CN105798294A - 一种难熔材料的快速零件成形方法 - Google Patents
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Abstract
一种难熔材料的快速零件成形方法，解决PM成形方式的复杂、耗时及弥补SLM方法液相量达不到致密化的技术指标，而不能完全发挥出合金的综合性能的技术不足，采用的方法是，1、采用三维造型软件设计出零件的CAD模型，然后由切片处理软件生成多层切片信息并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到SLM快速成形系统；2、送粉机构在工作平台上平铺一层约为0.52mm厚度的待加工金属粉末(粒径约为50μm)；3、采用光纤激光器扫描切片，并将步骤2平铺的待加工色金属粉末全部熔化，其中扫描速度为800mm/s；有益效果是粉末合金化，并提高合金的结合力，更有利于液体的填充和成形致密化，从而提高合金的综合性能。并且该方法节省时间用料效率更高。
Description
一、技术领域
本发明属于快速成形技术与粉末烧结复合成形领域，具体为一种难熔材料的快速零件成形方法。
二、背景技术
难熔材料一般指熔点高于1650℃并有一定储量的金属(钨、钽、钼、铌、铪、铬、钒、锆和钛)，也有将熔点高于锆熔点(1852℃)的金属称为难熔金属。以这些金属为基体，添加其他元素形成的合金称为难熔金属合金。制造耐1093℃(2000°F)以上高温的结构材料所使用的难熔金属主要是钨、钼、钽和铌。在难熔金属合金中钼合金是最早用作结构材料的合金，Mo-0.5Ti-0.1Zr-0.02C合金具有良好的高温强度和低温塑性，在工业上广泛应用。铌合金的出现迟于钼合金，但发展很快，已有30余种牌号。航天工业中使用的主要是中强合金和低强高塑性的铌合金。是以钨、钼等难熔金属或添加一定的其他元素而构成的一种纯金属或合金材料。与传统合金材料相比，难熔材料的典型特点是熔点高，通常在3000℃左右，因此难于进行铸造加工且冶炼困难，多采用粉末冶金的方法加工成形。近年来，难熔材料零件由于其优异的性能已经得到了非常广泛的应用；以钨基合金为例，具有以下优良性能，如密度高、抗拉强度好、延性好、具有良好的吸收射线的能力、良好的导电性能、导热性及较低的热膨胀系数，良好的耐腐蚀性与抗氧化性，良好的可焊接性和良好的机加工特性等。可用作防辐射屏蔽材料和γ射线刀、导航仪的陀螺转子，配重螺钉、调整片以及电铆中的铆钉材料，电火花加工用电极材料，点焊中的点焊材料，高压开关的电接触材料等等。
粉末冶金粉末冶金是制取金属或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。是一种常见的难熔金属零件的成形方法。其具体过程是将高熔点金属粉末与添加元素进行均匀混合，置于模具内进行压制，再进行烧结工艺处理，在烧结过程中低熔点粉末颗粒熔化粘结难熔金属粉末，并在烧结过程中形成低熔点二元以及三元相从而形成以难熔金属粉末为骨架以低熔点金属粉末为粘结相的难熔烧结体。该成形方法可以生产W、Mo或其他合金难熔体。因此利用该技术可以制造出难熔金属零件。为进一步提高合金物理化学性能，还可加入特殊元素进行改性。二十世纪九十年代中期出现了粉末注射成形(PowderInjectionMolding，PIM)技术，可以制备具有复杂三维结构的W-Ni-Fe合金精细零部件，由此拓宽了钨合金在民用工业和军工行业中的应用领域。但PIM依然没有脱离传统PM的液相烧结致密化原理，且存在着如下缺欠(：1)脱脂烧结前，零件毛坯的致密度低；(2)毛坯脱脂过程中易出现鼓泡、弯曲、开裂、坍塌等缺陷，目前只适合制备小零件(；3)整个过程需要模具支持，因此无法制造结构极其复杂的零件，如曲面叶轮、三维网格结构零件等，而且所需模具价格昂贵。近年来出现利用SLM快速成形系统和激光器扫描的办法实现合金材料零部件的近净加工，极大方便了合金材料零部件的成型，但现有的加工方法的加工机理在于与传统PM工艺中的液相烧结相同，即激光器扫描切片时，混合粉末中的低熔点成分(Ni和Fe)在相对钨熔点较低温度下形成液相而实现致密化。在瞬时熔化的条件下，低熔点成分造成的液相量几乎达不到技术指标，因而而SLM快速成形系统和激光器扫描的办法最终影响合金的综合性能。
三、发明内容
