CN105499566A - 一种实现电子束选区熔化增材制造金属零部件原位热处理的方法 - Google Patents

一种实现电子束选区熔化增材制造金属零部件原位热处理的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现电子束选区熔化增材制造金属零部件原位热处理的方法，涉及增材制造及热处理技术领域。本发明在所述的成型区域熔化步骤之后增加了二次加热重熔的步骤，对成型区域进行熔化。所述的二次加热重熔参数包括电子束流扫描速度、电子束电流、扫描偏移量及焦斑尺寸。本发明可在零部件加工成型过程中件实施原位热处理，从而消除零件中部分微观孔洞，同时可提高零件表面光洁度，实现微观组织结构控制并在一定范围内实现对成型件力学性能的调控。

Description

一种实现电子束选区熔化增材制造金属零部件原位热处理的方法
技术领域
本发明涉及一种对增材制造金属零部件进行原位热处理的方法，特别是对电子束选区熔化增材制造金属零部件进行原位热处理的方法。通过对金属零件在成型过程中实施原位加热或重熔热处理，可以消除部分微观孔洞、提高零件表面光洁度、调整微观组织结构，从而在一定范围内实现对成型件力学性能的调控。
背景技术
高能束流3D打印技术是金属零部件快速成型的主要发展方向。近年来发展起来的以高能束流(电子束、激光束、等离子束等)为热源的3D打印技术是实现金属零部件快速成型的主要发展方向，可极大的提高金属零部件的生产效率和制造柔性，已经在航空航天、汽车、船舶、生物医疗等领域显现出广阔的应用前景。目前已经实现商业化应用的主要有选择性激光烧结(SLS，SelectiveLaserSintering)、选择性激光熔化(SLM，SlectivelaserMelting)、激光净成形技术(LENS，LaserEngineeredNetShapingTechnique)、金属直接激光烧结(DMLS，DirectMetalLaserSintering)以及电子束选区熔化(EBM，ElectronBeamMelting)等。
同其他高能束流3D打印技术相比，电子束熔化EBM3D打印技术在制造高温金属结构件方面具有突出的优势：EBM将材料成形、加工与热处理过程统一，具有功率大、扫描速度快、束斑小、精度高、穿透深、能量利用率高以及加工环境真空无污染的特点，材料的微观组织结构具有很强的可控性；此外，EBM成型过程中熔化选区外的金属粉末可以对零件起到良好的支撑作用，尤其适合高形状复杂度的小型精密零件制造。
EBM成型过程是将具有一定粒径范围分布的金属球形粉末逐层熔化成型，通过控制加工参数(主要包括电子束流扫描速度、电流、扫描偏移量及焦斑尺寸)可以抑制成型过程中的宏观缺陷产生。但在原始粉末中存在的微观气孔缺陷则无法在成型过程中消除，并可能会引入到零件产品中形成微观缺陷。在公开号为[EP2886225]的专利中，通过对EBM成型件进行后续热等静压(HIP)处理实现零件组织致密化，可获得更为优异的力学性能。但HIP处理会导致生产制造成本增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种对电子束选区熔化增材制造(简称EBM)金属零部件进行原位热处理的方法。所述原位热处理的方法在瑞典ArcamAB公司生产的EBM设备上完成。
所述原位热处理的方法是在标准EBM加工过程的基础上对每一熔化成型层进行二次加热重熔，通过额外热量输入消除成型零件中的微观缺陷并实现微观组织结构控制。公开号为USPatent7871551的专利描述了标准EBM加工过程由(1)起始板预热——(2)铺粉——(3)粉末预热——(4)轮廓熔化——(5)成型区域熔化——(6)后续预热共6个步骤组成，通过重复进行(2)—(6)步骤实现零件的增材制造。
本发明提供的原位热处理成型过程包括(1)起始板预热——(2)铺粉——(3)粉末预热——(4)轮廓熔化——(5)成型区域熔化——(6)二次加热重熔——(7)后续预热共7个步骤，通过重复进行(2)—(7)步骤实现零件的增材制造。
所述的二次加热重熔过程仅对成型区域进行熔化，而不进行轮廓熔化，以防止成型件边界处发生过热膨胀，导致表面凸凹不平。
所述的二次加热重熔参数包括电子束流扫描速度、电子束电流、扫描偏移量及焦斑尺寸。其中，电子束流扫描速度值调节范围为2.2～10000m/s、电子束电流调节范围为0～21mA、扫描偏移量调节范围为0～1.2mm、焦斑尺寸调节范围为100～300μm(对应电子束选区熔化增材制造设备的内部参数FocusOffset值为0—400)。通过调整加工参数组合可以控制电子束扫描的加热熔化状态、加热熔化深度、整体热量输入和冷却速率，从而实现组织结构控制。
所述的二次加热重熔可通过扫描程序设定仅在成型区域局部进行，因此可实现成型件的局部组织结构控制。
通过所述的局部组织结构控制手段可以获得组织结构梯度变化的材料。
通过所述的局部组织结构控制手段可以获得局部力学性能异性的材料。
本发明的优点在于：可在零部件加工成型过程中件实施原位热处理，从而消除零件中部分微观孔洞，同时可提高零件表面光洁度，实现微观组织结构控制并在一定范围内实现对成型件力学性能的调控。
附图说明
图1为成型件内某P点在不同二次加热重熔参数条件下经历的热历史示意图；
图2为经过不同加工参数处理的TC4合金的表面形貌：(a)为未重熔样品，(b)-(f)为FocusOffset分别为3、10、20、40、60时的重熔样品；
图3为经过不同加工参数处理的TC4合金在单位面积内的微观缺陷数量照片：(a)为未重熔样品，(b)-(f)为FocusOffset分别为3、10、20、40、60时的重熔样品；
