CN107127342B - 一种粉床多材料区域铺放成形的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于多材料增材制造领域，并公开了一种粉床多材料区域铺放成形的工艺方法，包括：(a)设计零件的三维结构和材料，将三维结构分层并识别每层的材料成分和形状轮廓；(b)主体和客体粉末的铺放；(c)激光熔化已铺放的切片层；(d)切片层下降一个铺粉层厚度，重复以上步骤完成其它切片层的成形。通过本发明，成形零件具备多种特定功能，具有多功能零件的制备效率得到提高，简化制备工艺流程。

Description

一种粉床多材料区域铺放成形的工艺方法
技术领域
本发明属于多材料增材制造领域，更具体地，涉及一种粉床多材料区域铺放成形的工艺方法。
背景技术
随着工业制造对零件复杂性的需求日益增加，对零部件设计自由度、成形效率及综合性能上的要求更加苛刻。目前大多数商业激光选区熔化系统只适用于单一材料的产品制造，与传统制造相比，在产品质量和性能上仍然需要提升，其中，激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)是基于逐层制造方式，利用高能激光束成形具有精细复杂结构的金属零件，以结构功能一体化设计制造、短周期、无模具等优势成为金属增材制造技术应用的主要方向之一。多材料增材制造技术可以通过改变当前制造层的材料成分或种类，在零件指定的关键部分通过添加的材料来提供需要的性能或功能。因此通过设计多材料零件成分和结构的三维分布，可获得特殊的物理、化学和力学性能，如冷却水道的热传导性、涡轮发动机的高硬度和耐高温性、隔热涂层、天线和超材料的介电性能和磁性等。因此，多材料增材制造技术为零件多功能化设计和低成本制造提供了一种新途径。
目前，针对SLM多材料成形工艺已有专利进行了系列研究。例如，CN106180711提供了一种面向粉末材料的SLM/SLS铺粉工艺，采用了多喷嘴送粉系统结合过渡粉床进行粉末铺送；CN105817622提出一种粉床增材制造单层多材料的面铺层系统，通过压粉板进行磁性粉末的选择性吸附与铺放，达到同一成形层多材料铺送的目的；CN105945280通过输入不同能量的高能束，使成形层不同区域和不同成形层的元素进行不同程度的挥发，从而形成浓度梯度结构。上述研究在一定程度上可以实现材料和结构双重梯度分布的个性化零件制造，但对装备的空间占用率过高，并且成形的金属材料需要特定性质，种类受到了极大限制。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种粉床多材料区域铺放成形的工艺方法，通过采用增材制造送粉、超声微送粉和激光熔化相的技术，其目的在于实现粉床增材制造过程中区域材料复合，在零件中选择性生成具有特定功能的新组织与新相，由此在显著提高制造设备紧凑性和加工效率的同时，还能够解决常规技术难于使得零件具备多种特定功能的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种粉床多材料区域铺放成形的工艺方法，其特征在于，该工艺方法包括下列步骤：
(a)材质的选用
根据待成形零件的性能要求设计该零件的三维结构和选用的材料，并且对于选用的材料而言，其被划分为包含主体粉末和客体粉末在内的不同材料,而对于三维结构而言，其被划分为多层切片层，然后对各个所述切片层中的材料和零件的轮廓特征进行识别；
(b)铺粉过程
将所述主体粉末置于粉床的送粉缸中，同时对该粉床的成形腔抽真空并通入保护气体，然后按照所识别的特征将所述主体粉末均匀铺展在工作台面上；与此同时，将所述客体粉末置于超声振动微送粉装置中，并同样依照所识别的特征将所述客体粉末按照一定厚度铺展在所述工作台面上，并使得所述客体粉末与主体粉末相互联接，至此，完成单个切片层的铺粉过程；
(c)原位反应
将所述完成铺粉的切片层压实，然后采用激光熔化处理，在此过程中，所述主体粉末与客体粉末发生原位反应生成新组分和新相，由此生成具备新功能的零件，由此完成单个所述切片层的成形；
