CN107354457A - 金属粉末的激光成型方法 - Google Patents

金属粉末的激光成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属粉末的激光成型方法，首先制备金属粉末预置层，将金属粉末和有机粘结剂混合在基材上铺一层均匀分布的金属粉末浆料层，然后干燥处理，再进行保温或者激光加热的方式进行处理，得到金属粉末预置层；之后对金属粉末预置层扫描熔化烧结，形成一层金属粉末激光熔积层；重复步骤制得所需的金属成型件。金属粉末利用率在96％以上，并具有很好的成型精度，避免了铺粉需要辅助粉末支撑、尺寸受制于铺粉箱体大小的问题。

Description

金属粉末的激光成型方法
技术领域
本发明属于激光成型技术领域，特别是涉及一种金属粉末的激光成型方法。
背景技术
激光熔覆同步送粉法粉末利用率约为60％-70％，极大的浪费金属粉末；而合金预置法激光熔覆分为两个过程，即先在基材部位预置材料，然后用激光辐照扫描将其熔化。同时，通过热传导将表面热量向内部传递，使整个合金预置层及一部分基材先熔化，激光束离开后，熔化的金属快速凝固在基材表面，形成冶金结合的熔覆层。对于粉末类合金材料，主要采用热喷涂或粘结等方法进行预置，这种熔覆方式的缺点是易形成缺陷，预置粉末的重熔过程自粉末表层开始，容易引起气泡以及近基材处粉末不完全熔化；另一个缺陷成因来自粉末粘结剂的选择对激光熔覆涂层的性能有很大的影响。
金属粉末添加有机物能减少熔覆层气孔和夹杂缺陷，提高熔覆层的塑性以及强韧性，降低裂纹萌生几率，提高熔覆层的结合强度。选择合适的有机物作为粘结剂利用3D打印机预置粉末，并配以相应的工艺，不但粉末利用率能达到95％以上，而且能减少熔覆层气孔，得到厚度一致的预置层，对于大型零部件的修复是极为有利的。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种金属粉末的激光成型方法，使得金属粉末利用率在96％以上，并具有很好的成型精度。
本发明所采用的技术方案是，一种金属粉末的激光成型方法，按照以下步骤进行：
步骤1，金属粉末预置层的制备：
首先数据建模导出切片数据，然后选取金属粉末过80目筛后烘干；然后配置有机粘结剂原料，再将有机粘结剂原料加水配置成有机粘结剂，将烘干后的金属粉末和有机粘结剂混合搅拌均匀直至成果冻状金属粉末浆料；利用数据建模得到的切片数据控制数控装置带动送料装置在需要成型的区域进行扫描的同时，同时将金属粉末浆料以均匀的速度挤出，从而在基材上铺一层均匀分布的金属粉末浆料层，金属粉末浆料层厚度为0.3mm-0.8mm；将带有金属粉末浆料层的基材在80℃的干燥箱干燥8h，待其冷却后，将带有金属粉末浆料层的基材通过保温或者激光加热的方式进行处理，得到金属粉末预置 层；在金属粉末预置层表面刷一层松香酒精溶液，松香酒精溶液质量浓度为0.5％-2％，然后利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动低功率密度的大光斑光束对含有松香酒精的金属粉末预置层扫描加热，使酒精完全挥发；
步骤2，制备金属粉末激光熔积层：
利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动高能量密度的激光束，对步骤1处理得到的金属粉末预置层扫描熔化烧结，形成一层金属粉末激光熔积层，其中，激光束功率密度为200w/mm2-300w/mm2，扫描速度5mm/s-7mm/s；利用数控系统带动送料装置上升一个金属粉末激光熔积层的高度，重复步骤2的过程制备出所需的金属成型件。
进一步的，所述步骤1中，启动气压控制装置推动活塞将金属粉末浆料以均匀的速度挤出。
进一步的，所述步骤1中，通过液压装置、螺旋挤出装置将金属粉末浆料以均匀的速度挤出。
进一步的，所述步骤1中，将带有金属粉末浆料层的基材通过保温的方式进行处理的具体过程是：在180℃-280℃的恒温下保温一段时间直至无白烟冒出或无香味，得到金属粉末预置层。
