粉末6加热熔化为金属液，金属液自然冷却后凝固于基板5表面，得到与1#切片的厚度与截面信息均相同的1#实体片层；选区扫描过程中电子束的电流为18mA，选区扫描的扫描速率为12×104mm/s；
步骤六、制备i#实体片层，所述i为2、3、…、500：
步骤601、将放置有基板5和(i-1)#实体片层的可升降工作台1下降且下降高度与i#切片的厚度相同；
步骤602、利用铺粉器3将步骤三中放置在储粉箱2中的金属粉末6平铺于(i-1)#实体片层表面，再在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后利用所产生的电子束对平铺于(i-1)#实体片层表面的金属粉末6进行预热处理；平铺于(i-1)#实体片层表面的金属粉末6的厚度与i#切片的厚度相等，预热处理过程中电子束的电流为15mA，预热处理的时间为8s；
步骤603、在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后利用所产生的电子束按照i#切片的截面信息对预热后的金属粉末6进行选区扫描，使选区扫描后的金属粉末6加热熔化为金属液，金属液自然冷却后凝固于(i-1)#实体片层表面，得到与i#切片的厚度与截面信息均相同的i#实体片层；选区扫描过程中电子束的电流为18mA，选区扫描的扫描速率为12×104mm/s；
步骤七、对i#实体片层进行判断，当i#实体片层满足i=500时，判断电子束选区熔化成型的逐层扫描过程结束，进入步骤八；否则，返回步骤六；
步骤八、采用压缩空气吹拂或超声波振荡的方法将未经电子束选区熔化成型的金属粉末6除去，得到由1#实体片层、2#实体片层、…以及500#实体片层逐层堆积而成的无焊缝金属蜂窝构件。
实施例4
本实施例所要成型的无焊缝金属蜂窝构件的具体规格为：材质为不锈钢（具体牌号为316L），外径为149mm，内径为117mm，高为53.6mm，且沿径向方向有序排列有正六边形（正六边形的内切圆直径为1.6mm）蜂窝通孔结构的无焊缝金属蜂窝旋转件；并且该无焊缝金属蜂窝旋转件的顶部和底部均设置有厚度为1mm的盖板。
结合图1和图2，本实施例无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成 型方法包括以下步骤：
步骤一、根据所要成型的无焊缝金属蜂窝构件的结构和尺寸，利用三维建模软件建立无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型；本实施例采用的三维建模软件为Unigraphic软件；具体建模过程中，可预先建立尺寸为53.6mm×467.86mm×16mm的平板模型，再在平板板面上阵列切割出所需数量的正六边形（正六边形的内切圆直径为1.6mm），之后利用软件中的钣金卷曲功能，通过控制卷曲半径，实现所需的孔结构梯度变化，卷曲后于顶部和底部均铺设厚度为1mm的盖板，最终形成无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型；本实施例建立的无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型见图5；
步骤二、将步骤一中建立的无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型导入切层软件中，利用切层软件由上至下对无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型进行切层处理，得到无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的截面信息；本实施采用的切层软件为NetFabb软件，本实施例得到的无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的截面信息均为本领域公知的标准模板库（Standard Template Library，STL）文件；
所述无焊缝金属蜂窝构件的各层切片依据切层的先后顺序分别为1#切片、2#切片、…、1390#切片；所述无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的厚度均为0.04mm；
步骤三、将步骤二中得到的无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的截面信息均导入电子束快速成型机中，然后选择基板5和金属粉末6，并将所选择的基板5和金属粉末6一起放入电子束快速成型机中，其中基板5放置在可升降工作台1上，金属粉末6放置在储粉箱2中；本实施例所选择的金属粉末6为粒度为10μm～90μm的316L不锈钢粉；本实施例所选择的基板5为170mm×170mm×10mm的不锈钢板，且基板5的板面面积为无焊缝金属蜂窝构件下底面面积的1.7倍；
