CN104084584A - 用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法，包括以下步骤：(a)根据结构件的几何特征(面积S、壁厚H、形状P)与精度要求，将各层几何模型划分成若干个区域，确定不同区域的扫描方法，所述扫描方法包括回字形、条纹形与棋盘形；(b)成型扫描：依次完成各层中不同区域的扫描、实现结构件成型；(c)外表面扫描：对成型的结构件外表面进行第二次扫描，实现结构件外表面的快速修复与热处理；本发明通过对各切片层进行分区，并选择不同的扫描方法，有效的避免了因热量集中引起的应力变形与开裂问题，提高了高温合金激光快速成型结构件的力学性能和表面精度。
Description
技术领域
本发明属于金属粉末熔化成型技术领域，涉及一种用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法。
背景技术
高温合金具有熔点高、高温强度高、低蒸汽压、低的膨胀系数以及在许多介质中的耐蚀性好等一系列优良特性，广泛应用于武器装备、医疗器械和通讯发射装备等领域。但是高温合金的成形性能差，限制了其应用范围的扩大。目前，高温合金大多采用粉末冶金成形，这种成形工艺需要昂贵的工装模具、工艺过程复杂，难以成形三维结构复杂的零件。因此，开发高温合金的先进成形技术已成为研究热点之一。激光快速成形作为一种新型的成形技术具有制造过程柔性程度高、制件的力学性能和化学性能优异、可实现组分连续变化的梯度功能材料的制造、产品的尺寸大小和复杂程度对加工难度影响很小等特点。因此，激光快速成形技术在高温合金成型中具有广阔的应用前景。
高温合金激光快速成型的熔池温度高且热量分布集中，极易造成变形、开裂等缺陷。用激光进行复杂曲面的成形过程中，激光扫描方法(包括扫描路径、激光功率、扫描速度、扫描点距、扫描间距等)的变化对扫描成形的影响作用较复杂，随着扫描方法的改变将导致熔池热量分布的改变以及残余应力分布的改变，继而影响最终的成形结果。因此，激光加热三维成形是一个非常复杂的成形过程。激光扫描方法及工艺参数的自动规划一直是难以解决的问题，这已经成为制约该技术发展的瓶颈。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种改善熔池热量分布情况，可有效避免变形、开裂缺陷的用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法，包括以下步骤：
(a)根据结构件的几何特征(面积S、壁厚H、形状P)与精度要求，将各层几何模型划分成若干个区域，确定不同区域的扫描方法，所述扫描方法包括回字形、条纹形与棋盘形；
(b)成型扫描：依次完成各层中不同区域的扫描，实现结构件成型；
(c)外表面扫描：对成型结构件外表面进行第二次扫描，实现结构件外表面的快速修复与热处理。
进一步，所述步骤(a)中扫描方法的选择原则为：
①扫描区域面积S＜0.2mm2，或扫描区域结构件厚度H＜0.5mm，采用“回”字形扫描方法；②当0.2mm2＜S＜1.0mm2，或0.5mm＜H＜5mm，采用条纹形扫描方法；③当S＞1.0mm2，或H＞5mm，采用棋盘形扫描方法。
进一步，所述步骤(b)中结构件成型扫描的功率为200W～400W，扫描速度为600mm/s～1000mm/s，扫描点距20μm～50μm，扫描间距0.1mm～0.5mm；所述步骤(c)中结构件外表面扫描的功率为150W～200W，扫描速度为1000mm/s～1500mm/s，扫描点距10μm～30μm，扫描间距0.05mm～0.2mm。
进一步，高温合金粉末的粒径范围为10～50μm，在激光快速成型设备中基板上铺设的层厚为20～50μm。
进一步，激光快速成型设备中激光波长范围为300nm～10.6μm。
进一步，激光快速成型过程中选用氩气作为保护气体。
进一步，作为结构件的高温合金为铁基高温合金、镍基高温合金、钴基高温合金、钨合金及钛合金中的一种或几种。
本发明的有益效果在于：本发明改进了传统的扫描方法，通过对各切片层进行分区，并针对各区域选择不同的扫描方法，改变了合金粉末熔化过程中的热量分布情况，有效避免了因热量集中引起的应力变形与开裂问题，显著提高了高温合金激光快速成型结构件的力学性能和表面精度；工艺过程简单，可控程度高，适于推广和应用。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明中扫描方法示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本实施例的用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法，包括以下步骤：
(1)利用三维造型软件建立结构件三维几何模型；然后由切片软件处理，生成多层切片信息后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到激光快速成型设备；
(2)根据结构件的几何特征(面积S、壁厚H、形状P)与精度要求，将几何模型的各层切片划分成若干个区域，确定不同区域的扫描方法，所述扫描方法包括回字形、条纹形与棋盘形；
扫描方法的选择原则为：①扫描区域面积S＜0.2mm2，或扫描区域结构件厚度H＜0.5mm，采用“回”字形扫描方法；②当0.2mm2＜S＜1.0mm2，或0.5mm＜H＜5mm，采用条纹形扫描方法；③当S＞1.0mm2，或H＞5mm，采用棋盘形扫描方法。
(3)将高温合金粉末平铺在激光快速成型设备的基板上，粉末的粒径范围为10～50μm，在基板上铺设的层厚为20～50μm。
(4)控制激光器的扫描速度扫描熔化待加工粉末，包括两次扫描过程，第一次为成型扫描，第二次为外表面扫描，具体的扫描过程与控制方法如下：
成型扫描：依次完成各切片层中不同区域的扫描，实现结构件成型；激光器的扫描功率为200W～400W，扫描速度为600mm/s～1000mm/s，扫描点距20μm～50μm，扫描间距0.1mm～0.5mm；