进一步的，所述步骤1中，将带有金属粉末浆料层的基材通过激光加热的方式进行处理的具体过程是：利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动功率密度为10w/mm2-30w/mm2，扫描速度7mm/s-15mm/s的激光光束对金属粉末浆料层扫描加热以得到金属粉末预置层，加热温度180-280℃，加热时间15-30分钟。
进一步的，所述步骤1中，有机粘结剂原料的组分及重量比为：60％-70％的淀粉、40％-30％为聚乙二醇二硬脂酸脂，以上组分重量比之和为100％。
进一步的，所述步骤1中，有机粘结剂的组分及重量比为：50％-65％的淀粉、15％-25％为聚乙二醇二硬脂酸脂、20％-25％乙烯—醋酸乙烯脂，以上组分重量比之和为100％。
进一步的，所述步骤1中，按照重量比，有机粘结剂原料为金属粉末重量的0.15％-0.45％。
进一步的，所述步骤1中，每100g金属粉末配置有机粘结剂所需的纯净水为11.4ml-11.6ml。
进一步的，所述步骤1中，金属粉末为熔点在2000摄氏度以下的金属粉末。
本发明的有益效果是使得金属粉末利用率在96％以上，并具有很好的成型精度，避免了铺粉需要辅助粉末支撑、尺寸受制于铺粉箱体大小的问题，在激光再制造和激光复合增材制造领域有重要的应用价值和巨大的社会效益。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种金属粉末的激光成型方法，按照以下步骤进行：
步骤1，金属粉末预置层的制备：
首先数据建模导出切片数据，然后选取金属粉末过80目筛后烘干，保证金属粉末具有良好的流动性能；然后配置有机粘结剂原料，再将有机粘结剂原料加水配置成有机粘结剂，将烘干后的金属粉末和有机粘结剂混合搅拌均匀直至成果冻状金属粉末浆料；利用数据建模得到的切片数据控制数控装置带动送料装置在需要成型的区域进行扫描的同时，同时启动气压控制装置推动活塞将金属粉末浆料以均匀的速度挤出，或者通过液压装置、螺旋挤出装置将金属粉末浆料挤出；从而在基材上铺一层均匀分布的金属粉末浆料层，其厚度为0.3mm-0.8mm；将带有预置金属粉末浆料层的基材在80℃的干燥箱干燥8h，以去除水分，待其冷却后，在180℃-280℃的恒温下保温一段时间直至无白烟冒出或无香味，或者利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动功率密度为10w/mm2-30w/mm2，扫描速度7mm/s-15mm/s的激光光束对上述含有有机粘结剂的粉末预置层扫描加热以得到具有一定粘结强度的金属粉末预置层，加热温度180-280℃，加热时间15-30分钟，降低了金属粉末预置层中有机物的含量。
金属粉末预置层中添加一定的含量的有机物会增加试样的力学性能，但是有机物含量过高会使得激光成型试样的力学性能下降，出现气孔和裂纹概率提高，因此需要加热。
为增强金属粉末预置层粘结性能和造渣性能，在金属粉末预置层表面刷一层松香酒精溶液，松香酒精溶液质量浓度为0.5％-2％，然后利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动低功率密度的大光斑光束(功率密度10w/mm2-30w/mm2，扫描速度7mm/s-15mm/s)对上述含有松香酒精的金属粉末预置层扫描加热，使酒精完全挥发。
选用松香作为粘结剂少量的松香可以提高激光成型试样的造渣性能，松香本质上也是一种有机物，所以松香酒精溶液含量不能太高(质量浓度为0.5％-2％)。
步骤2，制备金属粉末激光熔积层：
利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动高能量密度的激光束，对具有一定粘结强度的金属粉末预置层扫描熔化烧结，形成一层金属粉末激光熔积层，其中激光束功率密度为200w/mm2-300w/mm2，扫描速度5mm/s-7mm/s；利用数控系统带动送料装置上升一个金属粉末激光熔积层的高度，重复上述过程制备出所需的金属成型件。
