CN107470619A - 一种金属零件的增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属零件的增材制造方法，包括以下步骤：(1)根据金属零件的外形尺寸设计CAD模型，并对模型进行分层处理，然后对分层后每层的具体外形特征进行熔化沉积路径规划；(2)将与零件成分相同的材料制成粉末或者焊丝；(3)利用电弧热源将粉末或者焊丝在基板上按照规划的路径进行熔化沉积；(4)熔化沉积后，加工头提升一个沉积层高度，重复步骤(3)进行逐层熔化沉积，直到达到金属零件所需形状尺寸；所述方法还包括利用激光对该熔化沉积层侧表面进行激光熔化处理或激光熔化处理以生成复合强化层的步骤。本发明有效改善了金属零件的表面成形平整度和质量，减少后续加工时间和成本；同时也显著提高了金属零件表面硬度、耐磨性和抗腐蚀性。

Description

一种金属零件的增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种金属零件的增材制造方法，具体涉及一种利用电弧沉积-激光表面熔化复合增材制造金属零件的方法。
背景技术
金属零件增材制造技术是20世纪90年代末在快速原形制造技术(RapidPrototyping,RP)基础上发展起来的，用于直接制备全致密金属零件的先进制造技术。它结合了快速原型制造技术、高功率热源(激光、电子束、电弧)熔化沉积技术与先进材料制备技术，采用数字化离散/堆积成形的增材制造思想，通过高功率热源熔化沉积同步输送的金属粉末或者丝材，在沉积基板上逐层堆积，从而实现具有复杂外形、组织细小、成分均匀的高性能全致密金属零件“近净成形制造”。金属零件增材制造技术有如下特点：(1)工艺简单、制造环节少、制造周期短、适应于各种复杂金属零件快速制造与柔性制造；(2)材料合成制备与复杂零件快速成形制造一体化；(3)生产成本低、材料利用率高；(4)加工过程中无需任何模具，省去了制造模具的时间和成本；(5)可实现铸模、模具的快速制造和破损零件的快速修复，特别适合于新品开发、小批量零件生产及破损零件修复；(6)具有致密的快速凝固非平衡组织、机械性能优异；(7)可制备梯度材料。利用金属零件增材制造技术制备出的金属材料有高温合金、钛合金、奥氏体不锈钢、低合金钢、超高强度钢等，成形材料具有细小致密的快速凝固组织、成分均匀、基体固溶度高、力学性能优异，很多金属材料的力学性能达到甚至超过了锻件的水平。可见，金属零件增材制造技术是一种代表着先进制造技术发展方向的无模、非接触、数字化、环保的先进制造技术，对工业装备中高性能复杂形状关键金属结构件的短周期、低成本快速制造成形具有十分重要的意义。
目前，用于金属零件的增材制造技术主要有激光增材制造技术、电子束增材制造技术和电弧增材制造技术。其中，激光和电子束具有能量密度高，稳定性好等特点，利用激光和电子束增材制造技术制备出的金属材料有高温合金、钛合金、奥氏体不锈钢、低合金钢、超高强度钢等。但由于激光能量利用率低、金属沉积效率较低，电子束增材制造零件受真空室尺寸限制，以及激光器和电子束设备昂贵、运行和维护成本较高等问题，均制约了激光增材制造技术、电子束增材制造技术的发展。电弧增材制造技术的基本原理是以电弧为增材制造热源，将金属粉末或丝材熔化，而电弧焊枪在计算机的控制下，根据零件截面轮廓信息做X-Y平面和高度Z方向的运动，将熔化的金属选择性熔积在基体上。熔池冷凝结晶形成熔积层，按照厚度要求逐层熔积，最终形成所需的各种零件或模具。电弧具有类似于激光、电子束等热源的弧柱温度高、弧柱集束性好、加工柔性等优势，同时克服了大功率激光和电子束设备昂贵、运行成本高的缺点，能够基于常规电弧焊工艺进行金属零件的低成本直接制造。电弧增材制造熔化沉积效率较高，可达10kg/h以上，远远超过激光增材制造的1kg/h，与电子束增材制造熔化沉积效率相当。因此，采用电弧增材制造技术可以实现高熔化沉积效率，低成本的增材制造复杂大型金属零件；但是电弧增材制造零件尺寸精度不如激光和电子束增材制造，特别是在高熔化沉积效率工艺条件下，电弧增材制造零件表面平整度较差，而且随着金属熔化沉积效率增加其表面平整度下降。例如CN101532121A公开了一种金属表面电弧喷熔加工工艺，该发明电弧喷熔处理后，还需使用机加设备对喷熔部位进行修整加工，平板件可以刨/铣削加工，旋转件可以车/磨削加工，加工至满足技术要求。
