CN105386037B - 一种采用选区激光熔化成形技术成形功能梯度零件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用选区激光熔化成形技术成形功能梯度零件的方法，包括以下步骤：(1)将零件三维模型导入到选区激光熔化成形设备中；(2)将粉末A放置于送粉床里，将粉末B放置于送粉斗中；(3)先成形粉末A，再成形粉末B；(4)采用线切割工艺将功能梯度零件从基板上分离，在马弗炉中进行退火处理，则得到成品。本发明利用粉床增材制造中的粉床铺粉结合送粉斗下落粉技术，可以一次性成形出功能梯度材料，节约总成形时间，减少抽真空和充入氩气的次数，提高生产效率。

Description

一种采用选区激光熔化成形技术成形功能梯度零件的方法
技术领域
本发明属于梯度材料先进制造技术领域，更具体地，涉及一种采用选区激光熔化成形技术成形功能梯度零件的方法。
背景技术
功能梯度材料(Functionally Gradient Materials，简称FGM)的概念，最先由日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年提出。从材料的角度来看，功能梯度材料与均一材料、复合材料不同。它是采用两种(或多种)性能不同的材料，通过连续地改变这两种(或多种)材料的成分或结构，使其界面缓和甚至消失。使得材料的性能随着材料的成分或结构的变化而缓慢变化，形成功能梯度材料，从而适应不同环境，实现某一特殊功能的新型复合材料。功能梯度材料的应用已经渗透到国民经济发展的各个领域，尤其是在极端复杂条件下有着广泛的应用前景，如航空航天、能源工程、生物医学、电磁、核工程和光学等高新技术领域表现出梯度结构优越的性能。
由于功能梯度材料的两种(或多种)材料自身的物理化学性能差异较大，导致制备时存在困难。目前，制备方法主要有粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法、电沉积法和气相沉积法。例如，粉末冶金法是最常用的功能梯度材料制备方法。它较其他方法更为简单可操作性强。该方法是将原料粉末按设计的梯度成分成型然后进行烧结，通过调节和控制原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性从而获得热应力缓和的功能梯度材料。再例如，激光熔覆法是利用喷嘴将准备好的混合粉末喷到基体表面，通过改变激光功率、光斑尺寸、扫描速率来加热粉体从而在基体表面形成熔池。在此基础上进一步通过改变粉末成分向熔池不断喷粉，重复以上过程即可获得想要的梯度涂层。
然而，上述方法只能用来成形一些结构较简单的功能梯度材料，很难或根本无法实现复杂结构件的成形。随着应用需求的拓展，必须寻求一种新型的成形方法以成形出复杂结构的功能梯度材料。近年发展起来的3D打印(增材制造)技术是一种基于材料逐层堆积的新型制造技术。该技术将复杂的三维加工转变为简单的二维加工，大大降低了复杂零件的成形难度，从而有望解决传统制备方法无法完成的复杂结构件的成形难题。例如作为粉床增材制造之一的选区激光熔化(Selective Laser Sintering，SLM)3D打印技术因采用了光纤激光器，其能量密度高，光斑细小，成形精度高、冷却速度快，因此特别适合于金属材料的成形。
对于采用粉末床的SLM成形技术而言，一般只能在粉缸(或送粉斗)中铺满单一成分的粉末，从而成形单一金属材料。或者，成形完一种材料之后，打开成形设备，清理出所有粉末后再铺满另一种粉末，再重复一次抽真空，充入氩气，再完成成形过程，从而实现功能梯度材料的成形，成形过程比较复杂。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种采用选区激光熔化成形技术成形功能梯度零件的方法，制造出复杂结构的功能梯度材料。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种采用选区激光熔化成形技术成形功能梯度零件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在计算机上建立功能梯度零件的三维模型，然后将所述零件三维模型转成STL格式并导入到选区激光熔化成形设备中；
