CN105598449B - 一种含内置夹杂物的金属试样3d打印成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种含内置夹杂物的金属试样3D打印成形方法，其包括以下步骤：金属试样的三维模型建模并得到其层片轮廓数据；利用激光熔覆成形方法借助高能激光束在金属板上形成熔池；以金属试样的粉末作为基体材料，通过送粉装置和粉末喷嘴输送到熔池里熔化，打印出当前层，并逐层熔覆至夹杂物所在指定位置；将已知形貌与成分的夹杂物固定在指定位置，继续进行逐层熔覆成形至金属试样所要求的高度。本发明采用激光熔覆成形技术，将已知形貌的夹杂物在熔覆中放入金属基体内。本发明的方法不仅能够制备出各种复杂形状的金属试样，同时确保在不破坏金属基体连续性前提下，准确定位夹杂物的具体位置与原始形貌，提高了对金属中夹杂物研究的精度与准确性。

Description

一种含内置夹杂物的金属试样3D打印成形方法
技术领域
本发明涉及一种粉末材料的快速成型领域，具体涉及一种含内置夹杂物的金属试样3D打印成形方法，应用于材料成形领域。
背景技术
随着科学技术的快速发展，我国的炼钢技术也取得了长足的进步，但是钢中的夹杂物却仍旧难以消除，而且夹杂物对锻件的性能与质量影响极大，常常令锻件因探伤不合格而导致其报废，造成巨大的经济损失，因此研究钢锭锻造过程中夹杂物的变形行为具有非常重要的意义。而想要研究钢中的夹杂物，就需要一种制备出含有内置夹杂物的金属试样的成形方法。
对于制备含有内置夹杂物的金属试样，国内外各学者通常利用的方法有两种：一种是利用冶炼制备出含夹杂物的金属试样，而另一种则是通过破坏金属基体人工置入夹杂并将塞料焊合的方法。冶炼法虽然能保证金属基体的连续性，但是由于内置夹杂物的原始形貌与位置不能确定，因此，给锻后夹杂物变形行为的各种统计带来难度。而人工置入夹杂的方法则破坏了金属基体的连续性，同时使基体材料与夹杂物的边界状态与实际情况相差较大，不能保证冶金结合，降低了实验研究的准确性。并且上述两种方法在制备试样过程中大多采用车铣磨刨等常规手段得到最终形状较为简单的试样，如圆柱形、长方体等规则形状，给实验研究钢中的夹杂物带来了一定的局限性。
针对上述两种制样方法的不足，本发明提出的一种含内置夹杂物的金属试样3D即三维打印成形方法，也称快速成型方法。该方法采用激光熔覆成形技术，将已知形貌的夹杂物在熔覆过程中放入金属基体内。该方法不仅能够制备各种复杂形状的金属试样，拓展了实验研究钢中夹杂物变形行为的范围，还保证了不破坏金属基体连续性，能够准确定位夹杂物的具体位置与原始形貌，并且保证了金属基体与夹杂物的冶金结合，大大提高了实验研究钢中夹杂物的精度与准确性。
发明内容
本发明的目的是为了解决实验研究金属试样中夹杂物的问题，而提出一种含内置夹杂物的金属试样3D打印成形方法，在克服了现有技术只能制备规则形状试样的缺陷的同时，还保证不破坏金属基体连续性，能够准确定位夹杂物的具体位置与原始形貌，并且保证了金属基体与夹杂物的冶金结合，大大提高了实验研究金属试样中夹杂物的精度与准确性。
为了解决上述问题，本发明是通过下述技术方案实现的：
一种含内置夹杂物的金属试样3D打印成形方法，包括的步骤如下：
步骤一、根据金属试样所需的实际形状与尺寸，进行金属试样的三维模型的建模并对三维模型进行分层处理以得到三维模型的层片轮廓数据；
步骤二、将所述层片轮廓数据输入到激光熔覆成形设备中并生成材料成形路径；
步骤三、利用激光熔覆成形方法制备与所述金属试样材料相同的金属板，并将所述金属板放置在激光熔覆成形设备的工作台上利用高能激光束在金属板上形成熔池；
步骤四、以所述金属试样的粉末作为基体材料，根据所述层片轮廓数据要求，将基体材料通过送粉装置和粉末喷嘴输送到所述熔池里熔化并打印出当前层；
步骤五、经凝固后将激光熔覆成形设备上移至层片轮廓数据所要求下一层的高度后，重复步骤四逐层熔覆至夹杂物所在指定位置；
步骤六、将已知形貌与成分的夹杂物固定在所述指定位置，继续进行逐层熔覆成形至金属试样所要求的高度；以及
步骤七、去除多余的基体材料，得到最终所需形状与尺寸的内含夹杂物的金属试样。
可优选的是，逐层熔覆成形的每层基本形貌与金属试样当前层形貌相同，并且逐层熔覆成形的厚度根据金属试样当前层的层片轮廓数据决定。