(d)其它切片层成形
所述完成成形的切片层下降一个预设的铺粉层厚度，重复以上步骤(b)～(c)直至完成所有切片层的成形，从而实现待成形零件的成形。
进一步优选地，步骤(a)中，所述主体粉末优选采用粒径为20～30μm的球形金属粉末，如不锈钢、钛合金、钴铬合金、纯钛、铝合金或镍基高温合金；客体粉末优选采用粒径为1～10μm的金属粉末或陶瓷粉末，其中，金属粉末如镍、铜、铌或钽，陶瓷粉末如二硼化钛、氧化铝、碳化钛、氮化钛、氮化硅或硅化钛。
进一步优选地，在步骤(b)中，所述客体粉末的粒径优选采用所述超声振动微送粉装置中喷嘴直径的0.5～0.9倍。
进一步优选地，在步骤(b)中，所述超声振动微送粉装置的超声波参数的频率优选采用40～50kHz，电压优选采用3～12V。
进一步优选地，在步骤(b)中，所述客体粉末按照一定的厚度铺展，该厚度优选采用小于10μm。
进一步优选地，在步骤(d)中，所述预设的铺粉层厚度优选采用20～30μm。
进一步优选地，在步骤(a)中，所述待成形零件的性能要求优选区域表面的耐磨性、耐高温、生物相容性、磁性、热传导性、高硬度，区域结构的强度、塑性力学性能。
进一步优选地，在步骤(b)中，所述的保护气体优选采用惰性气体，进一步优选为高纯氩气。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过采用将超声微送粉技术、增材制造送粉技术结合和激光熔化的方式，在粉床上进行选区均匀铺放，通过不同材料之间的原位反应生成具有特定物理、化学和力学性能的新组分与新相，能显著提高具有多功能零件的制备效率，简化制备工艺流程；
2、本发明通过采用超声振动微送粉装置进行客体粉末的区域铺放，可以防止粉末凝聚结块现象，并且超声波能沿整个毛细管对粉末施加分布式的持续力，可以保证客体粉末的均匀输送，使得成形零件结构稳固，性能均匀；
3、本发明采用的粉末铺放成形工艺无需考虑粉末材料的组成元素种类、是否具有磁性和该材料具有的物理化学性质，因此可以不受材料种类的限制而完成多功能零件的成形；
4、本发明采用的粉床成形工艺步骤简单、成本低廉，成形过程便于质量控制，所制得的粉体零件结构紧凑，性能优良，适用于大批量的工业化生产。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的粉床多材料区域铺放成形工艺方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种粉床多材料区域铺放技术，将超声送粉与增材制造送粉技术结合，通过移动式超声振动微送粉系统快速实现客体粉末在粉床上的精确均匀连续铺放，利用高能激光束对其进行逐层扫描熔化，达到粉床增材制造过程中区域材料复合的目的，在零件中选择性生成具有特定功能的新组织与新相，使成形零件具备多种特定功能，能显著提高具有多功能零件的制备效率，简化制备工艺流程。
图1是按照本发明的优选实施例所构建的粉床多材料区域铺放成形工艺方法的流程图，如图1所示，本发明的一种粉床多材料区域铺放成形的工艺方法，主要包括如下步骤：
(1)根据零件的性能要求设计所采用的材料成分及结构三维分布，沿加工方向进行分层处理，并识别每一层信息，其中包含客体粉末成分区域的信息存入移动式超声振动微送粉系统，零件主体信息存入SLM主体装备控制系统；
(2)根据每一切片层截面的材料分布结果，编写超声振动微送粉系统在X-Y平面内的相对运动程序，将成形主体零件的金属粉末放置在送粉缸中，将具有改性功能的客体粉末放置于玻璃喷管中，通过调节超声波频率和电压等参数，使客体粉末能均匀通过微细喷嘴，从而精确控制粉末的输送；
具体的，成形主体零件的金属粉末为球形粉末，优选为不锈钢、钛合金、钴铬合金、纯钛、铝合金或镍基高温合金，粒径为20～30μm；客体粉末包括金属粉末和陶瓷粉末，其中金属粉末优选为镍、铜、铌或钽，粒径为1～10μm；陶瓷粉末优选二硼化钛、氧化铝、碳化钛、氮化钛、氮化硅或硅化钛，粒径为1～10μm。
具体的，超声波频率范围为40～50kHz，电压范围为3～12V。