(2)将粉末A放置于选区激光熔化成形设备的粉床里，将粉末B放置于选区激光熔化成形设备的送粉斗中，所述粉末A和粉末B均为球形或近球形，二者平均粒径均分布在30～45μm并且氧含量均低于1000ppm，其中，粉末A为316L不锈钢粉末且粉末B为Inconel 718粉末，或者粉末A为Cu粉末且粉末B为W粉末，或者粉末A为Cu粉末且粉末B为Fe粉末；
(3)启动选区激光熔化成形设备，利用送粉缸和铺粉辊在粉床上铺一层粉末A，选区激光熔化成形设备的激光源采用Yb光纤激光，波长为1070±10nm，最大功率为400W，光斑直径为0.1～0.15mm，在氩气保护下，先采用功率为200～250W，扫描速率为500～600mm/s的激光成形粉末A，以形成功能梯度零件中材料为A的部分，然后打开送粉斗的出口，使粉末B从送粉斗中落到之前成形的A部分上，再采用功率为300～380W，扫描速率为300～400mm/s的激光成形粉末B，以形成功能梯度零件中材料为B的部分，然后待A部分和B部分共同形成的制件冷却后，清除表面浮粉，即得到功能梯度零件；
(4)采用线切割工艺将功能梯度零件从基板上分离，然后进行温度为300～450℃、时间为5～8小时的退火处理，则得到成品。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明可以按照设计的三维模型，实现复杂结构的功能梯度材料零部件的快速制造；
(2)本发明采用粉床铺粉结合送粉斗下落粉的粉床增材制造成形技术，可以一次性成形出功能梯度材料。灵活选择两种材料的成形参数，可避免在成形两种材料之间打开设备，清理粉缸，更换粉末而浪费时间，因此能节约总成形时间，减少抽真空和充入氩气的次数，降低生产成本。
附图说明
图1是本发明的工作流程图；
图2是本发明中粉床送粉成形示意图；
图3是本发明中漏斗送粉成形示意图；
图4是本发明成形的功能梯度零件的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1～图4，本发明的总体思路是：首先通过CAD软件设计功能梯度材料三维模型，然后将模型以STL格式输出，导入到选区激光熔化成形设备中，分别将粉末A和粉末B装入选区激光熔化成形设备的粉床和送粉斗中，结合最佳成形工艺参数，经层层堆积最终可得到与CAD模型一致的复杂结构的功能梯度材料；之后采用线切割分离、热处理等后续处理工艺即可得到性能良好的复杂结构的功能梯度材料零部件。
实施例1
一种采用选区激光熔化成形技术成形功能梯度零件的方法，包括以下步骤：
(1)在计算机上建立功能梯度零件的三维模型，然后将所述零件三维模型转成STL格式并导入到选区激光熔化成形设备中；
(2)将316L不锈钢粉末放置于设备的粉床里，将适合于选区激光熔化成形的Inconel 718粉末放置于设备的送粉斗中；其中，316L不锈钢粉末和Inconel 718粉末均为球形或近球形、平均粒径均为30μm并且氧含量均低于1000ppm；
(3)启动选区激光熔化成形设备，利用送粉缸和铺粉辊在粉床上铺一层316L不锈钢粉末，选区激光熔化成形设备的激光源采用Yb光纤激光，波长为1070±10nm，最大功率为400W，光斑直径为0.1mm，在氩气保护下，先采用激光功率为200W，激光扫描速率为500mm/s成形316L不锈钢粉末，以形成功能梯度零件中材料为316L不锈钢的部分，然后打开送粉斗的出口，使Inconel 718粉末从送粉斗中落到之前成形的316L不锈钢部分上，再采用激光功率为300W，激光扫描速率为300mm/s成形Inconel 718粉末，以形成功能梯度零件中材料为Inconel 718的部分，然后待制件冷却后，清除表面浮粉，得到功能梯度零件；