外表面扫描：对已成型的结构件外表面进行扫描，实现结构件外表面的快速修复与热处理；激光器的扫描功率为150W～200W，扫描速度为1000mm/s～1500mm/s，扫描点距10μm～30μm，扫描间距0.05mm～0.2mm；
其中，激光波长范围为300nm～10.6μm，保护气体为氩气。
(5)按分层信息逐层循环铺粉与熔化，即循环步骤(3)与步骤(4)，直至堆积成型。实现熔池热量的均匀分布，消除因熔池热量分布集中所引发的成型件变形与开裂缺陷。
本实施例所述的快速成型方法可用于金属零部件三维成型，如粉末床激光烧结成型、激光近净成型、大型激光烧结成型等；材料选择上，适用于可在高温条件下(600℃以上)承受较大复杂应力、且具有较强表面稳定性的高合金化金属材料，如铁基高温合金、镍基高温合金、钴基高温合金、钛合金及钨合金中的一种或几种。
实施例一
某高温合金切片层划分为A1、B1、C1三个区域，其中A1区域面积S为0.15mm2，采用“回”字形扫描方法，B1区域面积S为0.5mm2，采用条纹形扫描方法，C1区域面积S为2.0mm2，采用棋盘形扫描方法；
粉末的粒径为20μm，层厚为50μm；
成型扫描时激光器的扫描功率为200W，扫描速度为600mm/s，扫描点距20μm，扫描间距0.1m；外表面扫描时激光器的扫描功率为150W，扫描速度为1000mm/s，扫描点距10μm，扫描间距0.05mm；
激光波长范围为980nm，保护气体为氩气。
实施例二
某高温合金切片层划分为A2、B2、C2三个区域，其中A2扫描区域结构件厚度H为0.4mm2，采用“回”字形扫描方法，B2扫描区域结构件厚度H为1.0mm2，采用条纹形扫描方法，C2扫描区域结构件厚度H为6mm2，采用棋盘形扫描方法；
粉末的粒径为25μm，层厚为45μm；
成型扫描时激光器的扫描功率为250W，扫描速度为700mm/s，扫描点距30μm，扫描间距0.2m；外表面扫描时激光器的扫描功率为160W，扫描速度为1100mm/s，扫描点距15μm，扫描间距0.06mm；
激光波长范围为1.07μm，保护气体为氩气。
实施例三
某高温合金切片层划分为A3、B3、C3三个区域，其中A3区域面积S为0.1mm2，采用“回”字形扫描方法，B3区域面积S为0.8mm2，采用条纹形扫描方法，C3区域面积S为3.0mm2，采用棋盘形扫描方法；
粉末的粒径为30μm，层厚为45μm；
成型扫描时激光器的扫描功率为400W，扫描速度为1000mm/s，扫描点距50μm，扫描间距0.5m；外表面扫描时激光器的扫描功率为200W，扫描速度为1500mm/s，扫描点距30μm，扫描间距0.2mm；
激光波长范围为9.6μm，保护气体为氩气。
实施例四
某高温合金切片层划分为A4、B4、C4三个区域，其中A4扫描区域结构件厚度H为0.3mm2，采用“回”字形扫描方法，B4扫描区域结构件厚度H为2.0mm2，采用条纹形扫描方法，C4扫描区域结构件厚度H为10mm2，采用棋盘形扫描方法；
粉末的粒径为45μm，层厚为40μm；
成型扫描时激光器的扫描功率为300W，扫描速度为800mm/s，扫描点距35μm，扫描间距0.3m；外表面扫描时激光器的扫描功率为180W，扫描速度为1300mm/s，扫描点距20μm，扫描间距0.1mm；
激光波长范围为10.6μm，保护气体为氩气。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (7)
1.一种用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)根据结构件的几何特征(面积S、壁厚H、形状P)与精度要求，将各层几何模型划分成若干个区域，确定不同区域的扫描方法，所述扫描方法包括回字形、条纹形与棋盘形；
(b)成型扫描：依次完成各层中不同区域的扫描、实现结构件成型；
(c)外表面扫描：再对成型的结构件外表面进行扫描，实现结构件外表面的快速修复与热处理。
2.根据权利要求1所述的用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法，其特征在于：所述步骤(a)中扫描方法的选择原则为：
①扫描区域面积S＜0.2mm2，或扫描区域结构件厚度H＜0.5mm，采用“回”字形扫描方法；
②当0.2mm2＜S＜1.0mm2，或0.5mm＜H＜5mm，采用条纹形扫描方法；
③当S＞1.0mm2，或H＞5mm，采用棋盘形扫描方法。
3.根据权利要求1所述的用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法，其特征在于：所述步骤(b)中结构件成型扫描的功率为200W～400W，扫描速度为600mm/s～1000mm/s，扫描点距20μm～50μm，扫描间距0.1mm～0.5mm；所述步骤(c)中结构件外表面扫描的功率为150W～200W，扫描速度为1000mm/s～1500mm/s，扫描点距10μm～30μm，扫描间距0.05mm～0.2mm。
4.根据权利要求1所述的用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法，其特征在于：高温合金粉末的粒径范围为10～50μm，在激光快速成型设备中基板上铺设的层厚为20～50μm。
5.根据权利要求1所述的用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法，其特征在于：激光快速成型设备中激光波长范围为300nm～10.6μm。
6.根据权利要求1所述的用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法，其特征在于：激光快速成型过程中选用氩气作为保护气体。
7.根据权利要求1所述的用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法，其特征在于：作为结构件的高温合金为铁基高温合金、镍基高温合金、钴基高温合金、钨合金及钛合金中的一种或几种。
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