具体的，客体粉末粒径为喷嘴直径的0.5～0.9倍。
(3)对装备抽真空并通入保护气氛。通过送粉缸送粉，铺粉辊将主体金属粉末均匀铺展在工作缸的工作台面上；
具体的，通入的保护气氛为高纯氩气。
(4)移动式超声振动微送粉系统通过在X-Y平面内的运动，结合系统输送粉末的速度，将客体粉末均匀连续铺展在当前第n层中已识别的区域，控制铺粉辊运动将粉末压实；
具体的，客体粉末在主体粉末上的铺展的层厚控制在10μm以下，从而能在铺粉辊压实的过程中嵌入主体粉末之间。
(5)利用激光熔化成形已铺好的当前切片层，结束后使当前切片层下降一个铺粉层厚的高度，重复上述步骤(3)～(4)，逐层循环往复，最终成形出具有选区特定功能的零件；
具体的，铺粉层厚范围优选为20～30μm。
具体的，零件功能包括区域表面的耐磨性、耐高温、生物相容性、磁性、热传导性、高硬度，区域结构的强度、塑性等力学性能提高。
下面将参照图1的流程图，并结合以下多个实施例来具体进一步说明本发明。
实施例1
运用本发明的方法制备表面具有镍耐磨涂层的不锈钢零件，具体步骤如下：
(1)根据耐磨涂层的厚度要求设计涂层在不锈钢零件内外表面的三维分布，涂层厚度为2mm。沿加工方向进行分层处理，切片并识别每一层信息，其中包含镍成分区域的信息存入移动式超声振动微送粉系统，不锈钢成分的信息存入SLM主体装备控制系统。
(2)根据每一切片层截面的材料分布结果，编写超声振动微送粉系统在X-Y平面内的相对运动程序；将球形不锈钢粉放置在送粉缸中，将镍粉放置于玻璃喷管中，设置超声波频率为40kHz、电压为12V，使镍粉能均匀通过微细喷嘴，从而精确控制粉末的输送。其中不锈钢粉粒径为20μm，镍粉粒径为5μm,选择喷嘴直径为10μm。
(3)对装备抽真空并通入高纯氩气作为保护气氛。通过送粉缸送粉，铺粉辊将不锈钢粉均匀铺展在工作缸的工作台面上，不锈钢粉末的铺粉层厚设置为20μm。
(4)移动式超声振动微送粉系统通过在X-Y平面内的运动，结合系统输送镍粉的速度，将镍粉末均匀连续铺展在当前第n层中厚度为2mm的涂层区域，铺放层厚控制为5μm，控制铺粉辊运动将镍粉压实。
(5)利用激光熔化成形已铺好的当前切片层，结束后使当前切片层下降20μm，重复上述步骤(3)～(4)，逐层循环往复，最终成形出表面具有镍耐磨涂层的不锈钢零件。
实施例2
运用本发明的方法制备表面具有氧化铝热障涂层的镍基高温合金零件，具体步骤如下：
(1)根据热障涂层的厚度要求设计涂层在镍基高温合金零件内外表面的三维分布，涂层厚度为20mm。沿加工方向进行分层处理，切片并识别每一层信息，其中包含氧化铝成分区域的信息存入移动式超声振动微送粉系统1，镍基高温合金成分的信息存入SLM主体装备控制系统。
(2)根据每一切片层截面的材料分布结果，编写超声振动微送粉系统在X-Y平面内的相对运动程序；将球形镍基高温合金粉放置在送粉缸中，将氧化铝粉放置于玻璃喷管中，设置超声波频率为45kHz、电压为6V，使氧化铝粉能均匀通过微细喷嘴，从而精确控制粉末的输送。其中镍基高温合金粉粒径为25μm，氧化铝粉粒径为10μm，选择喷嘴直径为20μm。
(3)对装备抽真空并通入高纯氩气作为保护气氛。通过送粉缸送粉，铺粉辊将镍基高温合金粉均匀铺展在工作缸的工作台面上，镍基高温合金粉末的铺粉层厚设置为25μm。
(4)移动式超声振动微送粉系统通过在X-Y平面内的运动，结合系统输送氧化铝粉的速度，将氧化铝粉均匀连续铺展在当前第n层中厚度为20mm的涂层区域，铺放层厚控制为10μm，控制铺粉辊运动将氧化铝粉压实。
(5)利用激光熔化成形已铺好的当前切片层，结束后使当前切片层下降25μm，重复上述步骤(3)-(4)，逐层循环往复，最终成形出表面具有氧化铝热障涂层的镍基高温合金零件。
实施例3
运用本发明的方法制备表面具有生物相容铌涂层的纯钛多孔支架，具体步骤如下：
(1)根据铌涂层的厚度要求设计涂层在纯钛多孔支架内外表面的三维分布，涂层厚度为5mm。沿加工方向进行分层处理，切片并识别每一层信息，其中包含铌成分区域的信息存入移动式超声振动微送粉系统，纯钛成分的信息存入SLM主体装备控制系统。