(4)采用线切割工艺将功能梯度零件从基板上分离，在马弗炉中进行温度为300℃、时间为5小时的退火处理，则得到成品。
实施例2
一种采用选区激光熔化成形技术成形功能梯度零件的方法，包括以下步骤：
(1)在计算机上建立功能梯度零件的三维模型，然后将所述零件三维模型转成STL格式并导入到选区激光熔化成形设备中；
(2)将316L不锈钢粉末放置于设备的粉床里，将适合于选区激光熔化成形的Inconel 718粉末放置于设备的送粉斗中；
其中，316L不锈钢粉末和Inconel 718粉末均为球形或近球形、平均粒径均为37.5μm并且氧含量均低于1000ppm；
(3)启动选区激光熔化成形设备，利用送粉缸和铺粉辊在粉床上铺一层316L不锈钢粉末，选区激光熔化成形设备的激光源采用Yb光纤激光，波长为1070±10nm，最大功率为400W，光斑直径为0.12mm，在氩气保护下，先采用激光功率为225W，激光扫描速率为550mm/s成形316L不锈钢粉末，以形成功能梯度零件中材料为316L不锈钢的部分，然后打开送粉斗的出口，使Inconel 718粉末从送粉斗中落到之前成形的316L不锈钢部分上，再采用激光功率为340W，激光扫描速率为350mm/s成形Inconel 718粉末，以形成功能梯度零件中材料为Inconel 718的部分，然后待制件冷却后，清除表面浮粉，得到功能梯度零件；
(4)采用线切割工艺将功能梯度零件从基板上分离，在马弗炉中进行温度为375℃、时间为6.5小时的退火处理，则得到成品。
实施例3
一种采用选区激光熔化成形技术成形功能梯度零件的方法，包括以下步骤：
(1)在计算机上建立功能梯度零件的三维模型，然后将所述零件三维模型转成STL格式并导入到选区激光熔化成形设备中；
(2)将316L不锈钢粉末放置于设备的粉床里，将适合于选区激光熔化成形的Inconel 718粉末放置于设备的送粉斗中；
其中，316L不锈钢粉末和Inconel 718粉末均为球形或近球形、平均粒径均为45μm并且氧含量均低于1000ppm；
(3)启动选区激光熔化成形设备，利用送粉缸和铺粉辊在粉床上铺一层316L不锈钢粉末，选区激光熔化成形设备的激光源采用Yb光纤激光，波长为1070±10nm，最大功率为400W，光斑直径为0.15mm，在氩气保护下，先采用激光功率为250W，激光扫描速率为600mm/s成形316L不锈钢粉末，以形成功能梯度零件中材料为316L不锈钢的部分，然后打开送粉斗的出口，使Inconel 718粉末从送粉斗中落到之前成形的316L不锈钢部分上，再采用激光功率为380W，激光扫描速率为400mm/s成形Inconel 718粉末，以形成功能梯度零件中材料为Inconel 718的部分，然后待制件冷却后，清除表面浮粉，得到功能梯度零件；
(4)采用线切割工艺将功能梯度零件从基板上分离，在马弗炉中进行温度为450℃、时间为8小时的退火处理，则得到成品。
实施例4
一种采用选区激光熔化成形技术成形功能梯度零件的方法，包括以下步骤：
(1)在计算机上建立功能梯度零件的三维模型，然后将所述零件三维模型转成STL格式并导入到选区激光熔化成形设备中；
(2)将Cu粉末放置于设备的粉床里，将适合于选区激光熔化成形的W粉末放置于设备的送粉斗中，其中，W粉末和Cu粉末均为球形或近球形、平均粒径均为30μm并且氧含量均低于1000ppm；
(3)启动选区激光熔化成形设备，利用送粉缸和铺粉辊在粉床上铺一层Cu粉末，选区激光熔化成形设备的激光源采用Yb光纤激光，波长为1070±10nm，最大功率为400W，光斑直径为0.12mm，在氩气保护下，先采用激光功率为200W，激光扫描速率为500mm/s成形Cu不锈钢粉末，以形成功能梯度零件中材料为Cu部分，然后打开送粉斗的出口，使W粉末从送粉斗中落到之前成形的Cu部分上，再采用激光功率为300W，激光扫描速率为300mm/s成形W粉末，以形成功能梯度零件中材料为W的部分，然后待制件冷却后，清除表面浮粉，得到功能梯度零件；