步骤四、在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后 利用所产生的电子束对步骤三中放置在可升降工作台1上的基板5进行预热处理，使基板5的温度T基为780℃且T基满足：T基=0.56Tm，其中Tm为金属粉末6的熔点，Tm和T基的单位均为℃；
步骤五、制备1#实体片层：
步骤501、利用铺粉器3将步骤三中放置在储粉箱2中的金属粉末6平铺于步骤四中预热后的基板5表面，再在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后利用所产生的电子束对平铺于基板5表面的金属粉末6进行预热处理；平铺于基板5表面的金属粉末6的厚度与1#切片的厚度相等，预热处理过程中电子束的电流为10mA，预热处理的时间为10s；
步骤502、在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后利用所产生的电子束按照1#切片的截面信息对步骤501中预热后的金属粉末6进行选区扫描，使选区扫描后的金属粉末6加热熔化为金属液，金属液自然冷却后凝固于基板5表面，得到与1#切片的厚度与截面信息均相同的1#实体片层；选区扫描过程中电子束的电流为15mA，选区扫描的扫描速率为8.5×104mm/s；
步骤六、制备i#实体片层，所述i为2、3、…、1390：
步骤601、将放置有基板5和(i-1)#实体片层的可升降工作台1下降且下降高度与i#切片的厚度相同；
步骤602、利用铺粉器3将步骤三中放置在储粉箱2中的金属粉末6平铺于(i-1)#实体片层表面，再在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后利用所产生的电子束对平铺于(i-1)#实体片层表面的金属粉末6进行预热处理；平铺于(i-1)#实体片层表面的金属粉末6的厚度与i#切片的厚度相等，预热处理过程中电子束的电流为10mA，预热处理的时间为10s；
步骤603、在惰性气氛保护下，利用电子束发生器4产生电子束，然后利用所产生的电子束按照i#切片的截面信息对预热后的金属粉末6进行 选区扫描，使选区扫描后的金属粉末6加热熔化为金属液，金属液自然冷却后凝固于(i-1)#实体片层表面，得到与i#切片的厚度与截面信息均相同的i#实体片层；选区扫描过程中电子束的电流为15mA，选区扫描的扫描速率为8.5×104mm/s；
步骤七、对i#实体片层进行判断，当i#实体片层满足i=1390时，判断电子束选区熔化成型的逐层扫描过程结束，进入步骤八；否则，返回步骤六；
步骤八、采用压缩空气吹拂或超声波振荡的方法将未经电子束选区熔化成型的金属粉末6除去，得到由1#实体片层、2#实体片层、…以及1390#实体片层逐层堆积而成的无焊缝金属蜂窝构件。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法，该方法采用的设备包括电子束快速成型机和与电子束快速成型机相接的计算机，所述电子束快速成型机包括可升降工作台(1)、储粉箱(2)、铺粉器(3)和电子束发生器(4)，所述计算机内装有三维建模软件和切层软件，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据所要成型的无焊缝金属蜂窝构件的结构和尺寸，在计算机中利用三维建模软件建立无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型；所述无焊缝金属蜂窝构件为无焊缝金属蜂窝旋转件；
步骤二、将步骤一中建立的无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型导入切层软件中，利用切层软件由上至下对无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型进行切层处理，得到无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的截面信息；
所述无焊缝金属蜂窝构件的各层切片依据切层的先后顺序分别为1#切片、2#切片…、n#切片，其中n为不小于3的正整数；所述无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的厚度均为0.04mm～0.18mm；
