CN106541137A - 一种减弱电子束选区烧结翘曲变形的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

一种电子束减弱选区烧结翘曲变形的工艺方法，属于金属增材制造领域。该方法可以减弱电子束选区烧结时因为受热的先后时间间隔而产生的翘曲变形，同时促进层与层之间的结合，适用于各种能进行电子束烧结的材料。具体方法：通过供粉装置形成粉末层，使电子束对粉末进行预热并进行烧结且及时进行后热高速扫描，以维持整个烧结面的温度均衡以达到减弱烧结过程中翘曲变形的目的。本方法制出的电子束选区烧结产品的表面平整度高，晶粒尺寸细小，整体力学性能有所提高。

Description

一种减弱电子束选区烧结翘曲变形的工艺方法
技术领域
本发明涉及一种电子束选区烧结方法，具体涉及一种电子束减弱翘曲变形的选区烧结的工艺方法，属于增材制造领域。
背景技术
采用电子束选区烧结(Selective Electron Beam Sintering，SEBS)技术直接制造金属零件的增材制造设备，它能实现直接制造任意复杂的金属零部件，适用于航空航天及汽车、模具制造、医疗植入物等。
虽然这种制造方法有着节约材料，加工过程简单和不受几个形状的限制的优点等，但同时仍有不足之处。虽然烧结过程中都有对基板和粉末的预热处理但是由于电子束的扫描速度并不能达到所期望的数值，因而在烧结过程中会出现凝固时间差异，从而导致该层面产生累积的热应力并产生弯曲等变形且影响与前一层和下一层的烧结层的结合性能，最终对成型件的整体形貌以及力学性能产生非常大的影响。
贾文鹏，汤慧萍，刘海彦等人(ZL2008102326043)提出了随形退火热处理对增材过程中减少热应力的工艺。具体通过在基板下添加电加热器对基板进行加热和在铺粉平台上方加红外加热器对粉末和成型零件进行加热，其中两个加热器都受到计算机的自动控制。零件在整个增材过程中的温度始终保持在600±5℃并达到减小变形、降低应力的目的，同时提高零件的精度和质量。最终达到的零件尺寸精度为：大小：200×200×160mm3，公差：±0.8mm，致密度>99％，残余应力平均±150MPa左右。此工艺方法虽然能达到一定的去处变形的效果，但是其设备操作等过于复杂，特别是上方和下方的加热装置会在增材工艺过程中产生不必要的干扰且会降低真空室的空间利用效率。此外，增材过程中的电子束产生的辐射等会对加热装置带来一定的损耗，长时间的使用时间会使得加热装置出现短路或者其他问题，进而带来危害。
此外，齐海波等人利用ANSYS有限元软件对不同扫描路径下成形区域温度场的变化对成形件温度场均匀程度的影响研究表明，扫描路径的反向规划和网格规划降低了成形件温度分布不均匀的程度，避免了成形过程中成形件的翘曲变形。齐海波等人用316L不锈钢粉末进行实验，采用网格规划和反向规划的零件表面仍有少量翘曲，但比不改变方向的零件在力学性能和尺寸精度上好很多。但其不足的地方是仅仅将受热和凝固的方向改变，即改变每一层热应力的方向，没有进行后热处理，无法从根本上减弱零件的翘曲变形。
发明内容
本发明的目的在于减弱电子束选区烧结时因为受热的先后时间间隔而产生的翘曲变形，同时促进层与层之间的结合，适用于各种能进行电子束烧结的材料。
为了解决以上问题，本发明主要涉及减弱选区烧结翘曲变形的工艺方法：
一种通过电子束减弱选区烧结翘曲变形的方法，为对刚完成电子束烧结的粉末层立刻进行大于电子束烧结速度的扫描。
该方法具体步骤为：
1、根据所需加工零件截面尺寸，判断成型区域大小，将成型区域在扫描前进方向上分为1个或多个恒温工序段；
2、对第一个恒温工序段的粉末层进行预热，通过电子束对选区内的粉末进行烧结扫描；
3、扫描后立刻对选区内的已烧结的部分进行高速扫描来维持此部分的温度均匀恒定，完成第一个恒温工序段的减弱烧结翘曲变形；
4、从上一恒温工序段的烧结终点处，重复上述步骤2、3对进行下一恒温工序段进行处理，直至成型区域烧结完成。
上述的恒温工序段在扫描的前进方向上的最大距离为100mm。
优选的，恒温工序段的高速扫描速度为10000mm/s。
进一步的，烧结时的扫描速度为500mm/s。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点：
(1)不需要添加多余的设备，真空室利用率高，功耗更小，成本更低；
(2)通过烧结后的电子束扫描热处理即可以达到减弱烧结过程中的翘曲变形的目的，操作简单、方便，便于在真空室内进行。
(3)不受所需加工的零件尺寸大小的限制，都可以进行减弱选区烧结翘曲变形这一工艺。
附图说明
图1为电子束减弱选区烧结翘曲变形的工艺方法流程图。
图2为实施例1的成型零件表面形貌图。
图3为实施例1的零件的金相组织图。
