CN105478766B

CN105478766B - 一种制备千层钢板的方法

Info

Publication number: CN105478766B
Application number: CN201510942431.4A
Authority: CN
Inventors: 张瑞华; 尹燕; 刘鹏宇; 屈岳波; 路超; 栗子林; 许广伟
Original assignee: Yangjiang Metal Scissors Industrial Technology Research Institute; Lanzhou University of Technology
Current assignee: Yangjiang Metal Scissors Industrial Technology Research Institute; Lanzhou University of Technology
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2018-01-23
Anticipated expiration: 2035-12-16
Also published as: CN105478766A

Abstract

本发明公开了一种千层钢板的制作方法。本发明使用两种不同金属粉末交替铺粉,利用激光选区分层熔化技术，直接打印成型千层钢板。与传统千层钢制造工艺比，本发明能够直接打印出满足使用要求的千层钢板。本发明的优点在于，其组织、成分、性能与传统工艺相当，制造成本低，成型效率高，可根据不同的需要，改变粉末类型，设定扫描路径，即可生产出不同类型的千层钢。

Description

一种制备千层钢板的方法

技术领域

本发明属于属于增材制造领域，更具体地说，尤其涉及一种千层钢板的制作方法。

背景技术

激光选区熔化技术（SLM）是指基于离散-堆积原理，利用激光、精密传动、新材料、计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）等技术，通过精细激光聚焦光斑，逐线搭接扫描新铺粉层上选定的区域，形成二维轮廓后，层与层堆积成型制造，从而直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合的金属功能零件的科学技术体系。与传统加工技术不同，通过激光选区熔化技术在一台设备上即可快速、精密地制造出致密度可达95%以上、任意复杂形状的零件，从而实现了零件的“自由制造”，解决了许多复杂结构零件成形困难等问题，大大减少了加工工序，缩短了加工周期，适合制造传统工艺无法加工或者加工工艺繁琐的零件。

千层钢板性能优异，机械加工性能良好，经热处理后，具有优良的耐腐蚀性能、较高的强度和耐磨性。传统的千层钢板通过层焊不同质量的钢和软铁，经锤打及焊接熔合制造而成，同时兼顾整体柔韧性，钢板上的图案除用酸蚀外，亦可用锤打、冲击、锉和磨的方法制成。现代的千层钢板一般由互补的两种钢材在一起锻造而成。通过软硬材料层叠在一起锻造出的钢材既具有韧性也具有韧性。

瑞典利用粉末冶金法制成柱状千层钢，而后通过锻压、酸洗工艺加工成市场上受大众青睐的各种千层钢制品，具体流程如下：

1）利用粉末冶金方法，把两种组分粉末按特定分层方法，熔压成大尺寸圆柱钢。

2）通过锻轧，把圆柱钢材锻造成尺寸合适的板材。

3）用特定形状的模具，在板材上锻造出凹凸。

4）将板材上的凸起磨平，酸洗出花纹。

由此可见，采用的无论是传统工艺或者是当今比较先进的粉末冶金法，生产的千层钢板都会受到制造技术限制，工艺繁琐，产品单一，难以满足日新月异的市场需求，为此本发明公开了一种利用激光选区熔化技术制备千层钢板的方法。

发明内容

本发明地目的是提供一种利用激光选区熔化设备，交替铺覆两种不同的金属粉末，通过激光选区熔化技术，按照预先设定的激光成形参数，层层选区熔化，快速的制造出具有一定使用性能的千层钢板的制备方法。

本发明通过以下技术方案实现。

本发明是一种制备千层钢板的方法，使用两种不同金属粉末交替铺粉,利用激光选区分层熔化技术，直接打印成型千层钢板，其包括以下制备步骤：

1）、建立千层钢成型件三维模型，在高度方向上对其进行分层切片，设定扫描路径，将保存好的扫描路径信息导入激光选区熔化设备处理器中；

2）、调整柔性刮刀的高度及其刮粉速度，以使铺粉层厚与切片信息相一致，设定激光束的功率、扫描速度、扫描间距和扫描方式，所述激光束的功率为300-500W，光束质量M2<1.1，扫描速度300-700mm/S，激光光束光斑直径50-100μm，扫描间距50 -150μm，激光束扫描方式：X-Y正交扫描，激光能量分布满足高斯分布，激光输出模式为连续单模；