本发明的目的在于提供一种难熔材料的快速零件成形方法，该方法无需模具，具有工艺过程可控性强，无需后处理，简单易行、可制造复杂形状的特点。
本发明的方法制造W-Ni-Fe合金零件的科学意义在于能够省去传统PM成形方式的复杂(成形工艺繁琐)耗时(烧结温度高，时间长)的过程及弥补SLM方法液相量达不到致密化30～35Vol/％的技术指标，而不能完全发挥出合金的综合性能的技术不足，本发明将成形过程控制在几十微米的单元结构内，更有利于零件致密化。直接由零件CAD模型文件制造致密合金零件，并且能任意提高零件的复杂度，不受现有模具设计复杂度的限制，更进一步拓宽钨合金在民用工业和军工行业中的应用领域，从而实现零件的个性化设计与制造。
本发明实现发明目的采用的技术方案是；该方法由以下步骤实现：
步骤1、采用三维造型软件设计出零件的CAD模型，然后由切片处理软件生成多层切片信息并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到SLM快速成形系统；
步骤2、送粉机构在工作平台上平铺一层约为0.52mm厚度的待加工色金属粉末(粒径约为50μm)；
步骤3、采用光纤激光器扫描切片，并将步骤2平铺的待加工色金属粉末全部熔化，其中扫描速度为800mm/s；
本发明的有益效果是，将选择性激光熔化(SLM)快速成形技术与粉末烧结成形结合起来，这种复合方法具有以下优点：
本项目成形W-Ni-Fe粉末制造零件不同于以往激光成形和传统PM以及PIM的制造过程，主要区别在以下几个方面，即本项目的创新之处：
(1)采用高功率高能量密度光纤激光，能量易为金属粉末颗粒吸收，成形温度可达到接近FeNi沸点，远高于现有粉末冶金方法烧结温度，有利于粉末合金化，并提高FeNi与W相的结合力。
(2)光纤激光较通常采用的二氧化碳激光的光斑更细微，直径仅为其十分之一左右，成形单元被控制在微小范围内，更有利于液体的填充和成形致密化。
(3)SLM过程中产生的表面张力流、液体搅动，并且由于成形单元微小而产生瞬间凝固现象能够有效抑制合金晶粒长大，从而提高合金的综合性能。
(4)综合上述三点创新，结合SLM成形复杂结构零件的特点，本项目能够制造出具有高性能复杂结构的W-Ni-Fe合金零件。
具体实施方式
一种难熔材料的快速零件成形方法，该方法借助于SLM快速成形系统和激光器扫描切片实现整个零件加工成型，该方法由以下步骤实现：
步骤1、采用三维造型软件设计出零件的CAD模型，然后由切片处理软件生成多层切片信息并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到SLM快速成形系统。
步骤2、送粉机构在工作平台上平铺一层约为0.02～0.2mm厚度的待加工色金属粉末(粒径约为10～100μm)。
步骤3、采用光纤激光器扫描切片，并将步骤2平铺的待加工色金属粉末全部熔化，其中扫描速度为50～1000mm/s。通过光纤激光对所选择区域的难熔金属粉末进行扫描，形成温度极高的液相熔池，通过高能量密度的激光快速融化—快速凝固作用，使松散粉末形成致密的烧结体。这一加工过程比传统的粉末冶金工艺成形出的零件具有更高的密度，并可通过成形工艺参数调整熔池的三维几何形状，以控制成型零件的致密化程度。
步骤4、重复上述步骤(2)-(3)，直到整个零件加工结束。
由于工艺参数具有灵活的可控性，可以形成不同温度影响区域和极限温度范围，因而该复合成形法所涉及的成形材料成分较传统粉末冶金广泛。工艺过程简单，避免了传统的机加工，节省材料。
本发明实施例中，光纤激光器可以为激光功率大于等于200W的YAG激光器。
下面对本发明的具体过程作进一步详细的阐述：
(1)每一层制造过程中，激光束对轮廓边界和内部的难熔金属粉末进化熔化，通过控制温度场对难熔金属粉末进行烧结。
(2)重复上述过程，多层加工结束后，即可成形出具有一定形状、一定强度的难熔金属零件，对难熔金属粉末进行SLM烧结致密化控制的方法有以下两种。
(a)粉末成分控制：与传统粉末冶金工艺相似，在难熔金属粉末中加入低熔点金属粉末，考虑粉末的互溶度和液相表面张力，形成有利于致密化过程的低熔点相，保证难熔烧结体的成形性。
(b)工艺参数控制：在SLM加工中，由于激光光斑聚焦在部分区域，在这一特殊区域可形成极高温度的熔池，达到极高的温度(≥3500℃)，熔池的温度能接近甚至超过难熔金属的熔点，将难熔金属粉末熔化从而形成致密的烧结体。