图4为经过不同加工参数处理的TC4合金的微观组织形貌：(a)为未重熔样品，(b)和(c)为FocusOffset分别为3和40时的重熔样品；
图5为未重熔样品(图中原始态)与经FocusOffset分别为3和40时重熔处理的TC4合金的拉伸强度对比；
图6为经过不同加工参数处理的Inconel625合金的微观组织形貌：(a)为未重熔样品，(b)和(c)为FocusOffset分别为20和40时的重熔样品；
图7为经过不同加工参数处理的Inconel625合金的EBSD图谱：(a)为未重熔样品，(b)和(c)为FocusOffset分别为20和40时的重熔样品。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步说明。
本发明提供了一种实现电子束选区熔化增材制造金属零部件原位热处理的方法，所述的原位热处理的方法是在现有EBM加工过程中增加了二次加热重熔的步骤，具体的说是在成型区域熔化步骤之后增加了二次加热重熔的步骤，随后再进行后续预热等步骤。
所述的二次加热重熔，仅对成型区域进行熔化。二次加热重熔的加工参数包括电子束流扫描速度、电子束电流、扫描偏移量及焦斑尺寸。其中，电子束流扫描速度值调节范围为2.2～10000m/s、电子束电流调节范围为0～21mA、扫描偏移量调节范围为0～1.2mm、焦斑尺寸调节范围为100～300μm(对应电子束选区熔化增材制造设备内部参数FocusOffset值为0—400)。通过调整加工参数组合可以控制电子束扫描的加热熔化状态、加热熔化深度、整体热量输入和冷却速率，从而实现组织结构控制。
图1提供了成型件内某点P在不同二次加热重熔参数条件下经历的热历史示意图。二次加热重熔时电子束可按照单向重复扫描或蛇形扫描方式进行，扫描偏移量为h＝0～1.2mm。二次加热重熔引起的热量传递将使每一生长层经历多周期的变温循环热处理。随着加工参数的变化，这种原位热处理引发的固态相变温度、周期及持续时间不断变化，导致生长层的微观组织强烈依赖于工艺条件。如图1所示，在低电流、慢速扫描模式下，二次加热重熔对电子束扫描区域的加热熔化温度较低、时间较短，在固态相变温度点以上的停留时间和周期均较短；在高电流、快速扫描模式下，二次加热重熔对电子束扫描区域的加热熔化温度较高、时间较长，在固态相变温度点以上的停留时间和周期均长于前者。
下面结合实施例及附图对所述的原位热处理进行说明：
实施例1：TC4合金原位热处理
采用EBM设备同时加工6件TC4合金试块，尺寸均为20mm×20mm×80mm。其中1件试块采用正常工艺进行加工，电子束电流为4.5mA，扫描速度为700m/s，FocusOffset值为3，不做二次重熔原位热处理。其余5件试块将电子束FocusOffset值分别设定为3、10、20、40、60进行原位重熔处理，重熔过程中电子束电流与扫描速度不做改变。图2为经过不同加工参数处理的TC4合金的表面形貌。从图2(a)中可以看出未重熔样品表面存在明显的电子束扫描痕迹。当进行二次重熔处理后，样品表面状态发生改变，当FocusOffset为40时得到的样品表面较为平整。当FocusOffset为60时得到的样品表面再次出现了明显的电子束扫描痕迹。
图3为所加工的6种TC4合金在单位面积内的微观缺陷数量照片。未重熔样品内存在数量较多的微小孔洞(图3(a))；采用FocusOffset为3的加工参数进行重熔处理后，合金内部的孔洞数量减少，但孔洞尺寸有所增大；随着FocusOffset数值增大，孔洞缺陷数量逐渐减少，在FocusOffset为40时样品内部几乎完全致密无缺陷；FocusOffset进一步增大到60后导致内部缺陷增多。
对未重熔、FocusOffset为3和40的样品进行金相分析表明：未重熔样品具有细小的网篮组织；经重熔后TC4合金组织长大，FocusOffset为3时呈现明显粗大的网篮组织，FocusOffset为40时稍细化，但仍明显较未重熔组织粗大，结果如图4(a)-(c)所示。
二次重熔同样对样品力学性能产生影响，重熔后TC4合金拉伸强度略有降低，但均在900～1050MPa间波动，结果如图5所示。
实施例2：Inconel625合金原位热处理
采用EBM设备同时加工4件Inconel625合金试块，尺寸均为其中1件(记为1#试块)试块采用正常工艺进行加工，加工电子束电流为4.5mA，扫描速度500m/s，FocusOffset值为20，不做二次重熔原位热处理。其余2件试块将原位热处理参数分别：电子束电流为4.5mA，扫描速度为1000m/s，FocusOffset值为20(记为2#试块)；电子束电流为4.5mA，扫描速度为400m/s，FocusOffset值为40(记为3#试块)。图6的截面金相图片和图7的电子背散射衍射(EBSD)图为对Inconel625合金重熔处理前后样品的微观分析结果。经对比可见1#试块表现为明显的柱状晶结构(图6(a))，晶粒尺寸约为50μm，柱状晶生长存在间断，并伴有细小的等轴晶产生，根据EBSD结果可知合金具有(001)择优生长取向(图7(a))；2#试块的柱状晶组织被大量的细小等轴晶打断(图6(b))，且合金择优生长取向转变为(101)(图7(b))；3#试块柱状晶组织生长较1#试块更为充分(图6(c))，基本消除了细小等轴晶(图7(c))。
3件试块的室温拉伸测试结果分别为：827MPa，482MPa及789MPa，断后伸长率分别为42％，6％及47％。通过调整原位热处理参数可实现对合金的力学性能控制。
综合上述实施例可得出，采用二次重熔的原位热处理方法，可以控制增材制造产品的局部力学性能和微观结构，如上述的TC4合金和Inconel625合金，在适当的生长层采用二次重熔原位热处理方法，可以使材料表面平整，减小内部缺陷，微观组织更细小。