(2)根据每一切片层截面的材料分布结果，编写超声振动微送粉系统在X-Y平面内的相对运动程序；将球形纯钛粉放置在送粉缸中，将铌粉放置于玻璃喷管中，设置超声波频率为50kHz、电压为3V，使铌粉能均匀通过微细喷嘴，从而精确控制粉末的输送。其中纯钛粉粒径为30μm，铌粉粒径为8μm，选择喷嘴直径为9μm。
(3)对装备抽真空并通入高纯氩气作为保护气氛。通过送粉缸送粉，铺粉辊将纯钛粉均匀铺展在工作缸的工作台面上，纯钛粉末的铺粉层厚设置为30μm。
(4)移动式超声振动微送粉系统通过在X-Y平面内的运动，结合系统输送铌粉的速度，将铌粉均匀连续铺展在当前第n层中厚度为5mm的涂层区域，铺放层厚控制为8μm，控制铺粉辊运动将铌粉压实。
(5)利用激光熔化成形已铺好的当前切片层，结束后使当前切片层下降30μm，重复上述步骤(3)-(4)，逐层循环往复，最终成形出表面具有生物相容铌涂层的纯钛多孔支架。
实施例4
运用本发明的方法制备区域力学性能增强的钛合金/二硼化钛复合材料零件，具体步骤如下：
(1)根据区域性能要求设计二硼化钛在钛合金零件中的三维分布。沿加工方向进行分层处理，切片并识别每一层信息，其中包含二硼化钛成分区域的信息存入移动式超声振动微送粉系统，钛合金成分的信息存入SLM主体装备控制系统。
(2)根据每一切片层截面的材料分布结果，编写超声振动微送粉系统在X-Y平面内的相对运动程序；将球形钛合金粉放置在送粉缸中，将二硼化钛粉放置于玻璃喷管中，设置超声波频率为48kHz、电压为5V，使二硼化钛粉能均匀通过微细喷嘴，从而精确控制粉末的输送。其中钛合金粉粒径为20μm，二硼化钛粉粒径为5μm，选择喷嘴直径为6μm。
(3)对装备抽真空并通入高纯氩气作为保护气氛。通过送粉缸送粉，铺粉辊将钛合金粉均匀铺展在工作缸的工作台面上，钛合金粉末的铺粉层厚设置为20μm。
(4)移动式超声振动微送粉系统通过在X-Y平面内的运动，结合系统输送二硼化钛粉的速度，将二硼化钛粉均匀连续铺展在当前第n层中力学性能增强的区域，铺放层厚控制为5μm，控制铺粉辊运动将二硼化钛粉压实。
(5)利用激光熔化成形已铺好的当前切片层，钛合金与二硼化钛进行原位反应在当前区域生成硼化钛，从而增强钛合金基底的强度与硬度；扫描结束后使当前切片层下降20μm，重复上述步骤(3)-(4)，逐层循环往复，最终成形出区域力学性能增强的钛/二硼化钛复合材料零件。
实施例5
运用本发明的方法制备氮化钛区域性能增强的纯钛/氮化硅复合材料零件，具体步骤如下：
(1)根据区域性能要求设计氮化硅在纯钛零件中的三维分布。沿加工方向进行分层处理，切片并识别每一层信息，其中包含氮化硅成分区域的信息存入移动式超声振动微送粉系统，纯钛成分的信息存入SLM主体装备控制系统。
(2)根据每一切片层截面的材料分布结果，编写超声振动微送粉系统在X-Y平面内的相对运动程序；将球形纯钛粉放置在送粉缸中，将氮化硅粉放置于玻璃喷管中，设置超声波频率为42kHz、电压为10V，使纯钛粉能均匀通过微细喷嘴，从而精确控制粉末的输送。其中纯钛粉粒径为20μm，氮化硅粉粒径为1μm，选择喷嘴直径为1.2μm。
(3)对装备抽真空并通入高纯氩气作为保护气氛。通过送粉缸送粉，铺粉辊将纯钛粉均匀铺展在工作缸的工作台面上，纯钛粉末铺粉层厚设置为20μm。
(4)移动式超声振动微送粉系统通过在X-Y平面内的运动，结合系统输送氮化硅粉的速度，将氮化硅粉均匀连续铺展在当前第n层中力学性能增强的区域，铺放层厚控制为1μm，控制铺粉辊运动将氮化硅粉压实。
(5)利用激光熔化成形已铺好的当前切片层，纯钛与氮化硅进行原位反应在当前区域生成氮化钛，从而增强纯钛基底的强度与硬度；扫描结束后使当前切片层下降20μm，重复上述步骤(3)-(4)，逐层循环往复，最终成形出区域力学性能增强的钛/氮化硅复合材料零件。
实施例6
运用本发明的方法制备区域低模量的钛钽复合材料零件，具体步骤如下：
(1)根据区域性能要求设计钽在钛合金零件中的三维分布。沿加工方向进行分层处理，切片并识别每一层信息，其中包含钽成分区域的信息存入移动式超声振动微送粉系统，钛合金成分的信息存入SLM主体装备控制系统。