3）、打开激光选区熔化设备的工作舱，将基板固定在工作台上，封闭舱门，基板预热温度>200℃，抽真空充入保护气，使氧浓度降到要求的范围；

4）、左送粉缸送粉，左柔性刮刀在基板上均匀铺覆一层待加工第一种金属粉末，金属粉末厚度与步骤1）中切片厚度保持一致；

5）、激光束按照预先设定的扫描路径、扫描方式对基板上的金属粉末进行扫描，金属粉末熔化并凝固，形成熔覆层，扫描过程中出现的飞溅、气化产物利用气刀将其吹走；

6）、基板下降一个层厚的距离，右送粉缸上升一个层厚的高度送粉，并在步骤5）中形成的熔覆层上用右柔性刮刀均匀铺上第二种金属粉末；

7）、激光束按照预先设定的扫描路径、扫描方式对基板上的金属粉末进行扫描，金属粉末熔化并凝固，形成熔覆层，扫描过程中出现的飞溅、气化产物利用气刀将其吹走；

8）、完成步骤7）中一个层面扫描后，基板下降一个层厚的距离，左送粉缸上升一个层厚的高度送粉，并在步骤7）中形成的熔覆层上用左柔性刮刀均匀铺上第一种金属粉末；

9）、重复上述步骤5）~8），直至千层钢板加工完成，关闭系统，待部件冷却至室温时取出。

上述激光束的扫描方式为逐点扫描、线扫描、面扫描、随机扫描、或者按照输入程序扫描。

上述激光束的扫描方式为按照输入程序扫描，以对每层金属粉末按照特定的路线进行扫描，使打印的千层钢板在后期加工时出现立体感花纹、特殊纹路以及其他的一些特效。

上述金属粉末的球形度≥98%，颗粒度300-500目。

上述铺粉厚度为0.04-0.1mm。

上述成型仓内的氧浓度控制范围5-10ppm，保护气体为纯度达到99.99%的氩气。

上述激光扫描时的气刀压力为0.1－0.2Mpa 。

本发明的优点在于，（1）制备过程中无需锻压，可以有效减少尺寸误差，降低杂质含量，同时，激光选区熔化过程中有惰性气体保护，可以有效的避免千层钢板在锻压、轧制过程中出现的氧化等问题，从而提高千层钢的综合性能；（2）粉末熔化的时候，液相熔池温度高、尺寸小、凝固时间短，因此冷却速度高，为高度非平衡凝固，能有效减少合金元素的微观偏析，合金致密度较传统粉末冶金工艺更高，具有细小、均匀、稳定的快速凝固组织，从而获得力学性能优异的千层钢板；（3）可以根据不同的需求，进行柔性化定制，尤其是内部结构具有成分区别、用传统方法无法制造或者制造工艺很复杂的千层钢板，结构越复杂，利用激光选区熔化技术制备千层钢板越有优势；（4）同一层内成分均匀分布，相尺寸细小，远小于传统方法制备得到的相尺寸，提高了钢板的综合性能。

附图说明

附图1为本发明激光选区熔化系统的结构示意图。

附图2为本发明的流程图示意图。

附图中个数字标号的名称分别是：1－左柔性刮刀，2－右柔性刮刀，3－第一种金属粉末，4－第二种金属粉末，5－左送粉缸，6－左送粉缸活塞，7－成型缸活塞，8－右送粉缸活塞，9－右送粉缸，10－激光发生器,11－扫描系统，12－激光发生器，13－基板，14－成型件。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细描述。