步骤三、将步骤二中得到的无焊缝金属蜂窝构件的各层切片的截面信息均导入电子束快速成型机中，然后选择基板(5)和金属粉末(6)，并将所选择的基板(5)和金属粉末(6)一起放入电子束快速成型机中，其中基板(5)放置在可升降工作台(1)上，金属粉末(6)放置在储粉箱(2)中；所选择的金属粉末(6)的材质与所要成型的无焊缝金属蜂窝构件的材质相同；所选择的基板(5)的材质为不锈钢，且基板(5)的板面面积S基满足：1.2Sm≤S基≤2.1Sm，其中Sm为无焊缝金属蜂窝构件的下底面面积，S基和Sm的单位均为mm2；
步骤四、在惰性气氛保护下，利用电子束发生器(4)产生电子束，然后利用所产生的电子束对步骤三中放置在可升降工作台(1)上的基板(5)进行预热处理；预热后的基板(5)的温度T基满足：0.44Tm≤T基≤0.67Tm，其中Tm为金属粉末(6)的熔点，Tm和T基的单位均为℃；
步骤五、利用电子束快速成型机制备1#实体片层：
步骤501、利用铺粉器(3)将步骤三中放置在储粉箱(2)中的金属粉末(6)平铺于步骤四中预热后的基板(5)表面，再在惰性气氛保护下，利用电子束发生器(4)产生电子束，然后利用所产生的电子束对平铺于基板(5)表面的金属粉末(6)进行预热处理；平铺于基板(5)表面的金属粉末(6)的厚度与1#切片的厚度相等，预热处理过程中电子束的电流为10mA～20mA，预热处理的时间为8s～10s；
步骤502、在惰性气氛保护下，利用电子束发生器(4)产生电子束，然后利用所产生的电子束按照1#切片的截面信息对步骤501中预热后的金属粉末(6)进行选区扫描，使选区扫描后的金属粉末(6)加热熔化为金属液，金属液自然冷却后凝固于基板(5)表面，得到与1#切片的厚度与截面信息均相同的1#实体片层；选区扫描过程中电子束的电流为15mA～50mA，选区扫描的扫描速率为1.5×104mm/s～13.5×104mm/s；
步骤六、利用电子束快速成型机制备i#实体片层，所述i为2、3…、n，其中n为不小于3的正整数：
步骤601、将放置有基板(5)和(i-1)#实体片层的可升降工作台(1)下降且下降高度与i#切片的厚度相同；
步骤602、利用铺粉器(3)将步骤三中放置在储粉箱(2)中的金属粉末(6)平铺于(i-1)#实体片层表面，再在惰性气氛保护下，利用电子束发生器(4)产生电子束，然后利用所产生的电子束对平铺于(i-1)#实体片层表面的金属粉末(6)进行预热处理；平铺于(i-1)#实体片层表面的金属粉末(6)的厚度与i#切片的厚度相等，预热处理过程中电子束的电流为10mA～20mA，预热处理的时间为8s～10s；
步骤603、在惰性气氛保护下，利用电子束发生器(4)产生电子束，然后利用所产生的电子束按照i#切片的截面信息对预热后的金属粉末(6)进行选区扫描，使选区扫描后的金属粉末(6)加热熔化为金属液，金属液自然冷却后凝固于(i-1)#实体片层表面，得到与i#切片的厚度与截面信息 均相同的i#实体片层；选区扫描过程中电子束的电流为15mA～50mA，选区扫描的扫描速率为1.5×104mm/s～13.5×104mm/s；
步骤七、对i#实体片层进行判断，当i#实体片层满足i＝n时，判断电子束选区熔化成型的逐层扫描过程结束，进入步骤八；否则，返回步骤六；
步骤八、采用压缩空气吹拂或超声波振荡的方法将未经电子束选区熔化成型的金属粉末(6)除去，得到由1#实体片层、2#实体片层…以及n#实体片层逐层堆积而成的无焊缝金属蜂窝构件。
2.根据权利要求1所述的一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法，其特征在于，所述无焊缝金属蜂窝构件的材质为不锈钢、钛合金或镍合金。
3.根据权利要求1所述的一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法，其特征在于，所述三维建模软件为Pro/Engineer软件、Solidworks软件或Unigraphic软件。
4.根据权利要求1所述的一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法，其特征在于，所述切层软件为AutoFab软件、NetFabb软件或Magics软件。
5.根据权利要求1所述的一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法，其特征在于，步骤三中所选择的金属粉末(6)的粒度为10μm～140μm。
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