金属粉末为所有熔点在2000摄氏度以下的金属粉末。
优选的，步骤1中，有机粘结剂原料的组分及重量比为：60％-70％的淀粉、40％-30％为聚乙二醇二硬脂酸脂，以上组分重量比之和为100％；
或者优选的，步骤1中，有机粘结剂的组分及重量比为：50％-65％的淀粉、15％-25％为聚乙二醇二硬脂酸脂、20％-25％乙烯—醋酸乙烯脂，以上组分重量比之和为100％。
优选的，步骤1中，按照重量比，有机粘结剂原料为金属粉末重量的0.15％-0.45％。
优选的，步骤1中，每100g金属粉末配置有机粘结剂所需的纯净水为11.4ml-11.6ml。
优选的，步骤1中，金属粉末预置层的厚度通过送料口的直径和送料装置扫描行走进行调节，厚度为0.3mm-0.8mm。
优选的，步骤1中，降低金属粉末预置层中有机物含量的方法有两种，一种是试样烘干后，利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动低功率密度的大光斑光束对含有有机粘结剂的粉末预置层扫描加热不但得到具有一定粘结强度的金属粉末预置层，而且降低了试样中有机物含量；一种是将烘干后的试样，在180℃-280℃的恒温下保温一段时间至无白烟冒出或无香味，得到具有一定粘结强度的金属粉末预置层，同时降低试样中有机物含量。
实施例1
步骤1，金属粉末预置层的制备：
首先数据建模导出切片数据，然后选取金属粉末过80目筛后烘干；然后配置有机粘结剂原料，再将有机粘结剂原料加水配置成有机粘结剂，将烘干后的金属粉末和有机粘结剂混合搅拌均匀直至成果冻状金属粉末浆料；利用数据建模得到的切片数据控制数控装置带动送料装置在需要成型的区域进行扫描的同时，同时将金属粉末浆料以均匀的速 度挤出，从而在基材上铺一层均匀分布的金属粉末浆料层，金属粉末浆料层厚度为0.5mm；将带有金属粉末浆料层的基材在80℃的干燥箱干燥8h，待其冷却后，将带有金属粉末浆料层的基材通过保温，得到金属粉末预置层；在金属粉末预置层表面刷一层松香酒精溶液，松香酒精溶液质量浓度为1％，然后利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动低功率密度的大光斑光束对含有松香酒精的金属粉末预置层扫描加热，使酒精完全挥发；
步骤2，制备金属粉末激光熔积层：
利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动高能量密度的激光束，对步骤1处理得到的金属粉末预置层扫描熔化烧结，形成一层金属粉末激光熔积层，其中，激光束功率密度为250w/mm2，扫描速度6mm/s；利用数控系统带动送料装置上升一个金属粉末激光熔积层的高度，重复步骤2的过程制备出所需的金属成型件。
将带有金属粉末浆料层的基材通过保温的方式进行处理的具体过程是：在220℃的恒温下保温一段时间直至无白烟冒出或无香味，得到金属粉末预置层。
步骤1中，有机粘结剂原料的组分及重量比为：65％的淀粉、35％为聚乙二醇二硬脂酸脂。
步骤1中，按照重量比，有机粘结剂原料为金属粉末重量的0.3％。
步骤1中，每100g金属粉末配置有机粘结剂所需的纯净水为11.5ml。
实施例2
步骤1，金属粉末预置层的制备：
首先数据建模导出切片数据，然后选取金属粉末过80目筛后烘干；然后配置有机粘结剂原料，再将有机粘结剂原料加水配置成有机粘结剂，将烘干后的金属粉末和有机粘结剂混合搅拌均匀直至成果冻状金属粉末浆料；利用数据建模得到的切片数据控制数控装置带动送料装置在需要成型的区域进行扫描的同时，同时将金属粉末浆料以均匀的速度挤出，从而在基材上铺一层均匀分布的金属粉末浆料层，金属粉末浆料层厚度为0.3mm；将带有金属粉末浆料层的基材在80℃的干燥箱干燥8h，待其冷却后，将带有金属粉末浆料层的基材通过激光加热的方式进行处理，得到金属粉末预置层；在金属粉末预置层表面刷一层松香酒精溶液，松香酒精溶液质量浓度为0.5％，然后利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动低功率密度的大光斑光束对含有松香酒精的金属粉末预 置层扫描加热，使酒精完全挥发；