名词解释：

扫描路径：路径是激光行走的轨迹，生成切片信息的时候加上去的激光加工路径；

扫描方式：指不同轨迹之间的位置关系，扫描方式是与功率、扫描速度，一块设定的一个参数。

如图1所示，本发明的制备千层钢板的方法需要用到激光选区熔化系统，该系统包括工作舱、工作台、左送粉缸5、右送粉缸9、左柔性刮刀1、右柔性刮刀2、激光器发生器10、12、扫描系统11，其中工作台、左送粉缸5、右送粉缸9、左柔性刮刀1、右柔性刮刀2安装在工作舱中由工作舱密封，其中左送粉缸5连接有左送粉缸活塞6实现升降，右送粉缸9连接有右送粉缸活塞8实现升降，工作台连接有成型缸活塞7实现升降。

如图2所示，本发明的制备千层钢板的方法包括以下制备步骤：

1）、利用计算机设计出千层钢板的三维模型，通过切片软件在模型的高度方向上对其进行分层切片，切片厚度为0.04-0.1mm，设定扫描路径，将保存好的扫描路径信息导入激光选区熔化设备处理器中；

2）、调整柔性刮刀的高度及其刮粉速度，以使铺粉层厚与切片信息相一致，设定激光束的功率、扫描速度、扫描间距和扫描方式；

3）、打开激光选区熔化设备的工作舱，将基板13固定在工作台上，封闭舱门，基板13预热，抽真空并充入纯度为99.99%氩气进行保护，氧浓度保持在5-10ppm内；

4）、左送粉缸5送粉，左柔性刮刀1在基板13上均匀铺覆一层待加工第一种金属粉末3，金属粉末厚度与步骤1）中切片厚度保持一致，金属粉末厚度为0.04-0.1mm；

5）、激光束按照预先设定的扫描路径、扫描方式对基板13上的金属粉末进行扫描，金属粉末熔化并凝固，形成熔覆层，扫描过程中出现的飞溅、气化产物利用气刀将其吹走，气刀口的压强为0.1-0.2MPa；

6）、基板13下降一个层厚的距离，右送粉缸9上升一个层厚的高度送粉，并在步骤5）中形成的熔覆层上用右柔性刮刀2均匀铺覆一层厚度为0.04-0.1mm的第二种金属粉末4；

7）、激光束按照预先设定的扫描路径，选择性的对基板13上的金属粉末进行扫描，金属粉末熔化并凝固，形成熔覆层；

8）、完成步骤7）中一个层面扫描后，基板13下降一个层厚的距离，左送粉缸5上升一个层厚的高度送粉，并在步骤7）中形成的熔覆层上用左柔性刮刀1均匀铺覆一层厚度为0.04-0.1mm的第一种金属粉末3；

上述步骤中，激光束的功率为300-500W，光束质量M2<1.1，扫描速度300-700mm/S，激光光束光斑直径50-100μm，扫描间距50 -150μm，基板预热温度：>200℃，激光束扫描方式X-Y正交扫描，激光能量分布满足高斯分布，激光输出模式为连续单模；金属粉末的球形度≥98%，颗粒度300-500目。

实施例1

1）、将设计的千层钢板的三维模型进行切片处理，切片厚度为0.05mm，且包含待加工零件的横截面轮廓信息和扫描加工路径，保存成.STL格式后导入激光选区熔化设备处理器中；

3）、选定适合千层钢板的基板13，固定在工作台上，密封成型仓，基板13预热，抽真空并充入纯度为99.99%氩气进行保护，氧浓度保持在5-10ppm内；

4）、左送粉缸5送粉，左柔性刮刀1在基板13上均匀铺覆一层厚度为0.05mm的第一种金属粉末3，其成分的质量百分比为C ：0.9-1.2%，Si：0.2-0.8%，Mn ：0.3-0.7%，Cr ：9-15%，Mo ：2-6%，V： 0.1-0.5%，其余为Fe;

