CN105215359A - 一种高压惰性气体保护下金属粉末增材制造方法 - Google Patents

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谭兴龙
邓军旺
李礼
易志明
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Abstract

本发明提出一种高压惰性气体保护下金属粉末增材制造方法，在增材制造成型设备的成型室内设计一个加压装置，在高能激光束/电子束按照扫描路径逐层打印零件前，通过加压装置往成型室注入Ar、He等惰性气体，使得成型室内的压力始终保持一定值。本发明提供的一种超高压惰性气氛下增材制造方法直接制造高性能金属零件，特别适合于铝合金、镁合金、钛合金等活泼易氧化/自燃金属的增材制造。具有以下显著特点：①提高金属零件的内部质量；②减少打印过程中的变形、开裂现象；③一定程度上提高金属打印件的致密度；④打印过程中有效杜绝有害气体的侵入。

Description

一种高压惰性气体保护下金属粉末增材制造方法
技术领域
本发明属于金属粉末增材制造领域，具体涉及一种适用于金属粉末，特别是铝合金、镁合金、钛合金等活泼易发生自燃现象的粉末的增材制造技术。
背景技术
增材制造技术作为制造业中的新秀，是一项革命性新型制造技术。它改变了传统对原材料切削、组装零部件进行生产的模式，设计产品通过CAD软件转化为3D数据，之后通过特定的成型设备(3D打印机)，逐层“打印”出产品。区别于传统的“减材”制造，增材制造技术无需原坯和模具，因此可以简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。
增材制造技术为镁合金、铝合金、钛合金结构件的制造提供了新途径。但是镁合金、铝合金、钛合金属活泼金属，特别是镁合金、铝合金制成粉末后，与空气接触即发生自燃现象，故对增材制造设备的气氛控制要求很高。因此，研究一种采用高压增材制造方法直接制造出金属零件，特别是镁合金、铝合金、钛合金等易燃金属零件的加工工艺，解决镁合金、铝合金、钛合金等增材制造技术的制约性难题十分必要。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种高压惰性气体保护下金属粉末增材制造方法。
实现本发明目的的技术方案为：
一种高压惰性气体保护下金属粉末增材制造方法，在增材制造成型设备的成型室内设置一个加压装置，在高能激光束/电子束按照扫描路径逐层打印零件前，通过加压装置往成型室注入惰性气体，所述惰性气体是氩气和/或氦气，使得成型室内的压力始终保持0.1～3MPa的压力，
其中，所述增材制造成型设备为3D打印机。
其中，所述加压装置包括气瓶、高压气管和增压泵，气瓶通过高压气管连接3D打印机的成型腔室，高压气管上设置增压泵。
其中，增材制造的方法是选择性激光烧结(SLM)、电子束熔化(EBM)和激光熔化金属沉积(FMD)等中的一种。
其中，所述金属粉末是镁合金、铝合金、钛合金的粉末中的一种或多种。
钛合金具体可选自TC4(Ti-6Al-4V)，TC11(Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si)，TA15(Ti-8Al-1Mo-1V-2Zr)，TA18(Ti-3Al-2.5V)，TA19(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si)，TC17(Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr)，TC20(Ti-6Al-7Nb)，TC21(Ti-6Al-2Mo-1.5Cr-2Zr-2Sn-2Nb)，TC25(Ti-6.5Al-2Mo-1Zr-1Sn-1W-0.2Si)，TB8(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si)等中的一种。镁合金具体可选自AZ31B、31D、M50、AZ63、AZ80A、AZ91D，AM60B，AM50A等中的一种。铝合金具体可选自1A99，1A97，1A95，1A80，1A50，2A80，2A90，2A14，ZAlSi7Mn，ZAlSi12，ZAlSi5Cu1Mg，ZAlSi2Cu2Mg1，ZAlCu5Mn，ZAlCu5MnCdVA，ZAlMg10，ZAlMg5Si等中的一种。
打印温度根据不同的材料体系的熔点进行选取。3D打印机成形室里面自带基板，材质与所要打印的材料体系材质一致。
进一步地，所述金属粉末的粒径为10～30μm。
本发明的优势在于，提供一种超高压惰性气氛下增材制造方法直接制造出金属零件，特别适合于铝合金、镁合金、钛合金等活泼易氧化/自燃金属的增材制造。
本发明提出的方法，具有以下显著特点：①提高金属零件的内部质量；②减少打印过程中的变形、开裂现象；③一定程度上提高金属打印件的致密度；④打印过程中有效杜绝有害气体(O2、N2)的侵入。
附图说明
图1：加压装置和3D打印机的相对位置结构图。
图中，1-金属基3D打印成形腔室；2-金属基3D打印机；3-高压气管；4-增压泵。
具体实施方式
现以以下最佳实施例来说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：
参见图1，用于超高压惰性气体保护下金属粉末增材制造的装置，是在金属基3D打印机2(德国SLMSolutionsGmbH公司的SLM500金属基3D打印机)的金属基3D打印成形腔室1内设置一个加压装置，其包括氩气气瓶、高压气管和增压泵，氩气气瓶通过高压气管连接3D打印机的成型腔室，高压气管上设置增压泵。
采用本实施例的装置，以TC4球形粉末为原料(粉末粒径10～30μm)，增材制造的方法是选择性激光烧结(SLM)，在压力1MPa的条件下进行结构件打印，成形件的晶粒尺寸细小均匀、致密度高、机械性能好，能够达到或超过同成分铸件的水平。
打印温度为打印温度1730℃。3D打印机成形室里面自带基板，材质也是TC4。
实施例2：
采用实施例1的装置，以镁合金AZ91D粉末为原料(粉末粒径10～20μm)，增材制造的方法是选择性激光烧结(SLM)，在压力1MPa的条件下进行结构件打印，成形件的晶粒尺寸细小均匀、致密度高、表面光亮，能够达到或超过同成分铸件的水平。
打印温度为630℃。3D打印机成形室里面自带基板，材质也是AZ91D。
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高压惰性气体保护下金属粉末增材制造方法，其特征在于，在增材制造成型设备的成型室内设置一个加压装置，在高能激光束或电子束按照扫描路径逐层打印零件前，通过加压装置往成型室注入惰性气体，所述惰性气体是氩气和/或氦气，使得成型室内的压力始终保持0.1～3MPa的压力，
其中，所述增材制造成型设备为3D打印机。
2.根据权利要求1所述的金属粉末增材制造方法，其特征在于，所述加压装置，所述加压装置包括气瓶、高压气管和增压泵，气瓶通过高压气管连接3D打印机的成型腔室，高压气管上设置增压泵。
3.根据权利要求1所述的金属粉末增材制造方法，其特征在于，增材制造的方法是选择性激光烧结(SLM)、电子束熔化(EBM)和激光熔化金属沉积(FMD)中的一种。
4.根据权利要求1～3任一所述的金属粉末增材制造方法，其特征在于，所述金属粉末是镁合金、铝合金、钛合金的粉末中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的金属粉末增材制造方法，其特征在于，所述金属粉末的粒径为10～30μm。
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