(4)采用线切割工艺将功能梯度零件从基板上分离，在马弗炉中进行温度为300℃、时间为5小时的退火处理，则得到成品。
实施例5
一种采用选区激光熔化成形技术成形功能梯度零件的方法，包括以下步骤：
(1)在计算机上建立功能梯度零件的三维模型，然后将所述零件三维模型转成STL格式并导入到选区激光熔化成形设备中；
(2)将Cu粉末放置于设备的粉床里，将适合于选区激光熔化成形的W粉末放置于设备的送粉斗中，其中，W粉末和Cu粉末均为球形或近球形、平均粒径均为37.5μm并且氧含量均低于1000ppm；
(3)启动选区激光熔化成形设备，利用送粉缸和铺粉辊在粉床上铺一层Cu粉末，选区激光熔化成形设备的激光源采用Yb光纤激光，波长为1070±10nm，最大功率为400W，光斑直径为0.15mm，在氩气保护下，先采用激光功率为225W，激光扫描速率为550mm/s成形Cu不锈钢粉末，以形成功能梯度零件中材料为Cu部分，然后打开送粉斗的出口，使W粉末从送粉斗中落到之前成形的Cu部分上，再采用激光功率为340W，激光扫描速率为350mm/s成形W粉末，以形成功能梯度零件中材料为W的部分，然后待制件冷却后，清除表面浮粉，得到功能梯度零件；
(4)采用线切割工艺将功能梯度零件从基板上分离，在马弗炉中进行温度为375℃、时间为6.5小时的退火处理，则得到成品。
实施例6
一种采用选区激光熔化成形技术成形功能梯度零件的方法，包括以下步骤：
(1)在计算机上建立功能梯度零件的三维模型，然后将所述零件三维模型转成STL格式并导入到选区激光熔化成形设备中；
(2)将Cu粉末放置于设备的粉床里，将适合于选区激光熔化成形的W粉末放置于设备的送粉斗中，其中，W粉末和Cu粉末均为球形或近球形、平均粒径均为45μm并且氧含量均低于1000ppm；
(3)启动选区激光熔化成形设备，利用送粉缸和铺粉辊在粉床上铺一层Cu粉末，选区激光熔化成形设备的激光源采用Yb光纤激光，波长为1070±10nm，最大功率为400W，光斑直径为0.1mm，在氩气保护下，先采用激光功率为250W，激光扫描速率为600mm/s成形Cu不锈钢粉末，以形成功能梯度零件中材料为Cu部分，然后打开送粉斗的出口，使W粉末从送粉斗中落到之前成形的Cu部分上，再采用激光功率为380W，激光扫描速率为400mm/s成形W粉末，以形成功能梯度零件中材料为W的部分，然后待制件冷却后，清除表面浮粉，得到功能梯度零件；
(4)采用线切割工艺将功能梯度零件从基板上分离，在马弗炉中进行温度为450℃、时间为8小时的退火处理，则得到成品。
实施例7
一种采用选区激光熔化成形技术成形功能梯度零件的方法，包括以下步骤：
(1)在计算机上建立功能梯度零件的三维模型，然后将所述零件三维模型转成STL格式并导入到选区激光熔化成形设备中；
(2)将Cu粉末放置于设备的粉床里，将适合于选区激光熔化成形的Fe粉末放置于设备的送粉斗中，其中，Fe粉末和Cu粉末均为球形或近球形、平均粒径均为30μm并且氧含量均低于1000ppm；
(3)启动选区激光熔化成形设备，利用送粉缸和铺粉辊在粉床上铺一层Cu粉末，选区激光熔化成形设备的激光源采用Yb光纤激光，波长为1070±10nm，最大功率为400W，光斑直径为0.12mm，在氩气保护下，先采用激光功率为200W，激光扫描速率为500mm/s成形Cu不锈钢粉末，以形成功能梯度零件中材料为Cu部分，然后打开送粉斗的出口，使Fe粉末从送粉斗中落到之前成形的Cu部分上，再采用激光功率为300W，激光扫描速率为300mm/s成形Fe粉末，以形成功能梯度零件中材料为Fe的部分，然后待制件冷却后，清除表面浮粉，得到功能梯度零件；
(4)采用线切割工艺将功能梯度零件从基板上分离，在马弗炉中进行温度为300℃、时间为5小时的退火处理，则得到成品。
实施例8
一种采用选区激光熔化成形技术成形功能梯度零件的方法，包括以下步骤：
(1)在计算机上建立功能梯度零件的三维模型，然后将所述零件三维模型转成STL格式并导入到选区激光熔化成形设备中；