步骤2，制备金属粉末激光熔积层：
利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动高能量密度的激光束，对步骤1处理得到的金属粉末预置层扫描熔化烧结，形成一层金属粉末激光熔积层，其中，激光束功率密度为200w/mm2，扫描速度5mm/s；利用数控系统带动送料装置上升一个金属粉末激光熔积层的高度，重复步骤2的过程制备出所需的金属成型件。
步骤1中，将带有金属粉末浆料层的基材通过激光加热的方式进行处理的具体过程是：利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动功率密度为20w/mm2，扫描速度12mm/s的激光光束对金属粉末浆料层扫描加热以得到金属粉末预置层，加热温度220℃，加热时间25分钟。
步骤1中，有机粘结剂的组分及重量比为：58％的淀粉、20％为聚乙二醇二硬脂酸脂、22％乙烯—醋酸乙烯脂。
步骤1中，按照重量比，有机粘结剂原料为金属粉末重量的0.15％。
所述步骤1中，每100g金属粉末配置有机粘结剂所需的纯净水为11.4ml。
实施例3
步骤1，金属粉末预置层的制备：
首先数据建模导出切片数据，然后选取金属粉末过80目筛后烘干；然后配置有机粘结剂原料，再将有机粘结剂原料加水配置成有机粘结剂，将烘干后的金属粉末和有机粘结剂混合搅拌均匀直至成果冻状金属粉末浆料；利用数据建模得到的切片数据控制数控装置带动送料装置在需要成型的区域进行扫描的同时，同时将金属粉末浆料以均匀的速度挤出，从而在基材上铺一层均匀分布的金属粉末浆料层，金属粉末浆料层厚度为0.8mm；将带有金属粉末浆料层的基材在80℃的干燥箱干燥8h，待其冷却后，将带有金属粉末浆料层的基材通过激光加热的方式进行处理，得到金属粉末预置层；在金属粉末预置层表面刷一层松香酒精溶液，松香酒精溶液质量浓度为2％，然后利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动低功率密度的大光斑光束对含有松香酒精的金属粉末预置层扫描加热，使酒精完全挥发；
步骤2，制备金属粉末激光熔积层：
利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动高能量密度的激光束，对步骤1处 理得到的金属粉末预置层扫描熔化烧结，形成一层金属粉末激光熔积层，其中，激光束功率密度为300w/mm2，扫描速度7mm/s；利用数控系统带动送料装置上升一个金属粉末激光熔积层的高度，重复步骤2的过程制备出所需的金属成型件。
步骤1中，将带有金属粉末浆料层的基材通过激光加热的方式进行处理的具体过程是：利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动功率密度为10w/mm2，扫描速度7mm/s的激光光束对金属粉末浆料层扫描加热以得到金属粉末预置层，加热温度180℃，加热时间30分钟。
步骤1中，有机粘结剂的组分及重量比为：50％的淀粉、25％为聚乙二醇二硬脂酸脂、25％乙烯—醋酸乙烯脂。
步骤1中，按照重量比，有机粘结剂原料为金属粉末重量的0.45％。
步骤1中，每100g金属粉末配置有机粘结剂所需的纯净水为11.6ml。