可优选的是，放置的夹杂物为单一成分夹杂物。
可优选的是，单一成分夹杂物为氧化铝或者硫化锰夹杂物。
可优选的是，放置的夹杂物为各种夹杂物的混合物。
可优选的是，放置的夹杂物原始形貌为球形或柱形。
可优选的是，金属试样为合金成分金属试样。
可优选的是，金属试样的形状为不规则形状。
可优选的是，激光熔覆成形设备的工作台包括具有加热、保温和冷却作用的控温装置以及防氧化装置。
上述方法中，每层熔覆沉积成形的基本形貌与金属试样当前层形貌相同，并且熔覆沉积的厚度根据金属试样当前层信息要求决定。放置的夹杂物成分可以为单一的成分，如氧化铝或者硫化锰等，也可以为各种夹杂的混合物，具体情况视实验研究要求决定。放置的夹杂物原始形貌应根据实验要求决定，可以为球形、柱形等各种形状。金属试样的成分可以为单一成分，也可以为合金成分，具体情况视实验研究要求决定。金属试样的形状与尺寸由实验研究要求决定，可以为圆柱形或长方体等各种形状。成形设备工作台根据金属试样成形要求，具有加热、保温、冷却的控温装置以及防氧化装置。
本发明对比已有的制样方法，具有以下的创新与优点：
本发明首次将3D打印成型方法引入制备含内置夹杂物的金属试样中，大大简化了制样难度。利用激光熔覆成形技术不仅能够制备出各种复杂形状的金属试样，并且不破坏金属基体连续性，保证了金属基体与夹杂物的冶金结合，同时还可以准确确定夹杂物的位置与原始形貌，提高了实验研究钢中夹杂物的精度与准确性，为金属试样中夹杂物的研究开辟了一条新的道路。
附图说明
图1是本发明含内置夹杂物的金属试样3D打印成形方法的流程示意图；以及
图2是本发明的激光熔覆成形设备的示意图。
图中：1为工作台，2为与金属试样相同材料的金属板，3为金属试样，4为所放置的夹杂物，5为送粉装置，6为粉末喷嘴，7为高能激光束发射装置，8为保护气体输送装置，高能激光束9，熔池10。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
本发明的目的是利用激光熔覆成形技术制备含内置夹杂物的金属试样来提高实验研究金属中夹杂物的精度与准确性。
实施例1：
本实施例是制备中心含球形氧化铝夹杂物4的304L不锈钢圆柱试样3，不锈钢圆柱试样3的具体尺寸为φ10×15mm，球形氧化铝夹杂物4的最大直径为0.5mm，其具体实施过程如下：
步骤一、利用三维建模系统如：UG、Pro/E进行304L不锈钢圆柱试样3的建模并进行分层处理以得到层片轮廓数据数据；
步骤二、将圆柱试样的层片轮廓数据输入到激光熔覆成形设备中并按照所得信息自动生成材料成形路径；
步骤三、利用激光熔覆成形方法制备出一块尺寸适宜的304L不锈钢板2并将其放置在激光熔覆成形设备的工作台1上，利用高能激光束发射装置7产生高能激光束9，在304L不锈钢板2上形成熔池10；激光熔覆成形设备的工作台包括具有加热、保温、冷却作用的控温装置以及包括保护气体输送装置8在内的防氧化装置。
步骤四、制备304L不锈钢金属粉末作为基体材料，并根据金属试样的层片轮廓数据要求，利用送粉装置5输送粉末，由粉末喷嘴6将粉末输送到熔池10熔化打印当前层，同时保护气体输送装置8向粉末喷嘴6输送保护气体。
步骤五、逐层打印至圆柱状金属试样3高度一半即7.5mm时，即夹杂物4所在位置；
步骤六、将球形氧化铝夹杂物4固定在圆柱试样3中心处，继续进行逐层熔覆直至达到圆柱试样所规定的高度15mm；
步骤七、去除多余的基体材料，得到最终所需的含球形氧化铝夹杂物4的304L不锈钢试样。
实施例2：
本实施例是制备中心含球形硫化锰夹杂物4的7A85铝合金试样3的制备，该试样3的形状大体呈圆柱形且为不规则的形状。7A85铝合金试样3的最大外围尺寸为φ12×24mm，球形氧化铝夹杂物4的直径为0.1mm，其具体实施过程如下：
步骤一、利用三维建模系统如UG、Pro/E进行7A85铝合金试样3的建模并进行分层处理以得到其三维模型的层片轮廓数据；
步骤二、将7A85铝合金试样3的层片轮廓数据输入到激光熔覆成形设备中并按照所得信息自动生成材料成形路径；
步骤三、利用激光熔覆成形方法制备出一块尺寸适宜的7A85铝合金板2并将其放置在工作台1上，利用高能激光束发射装置7产生高能激光束9，在7A85铝合金板2上形成熔池10；