图4为实施例2的成型零件表面形貌图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下具实施方式，还包括同等方式变换。
用于实施发明的最佳方式：
(1)将所需选区烧结的粉末放入铺粉器，并形成一层0.1-0.3mm的粉末粉床。
(2)电子束选区烧结，高压设定-60KV，速流为2mA-25mA，扫描速度为500-10000mm/s，真空条件下即可烧结。
(3)本专利中，用于粉末的预热和减弱翘曲变形的高频扫描的电子束的扫描速度为10000mm/s，而粉末的烧结的电子束的速度为500mm/s。
(4)在单层烧结过程中，按照恒温工序段划分进行逐段的烧结和恒温处理，且后一段的烧结从上一段的烧结终止处开始，重复烧结和恒温过程直至本层烧结和恒温完成。
根据该工艺方法，由于烧结后用电子束进行了温度的均衡处理，因此烧结区域温度差别不大，除了促进层间结合外还减弱了翘曲变形。
本实施方式电子束减弱选区烧结翘曲变形的工艺方法按以下步骤进行：
一、首先用电子束将基板(100×100×10mm)表面加热至红热，扫描速度8000mm/s，速流为20mA。
二、用铺粉器在基板上铺一层0.1mm金属粉末。
三、用电子束进行速度为8000-10000mm/s的扫描预热，速流为2mA增加到20mA，使粉末颗粒间初步粘接。
四、根据零件的轮廓而制定的每层截面形状对预热后的粉末用速度为500mm/s，速流为20mA的电子束进行分段式的烧结，烧结后立刻用电子束进行对已烧结轮廓内的部分进行高速10000mm/s扫描，速流为20mA，维持温度均衡，而后再接着已烧结处进行恒温工序段的烧结和整个粉末层的恒温扫描，重复以上烧结和恒温处理过程直至本层粉末烧结结束。
本实施方式制备出的烧结产品变形小且能增加烧结层间的结合，尤其对于一些截面面积较大的烧结产品。
实施例一
具体流程方式如图1，电子束减弱选区烧结翘曲变形的工艺方法按以下步骤进行：
一、首先电子束将基板(100×100×10mm)表面加热至红热，扫描速度8000mm/s，速流为20mA。
二、用铺粉器在基板上铺一层0.1mm316L不锈钢粉末。
三、用电子束进行速度为8000mm/s的扫描预热，速流为2mA增加到20mA，使粉末颗粒间初步粘接。
四、对预热后的粉末用速度为500mm/s，速流为20mA的电子束进行烧结，并在烧结后立刻对已烧结的恒温工序段用电子束进行高速10000mm/s的扫描，速流为20mA，重复烧结和恒温过程，直至本层粉末烧结结束。
本实施例得到了表面平整，成型质量较好的烧结成品。
实施例二
一种电子束减弱选区烧结翘曲变形的工艺方法按以下步骤进行：
一、首先用电子束将基板(200×100×10mm)表面加热至红热，扫描速度8000mm/s，速流为20mA。
二、用铺粉器在基板上铺一层0.1mm316L不锈钢粉末。
三、用电子束进行速度为8000mm/s的扫描预热，速流为2mA增加到20mA，使粉末颗粒间初步粘接。
四、对预热后的粉末用速度为500mm/s，速流为20mA的电子束进行烧结且第一个恒温工序段的距离为100mm，在此段烧结后立刻用电子束进行10000mm/s的扫描速度，速流为20mA的恒温处理，然后再继续进行恒温工序段为80mm的烧结和整个粉末层的恒温处理，重复以上烧结和恒温处理过程直至本层粉末烧结结束。
本实施例得到了表面平整，成型质量较好的烧结成品。
另外，在所述方式中，将扫描烧结速流换成激光束也可达到专利效果，也属于本专利范畴。

Claims (5)

1.一种减弱电子束选区烧结翘曲变形的工艺方法，为对刚完成电子束烧结的粉末层立刻进行大于电子束烧结速度的扫描。
2.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，该方法具体步骤为：
1、根据所需加工零件截面尺寸，判断成型区域大小，将成型区域在扫描前进方向上分为1个或多个恒温工序段；
2、对第一个恒温工序段的粉末层进行预热，通过电子束对选区内的粉末进行烧结扫描；
3、扫描后立刻对选区内的已烧结的部分进行高速扫描来维持此部分的温度均匀恒定，完成第一个恒温工序段的减弱烧结翘曲变形；
4、从上一恒温工序段的烧结终点处，重复上述步骤2、3对进行下一恒温工序段进行处理，直至成型区域烧结完成。
3.根据权利要求2所述的工艺方法，其特征在于，所述的恒温工序段在扫描的前进方向上的最大距离为100mm。
4.根据权利要求2所述的工艺方法，其特征在于，步骤3中，恒温工序段的高速扫描速度为10000mm/s。
5.根据权利要求2所述的工艺方法，其特征在于，步骤2中，电子束对选区内的粉末烧结时的扫描速度为500mm/s。
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