本发明金属粉末利用率在96％以上，避免了铺粉需要辅助粉末支撑、尺寸受制于铺粉箱体大小的问题。且此种浆料式粉末有极好的成型性能，高度为1mm-3mm时铺设的粉末不变形、不坍塌，高度为3mm-6mm时铺设的粉末不坍塌。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种金属粉末的激光成型方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤1，金属粉末预置层的制备：
首先数据建模导出切片数据，然后选取金属粉末过80目筛后烘干；然后配置有机粘结剂原料，再将有机粘结剂原料加水配置成有机粘结剂，将烘干后的金属粉末和有机粘结剂混合搅拌均匀直至成果冻状金属粉末浆料；利用数据建模得到的切片数据控制数控装置带动送料装置在需要成型的区域进行扫描的同时，同时将金属粉末浆料以均匀的速度挤出，从而在基材上铺一层均匀分布的金属粉末浆料层，金属粉末浆料层厚度为0.3mm-0.8mm；将带有金属粉末浆料层的基材在80℃的干燥箱干燥8h，待其冷却后，将带有金属粉末浆料层的基材通过保温或者激光加热的方式进行处理，得到金属粉末预置层；在金属粉末预置层表面刷一层松香酒精溶液，松香酒精溶液质量浓度为0.5％-2％，然后利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动低功率密度的大光斑光束对含有松香酒精的金属粉末预置层扫描加热，使酒精完全挥发；
步骤2，制备金属粉末激光熔积层：
利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动高能量密度的激光束，对步骤1处理得到的金属粉末预置层扫描熔化烧结，形成一层金属粉末激光熔积层，其中，激光束功率密度为200w/mm2-300w/mm2，扫描速度5mm/s-7mm/s；利用数控系统带动送料装置上升一个金属粉末激光熔积层的高度，重复步骤2的过程制备出所需的金属成型件。
2.根据权利要求1所述的金属粉末的激光成型方法，其特征在于，所述步骤1中，启动气压控制装置推动活塞将金属粉末浆料以均匀的速度挤出。
3.根据权利要求1所述的金属粉末的激光成型方法，其特征在于，所述步骤1中，通过液压装置、螺旋挤出装置将金属粉末浆料以均匀的速度挤出。
4.根据权利要求1所述的金属粉末的激光成型方法，其特征在于，所述步骤1中，将带有金属粉末浆料层的基材通过保温的方式进行处理的具体过程是：在180℃-280℃的恒温下保温一段时间直至无白烟冒出或无香味，得到金属粉末预置层。
5.根据权利要求1所述的金属粉末的激光成型方法，其特征在于，所述步骤1中，将带有金属粉末浆料层的基材通过激光加热的方式进行处理的具体过程是：利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动功率密度为10w/mm2-30w/mm2，扫描速度7mm/s-15mm/s的激光光束对金属粉末浆料层扫描加热以得到金属粉末预置层，加热温度180-280℃，加热时间15-30分钟。
6.根据权利要求1所述的金属粉末的激光成型方法，其特征在于，所述步骤1中，有机粘结剂原料的组分及重量比为：60％-70％的淀粉、40％-30％为聚乙二醇二硬脂酸脂，以上组分重量比之和为100％。
7.根据权利要求1所述的金属粉末的激光成型方法，其特征在于，所述步骤1中，有机粘结剂的组分及重量比为：50％-65％的淀粉、15％-25％为聚乙二醇二硬脂酸脂、20％-25％乙烯—醋酸乙烯脂，以上组分重量比之和为100％。
8.根据权利要求1所述的金属粉末的激光成型方法，其特征在于，所述步骤1中，按照重量比，有机粘结剂原料为金属粉末重量的0.15％-0.45％。
9.根据权利要求8所述的金属粉末的激光成型方法，其特征在于，所述步骤1中，每100g金属粉末配置有机粘结剂所需的纯净水为11.4ml-11.6ml。
10.根据权利要求1所述的金属粉末的激光成型方法，其特征在于，所述步骤1中，金属粉末为熔点在2000摄氏度以下的金属粉末。
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