(2)将Cu粉末放置于设备的粉床里，将适合于选区激光熔化成形的Fe粉末放置于设备的送粉斗中，其中，Fe粉末和Cu粉末均为球形或近球形、平均粒径均为37.5μm并且氧含量均低于1000ppm；
(3)启动选区激光熔化成形设备，利用送粉缸和铺粉辊在粉床上铺一层Cu粉末，选区激光熔化成形设备的激光源采用Yb光纤激光，波长为1070±10nm，最大功率为400W，光斑直径为0.1mm，在氩气保护下，先采用激光功率为225W，激光扫描速率为550mm/s成形Cu不锈钢粉末，以形成功能梯度零件中材料为Cu部分，然后打开送粉斗的出口，使Fe粉末从送粉斗中落到之前成形的Cu部分上，再采用激光功率为340W，激光扫描速率为350mm/s成形Fe粉末，以形成功能梯度零件中材料为Fe的部分，然后待制件冷却后，清除表面浮粉，得到功能梯度零件；
(4)采用线切割工艺将功能梯度零件从基板上分离，在马弗炉中进行温度为375℃、时间为6.5小时的退火处理，则得到成品。
实施例9
一种采用选区激光熔化成形技术成形功能梯度零件的方法，包括以下步骤：
(1)在计算机上建立功能梯度零件的三维模型，然后将所述零件三维模型转成STL格式并导入到选区激光熔化成形设备中；
(2)将Cu粉末放置于设备的粉床里，将适合于选区激光熔化成形的Fe粉末放置于设备的送粉斗中，其中，Fe粉末和Cu粉末均为球形或近球形、平均粒径均为45μm并且氧含量均低于1000ppm；
(3)启动选区激光熔化成形设备，利用送粉缸和铺粉辊在粉床上铺一层Cu粉末，选区激光熔化成形设备的激光源采用Yb光纤激光，波长为1070±10nm，最大功率为400W，光斑直径为0.15mm，在氩气保护下，先采用激光功率为250W，激光扫描速率为600mm/s成形Cu不锈钢粉末，以形成功能梯度零件中材料为Cu部分，然后打开送粉斗的出口，使Fe粉末从送粉斗中落到之前成形的Cu部分上，再采用激光功率为380W，激光扫描速率为400mm/s成形Fe粉末，以形成功能梯度零件中材料为Fe的部分，然后待制件冷却后，清除表面浮粉，得到功能梯度零件；
(4)采用线切割工艺将功能梯度零件从基板上分离，在马弗炉中进行温度为450℃、时间为8小时的退火处理，则得到成品。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种采用选区激光熔化成形技术成形功能梯度零件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在计算机上建立功能梯度零件的三维模型，然后将所述零件三维模型转成STL格式并导入到选区激光熔化成形设备中；
(2)将粉末A放置于选区激光熔化成形设备的粉床里，将粉末B放置于选区激光熔化成形设备的送粉斗中，所述粉末A和粉末B均为球形或近球形，二者平均粒径均分布在30～45μm并且氧含量均低于1000ppm，其中，粉末A为316L不锈钢粉末且粉末B为Inconel 718粉末，或者粉末A为Cu粉末且粉末B为W粉末，或者粉末A为Cu粉末且粉末B为Fe粉末；
(3)启动选区激光熔化成形设备，利用送粉缸和铺粉辊在粉床上铺一层粉末A，选区激光熔化成形设备的激光源采用Yb光纤激光，波长为1070±10nm，最大功率为400W，光斑直径为0.1～0.15mm，在氩气保护下，先采用功率为200～250W，扫描速率为500～600mm/s的激光成形粉末A，以形成功能梯度零件中材料为A的部分，然后打开送粉斗的出口，使粉末B从送粉斗中落到之前成形的A部分上，再采用功率为300～380W，扫描速率为300～400mm/s的激光成形粉末B，以形成功能梯度零件中材料为B的部分，然后待A部分和B部分共同形成的制件冷却后，清除表面浮粉，即得到功能梯度零件；
(4)采用线切割工艺将功能梯度零件从基板上分离，然后进行温度为300～450℃、时间为5～8小时的退火处理，则得到成品。
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