5）、激光束按照预先设定的扫描路径、扫描方式对基板上的粉末进行扫描，粉末熔化并凝固，形成熔覆层；

6）、完成该层粉末的扫描之后，基板13下降一个层厚的距离，右送粉缸9上升相同的距离，并在已成型层上用右柔性刮刀2均匀的铺上厚度为0.05mm的第二种金属粉末4，其成分的质量百分比为C ：0.4-0.8%，Si ：0.3-0.9% ，Mn： 0.3-0.8%，Cr ：8-16%，其余为Fe；

7）、激光束按照预先设定的扫描路径、扫描方式熔化该层粉末进行扫描，粉末熔化并凝固，形成第二个熔覆层；

8）、完成该层粉末的扫描之后，基板13下降一个层厚的距离，在已成型层上用左柔性刮刀1均匀铺上一层厚度为0.05mm的第一种金属粉末3；

9）重复上述步骤5）~8），直至三维模成型件14的实体制造完成。

上述步骤中，激光束功率300W，光束质量M2<1.1，扫描速度500mm/S，激光束光斑直径75μm，基板预热温度 250℃，激光束扫描方式X-Y正交扫描，激光能量分布满足高斯分布；激光输出模式为连续单模；金属粉末的球形度≥98%，颗粒度300目。

本实施例制造的千层钢性能如表1。

表1千层钢板的性能

实施例2

其他条件与实施例1相同，激光束功率400W，光束质量M2<1.1，扫描速度500mm/S，激光束光斑直径75μm，基板预热温度 250℃，激光束扫描方式X-Y正交扫描，激光能量分布满足高斯分布，激光输出模式为连续单模。

本实施例制造的千层钢性能如表2。

表2千层钢板处理后的各项性能

实施例3

其他条件与实施例1相同，激光束功率300W；光束质量M2<1.1；扫描速度,400mm/S；激光束光斑直径75μm；基板预热温度 250℃；激光束扫描方式X-Y正交扫描，激光能量分布满足高斯分布，激光输出模式为连续单模。

本实施例制造的千层钢性能如表3。

表3千层钢板处理后的各项性能

以上实施例是本发明较佳实施方案，但本发明的实施方案并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的本质与原理所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims

1.一种制备千层钢板的方法，其特征在于，使用两种不同金属粉末交替铺粉,利用激光选区分层熔化技术，直接打印成型千层钢板，其包括以下制备步骤：

4）、左送粉缸送粉，左柔性刮刀在基板上均匀铺覆一层待加工第一种金属粉末，其成分的质量百分比为C ：0.9-1.2%，Si：0.2-0.8%，Mn ：0.3-0.7%，Cr ：9-15%，Mo ：2-6%，V： 0.1-0.5%，其余为Fe，金属粉末厚度与步骤1）中切片厚度保持一致；

6）、基板下降一个层厚的距离，右送粉缸上升一个层厚的高度送粉，并在步骤5）中形成的熔覆层上用右柔性刮刀均匀铺上第二种金属粉末，其成分的质量百分比为C ：0.4-0.8%，Si ：0.3-0.9% ，Mn： 0.3-0.8%，Cr ：8-16%，其余为Fe；

2.根据权利要求1所述的制备千层钢板的方法，其特征在于，所述激光束的扫描方式为逐点扫描、线扫描、面扫描、随机扫描、或者按照输入程序扫描。

3.根据权利要求2所述的制备千层钢板的方法，其特征在于，所述激光束的扫描方式为按照输入程序扫描，以对每层金属粉末按照特定的路线进行扫描，使打印的千层钢板在后期加工时出现立体感花纹、特殊纹路以及其他的一些特效。

4.根据权利要求1所述的制备千层钢板的方法，其特征在于，所述金属粉末的球形度≥98%，颗粒度300-500目。

5.根据权利要求1所述的制备千层钢板的方法，其特征在于，所述铺粉厚度为0.04-0.1mm。

6.根据权利要求1所述的制备千层钢板的方法，其特征在于，所述成型仓内的氧浓度控制范围5-10ppm，保护气体为纯度达到99.99%的氩气。

7.根据权利要求1所述的制备千层钢板的方法，其特征在于，所述激光扫描时的气刀压力为0.1－0.2Mpa 。