(2)根据每一切片层截面的材料分布结果，编写超声振动微送粉系统在X-Y平面内的相对运动程序；将球形钛合金粉放置在送粉缸中，将钽粉放置于玻璃喷管中，设置超声波频率为46kHz、电压为7V，使钽粉能均匀通过微细喷嘴，从而精确控制粉末的输送。其中钛合金粉粒径为25μm，钽粉粒径为1μm，选择喷嘴直径为1.5μm。
(3)对装备抽真空并通入高纯氩气作为保护气氛。通过送粉缸送粉，铺粉辊将钛合金粉均匀铺展在工作缸的工作台面上，钛合金粉末的铺粉层厚设置为25μm。
(4)移动式超声振动微送粉系统通过在X-Y平面内的运动，结合系统输送钽粉的速度，将钽粉均匀连续铺展在当前第n层中模量减小的区域，铺放层厚控制为1μm，控制铺粉辊运动将钽粉压实。
(5)利用激光熔化成形已铺好的当前切片层，钛合金与钽进行原位反应在当前区域生成钛钽固溶体，从而减小钛合金基底的模量；扫描结束后使当前切片层下降25μm，重复上述步骤(3)-(4)，逐层循环往复，最终成形出区域低模量的钛钽复合材料零件。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种粉床多材料区域铺放成形的工艺方法，其特征在于，该工艺方法包括下列步骤：
（a）材质选用
根据待成形零件的性能要求设计该待成形零件的三维结构和选用的材料，并且对于选用的材料而言，其被划分为包含主体粉末和客体粉末在内的不同材料，而对于三维结构而言，其被划分为多层切片层，然后对各个所述切片层中的材料和零件的轮廓特征进行识别，所述主体粉末采用粒径为20～30μm的球形金属粉末，该球形金属粉末为不锈钢、钛合金、钴铬合金、纯钛、铝合金或镍基高温合金；客体粉末采用粒径为1～10μm的金属粉末或陶瓷粉末，其中，金属粉末为镍、铜、铌或钽，陶瓷粉末为二硼化钛、氧化铝、碳化钛、氮化钛、氮化硅或硅化钛；
（b）铺粉过程
将所述主体粉末置于粉床的送粉缸中，同时对该粉床的成形腔抽真空并通入保护气体，然后按照所识别的特征将所述主体粉末均匀铺展在工作台面上；与此同时，将所述客体粉末置于超声振动微送粉装置中，并同样依照所识别的特征将所述客体粉末铺展在所述工作台面上的主体粉末上，并使得所述客体粉末与所述主体粉末相互联接，至此，完成单个切片层的铺粉过程，其中，所述客体粉末按照一定的厚度均匀铺放，该厚度小于10μm；
（c）原位反应
将步骤（b）中完成铺粉的切片层压实，使得所述客体粉末嵌入所述主体粉末中，然后采用激光熔化处理，在此过程中，所述主体粉末与客体粉末发生原位反应生成新组分和新相，由此完成单个所述切片层的成形；
（d）其它切片层成形
将步骤（c）中完成成形的切片层下降一个预设的铺粉层厚度，该铺粉层厚度采用20～30μm，重复以上步骤（b）～（c）直至完成所有切片层的成形，从而实现待成形零件的成形。
2.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，在步骤（b）中，所述客体粉末的粒径采用所述超声振动微送粉装置中喷嘴直径的0.5～0.9倍。
3.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，在步骤（b）中，所述超声振动微送粉装置中超声波参数的频率采用40～50kHz，电压采用3～12V。
4.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，在步骤（a）中，所述待成形零件的性能要求为区域表面的耐磨性、区域表面的耐高温、区域表面的生物相容性、区域表面的磁性、区域表面的热传导性、区域表面的高硬度、区域结构的强度或区域结构的塑性力学性能。
5.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，在步骤（b）中，所述的保护气体采用惰性气体。
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