难熔金属零件可以采用以下具体步骤成形：
(1)采用三维造型软件设计出零件的CAD模型，然后由切片处理软件生成多层切片信息并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到SLM快速成形系统。
(2)送粉机构在工作平台上平铺一层约为0.02～0.2mm厚度的待加工粉末(粒径约为10～100μm)。
(3)采用激光功率大于等于200W的YAG激光器或光纤激光器扫描切片并使难熔金属粉末熔化，其中扫描速度为50～1000mm/s。
(4)重复上述步骤(2)-(3)，直到整个零件加工结束。
本发明的实质是将选择性激光熔化(SLM)技术与粉末烧结技术相结合。利用SLM技术可以在金属粉床中形成极高的温度场，根据CAD设计的复杂形状切片，成形出具有任意复杂形状的难熔金属零件。
实例
(1)采用高功率高能量密度光纤激光，能量易为金属粉末颗粒吸收，成形温度可达到接近FeNi沸点，远高于现有粉末冶金方法烧结温度，有利于粉末合金化，并提高FeNi与W相的结合力。
(2)光纤激光较通常采用的二氧化碳激光的光斑更细微，直径仅为其十分之一左右，成形单元被控制在微小范围内，更有利于液体的填充和成形致密化。
(3)SLM过程中产生的表面张力流、液体搅动，并且由于成形单元微小而产生瞬间凝固现象能够有效抑制合金晶粒长大，从而提高合金的综合性能。
(4)综合上述三点创新，结合SLM成形复杂结构零件的特点，本项目能够制造出具有高性能复杂结构的W-Ni-Fe合金零件。
Claims (2)
1.一种难熔材料的快速零件成形方法，该方法借助于SLM快速成形系统和激光器扫描切片实现整个零件加工成型，其特征在于：该方法由以下步骤实现：步骤1、采用三维造型软件设计出零件的CAD模型，然后由切片处理软件生成多层切片信息并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到SLM快速成形系统；步骤2、送粉机构在工作平台上平铺一层约为0.52mm厚度的待加工金属粉末(粒径约为80μm)；步骤3、采用光纤激光器扫描切片，并将步骤2平铺的待加工色金属粉末全部熔化，其中扫描速度为800mm/s。
2.根据权利要求1所述的一种难熔材料的快速零件成形方法，其特征在于：光纤激光器可以为激光功率大于等于500W的MET激光器。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109047779A (zh) * | 2018-08-16 | 2018-12-21 | 北京科技大学 | 一种铼金属零部件的制备方法 |
| CN109482876A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-03-19 | 航天特种材料及工艺技术研究所 | 一种钨合金复杂构件的激光成形方法 |
| CN113547133A (zh) * | 2020-04-08 | 2021-10-26 | 贺利氏德国有限两合公司 | 具有降低的杂质度的难熔金属的增材制造 |
| CN116237540A (zh) * | 2022-12-31 | 2023-06-09 | 哈尔滨理工大学 | 一种选择性激光熔融的防变形开裂方法 |
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2014
- 2014-12-30 CN CN201410840514.8A patent/CN105798294A/zh active Pending
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| CN113547133A (zh) * | 2020-04-08 | 2021-10-26 | 贺利氏德国有限两合公司 | 具有降低的杂质度的难熔金属的增材制造 |
| CN113547133B (zh) * | 2020-04-08 | 2023-08-25 | 贺利氏德国有限两合公司 | 具有降低的杂质度的难熔金属的增材制造 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160727 |
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