步骤四、制备7A85铝合金粉末并根据金属试样的层片轮廓数据要求，利用送粉装置5输送粉末，由粉末喷嘴6将粉末输送到熔池10熔化打印当前层；
步骤五、逐层打印至铝合金试样3的高度四分之一即3mm时，为夹杂物4指定位置；
步骤六、将球形硫化锰夹杂物4固定在铝合金试样3中心处；
步骤七、根据试验要求，重复步骤五和六，在其它高度放置球形硫化锰夹杂物4；
步骤八、继续进行逐层熔覆直至达到铝合金试样3所规定的高度24mm；
步骤九、去除多余的基体材料，得到最终所需的含球形硫化锰夹杂物的7A85铝合金试样。
如图2所示，本发明的激光熔覆成形设备包括用于放置金属板2的工作台1，位于工作台1上方的高能激光束发射装置7、用于输送金属试样粉末的送粉装置5和将粉末输送到工作台1上的粉末喷嘴6。利用高能激光束发射装置7产生高能激光束9，在金属板2上形成熔池10；送粉装置5通过粉末喷嘴6将粉末输送到工作台1上的熔池10中熔化打印当前层，同时保护气体输送装置8向粉末喷嘴6输送保护气体，从而在金属板2上逐步进行3D打印成形金属试样3。激光熔覆成形设备的工作台1还包括具有加热、保温、冷却作用的控温装置以及包括保护气体输送装置8在内的防氧化装置。本发明的激光熔覆成形设备实现以简单装置就可以借助三维打印技术成形形状复杂的各种试样之目的。
本发明将三维打印成形方法引入制备含内置夹杂物的金属试样中，大大简化了制样难度，并且借助三维打印技术可以成形形状复杂的各种试样，从而克服了现有技术只能制备规则形状试样的缺陷。本发明利用激光熔覆成形技术在不破坏金属基体连续性的同时，保证了金属基体与夹杂物的冶金结合，同时还可以准确确定夹杂物的位置与原始形貌，提高了实验研究钢中夹杂物的精度与准确性，为金属试样中夹杂物的深入研究提供了很好的解决方案。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种含内置夹杂物的金属试样3D打印成形方法，其特征在于，所述成形方法包括的步骤如下：
步骤一、根据金属试样所需的实际形状与尺寸，进行金属试样的三维模型的建模并对三维模型进行分层处理以得到三维模型的层片轮廓数据；
步骤二、将所述层片轮廓数据输入到激光熔覆成形设备中并生成材料成形路径；
步骤三、利用激光熔覆成形方法制备与所述金属试样材料相同的金属板，并将所述金属板放置在激光熔覆成形设备的工作台上利用高能激光束在金属板上形成熔池，所述激光熔覆成形设备的工作台包括具有加热、保温和冷却作用的控温装置以及包括保护气体输送装置在内的防氧化装置；
步骤四、以所述金属试样的粉末作为基体材料，根据所述层片轮廓数据要求，将基体材料通过送粉装置和粉末喷嘴输送到所述熔池里熔化并打印出当前层，同时保护气体输送装置向粉末喷嘴输送保护气体；
步骤五、经凝固后将激光熔覆成形设备上移至层片轮廓数据所要求下一层的高度后，重复步骤四逐层熔覆至夹杂物所在指定位置；
步骤六、将已知形貌与成分的夹杂物固定在所述指定位置，继续进行逐层熔覆成形至金属试样所要求的高度；以及
步骤七、去除多余的基体材料，得到最终所需形状与尺寸的内含夹杂物的金属试样。
2.根据权利要求1所述的含内置夹杂物的金属试样3D打印成形方法，其特征在于，逐层熔覆成形的每层基本形貌与金属试样当前层形貌相同，并且逐层熔覆成形的厚度根据金属试样当前层的层片轮廓数据决定。
3.根据权利要求1所述的含内置夹杂物的金属试样3D打印成形方法，其特征在于，放置的夹杂物为单一成分夹杂物。
4.根据权利要求3所述的含内置夹杂物的金属试样3D打印成形方法，其特征在于，单一成分夹杂物为氧化铝或者硫化锰夹杂物。
5.根据权利要求1所述的含内置夹杂物的金属试样3D打印成形方法，其特征在于，放置的夹杂物为各种夹杂物的混合物。
6.根据权利要求1所述的含内置夹杂物的金属试样3D打印成形方法，其特征在于，放置的夹杂物原始形貌为球形或柱形。
7.根据权利要求1所述的含内置夹杂物的金属试样3D打印成形方法，其特征在于，金属试样为合金成分金属试样。
8.根据权利要求1所述的含内置夹杂物的金属试样3D打印成形方法，其特征在于，金属试样的形状为不规则形状。
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