Claims (6)

1.一种实现电子束选区熔化增材制造金属零部件原位热处理的方法，包括(1)起始板预热——(2)铺粉——(3)粉末预热——(4)轮廓熔化——(5)成型区域熔化——(6)后续预热，通过重复进行(2)—(6)步骤实现零件的增材制造；其特征在于：在所述的成型区域熔化步骤之后增加了二次加热重熔的步骤，对成型区域进行熔化。
2.根据权利要求1所述的一种实现电子束选区熔化增材制造金属零部件原位热处理的方法，其特征在于：所述的二次加热重熔的加工参数包括电子束流扫描速度、电子束电流、扫描偏移量及焦斑尺寸，其中，电子束流扫描速度值调节范围为2.2～10000m/s，电子束电流调节范围为0～21mA，扫描偏移量调节范围为0～1.2mm，焦斑尺寸调节范围为100～300μm，对应电子束选区熔化增材制造设备内部参数FocusOffset值为0—400。
通过调整加工参数组合可以控制电子束扫描的加热熔化状态、加热熔化深度、整体热量输入和冷却速率，从而实现组织结构控制。
3.根据权利要求1所述的一种实现电子束选区熔化增材制造金属零部件原位热处理的方法，其特征在于：所述的电子束选区熔化增材制造设备的内部参数FocusOffset值为20—40。
4.根据权利要求1所述的一种实现电子束选区熔化增材制造金属零部件原位热处理的方法，其特征在于：二次加热重熔时电子束按照单向重复扫描或蛇形扫描方式进行，扫描偏移量为h＝0～1.2mm。
5.根据权利要求1所述的一种实现电子束选区熔化增材制造金属零部件原位热处理的方法，其特征在于：TC4合金原位热处理，电子束电流为4.5mA，扫描速度为700m/s，电子束FocusOffset值分别设定为40进行原位重熔处理，合金表面平整，合金内部完全致密无缺陷；TC4合金拉伸强度在900～1050MPa间。
6.根据权利要求1所述的一种实现电子束选区熔化增材制造金属零部件原位热处理的方法，其特征在于：Inconel625合金原位热处理，加工电子束电流为4.5mA，扫描速度400m/s，FocusOffset值为40，室温拉伸强度分别789MPa，断后伸长率为47％。
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