发明内容
本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：
一种利用电弧沉积-激光表面熔化复合增材制造金属零件的方法，包括以下步骤：
(1)根据金属零件的外形尺寸设计CAD模型，并对模型进行分层处理，然后对分层后每层的具体外形特征进行熔化沉积路径规划；
(2)将与零件成分相同的材料制成粉末或者焊丝；
(3)利用电弧热源将粉末或者焊丝在基板上按照规划的路径进行熔化沉积；
(4)熔化沉积后，加工头提升一个沉积层高度，重复步骤(3)进行逐层熔化沉积，直到达到金属零件所需形状尺寸；
所述方法还包括利用激光对该熔化沉积层侧表面进行激光熔化处理。
本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：
一种金属零件的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据金属零件的外形尺寸设计CAD模型，并对模型进行分层处理，然后对分层后每层的具体外形特征进行熔化沉积路径规划；
(2)将与零件成分相同的材料制成粉末或者焊丝；
(3)利用电弧热源将粉末或者焊丝在基板上按照规划的路径进行熔化沉积；
(4)熔化沉积后，加工头提升一个沉积层高度，重复步骤(3)进行逐层熔化沉积，直到达到金属零件所需形状尺寸；
所述方法还包括利用激光对该熔化沉积层侧表面进行激光熔化处理以生成复合强化层的步骤。
进一步，在每层电弧熔化沉积的同时，利用激光对该熔化沉积层的侧表面进行熔化处理。
进一步，在电弧增材制造整个金属零件之后，再利用激光对金属零件熔化沉积层侧表面进行熔化处理。
进一步，在电弧熔化沉积若干层之后，再利用激光对金属零件熔化沉积层侧表面进行熔化处理。
进一步，在电弧熔化沉积10层之后，再利用激光对金属零件熔化沉积层侧表面进行熔化处理。
进一步，所述电弧熔化沉积和激光熔化处理是在惰性气体的保护下进行。
进一步，所述使激光熔化处理在具有一定活性气体含量的气氛环境中进行，使得表面原位生成该活性气氛与金属反应生成的化合物，从而生成该化合物与金属复合的复合强化层。
进一步，所述复合强化层的厚度为0.2-1μm。
进一步，所述活性气体为氧气。
进一步，所述氧气的含量为3-10vol％。
进一步，所述使激光熔化处理在激光熔化侧表面金属的同时，额外添加一定量的陶瓷颗粒、陶瓷晶须或陶瓷纤维，使得表面生成该陶瓷颗粒、陶瓷晶须或陶瓷纤维与金属复合的复合强化层。
进一步，所述的陶瓷包括TiC，SiC或Al2O3，所述的一定量为3-15vol％。
进一步，所述电弧为熔化极电弧、非熔化极电弧或等离子弧。
进一步，所述激光为CO2激光器、YAG固体激光器、光纤激光器或半导体激光器所产生的激光束。
进一步，所述金属包括钛合金、铝合金、镍基合金和钢。
本发明的优点在于：将电弧增材制造技术和激光表面熔化技术相结合，在电弧沉积过程的同时对零件侧表面进行激光表面熔化处理，有效改善了高熔化沉积率工艺条件下电弧增材制造金属零件的表面成形平整度和质量，从而获得表面平整光洁的零件，减少后续加工时间和成本；而且在激光熔化过程中，由于迅速冷却凝固而使晶粒得到细化，也显著提高了金属零件表面硬度、耐磨性和抗腐蚀性。同时，通过活性气氛原位氧化，或者在激光熔融过程中添加陶瓷颗粒、晶须或者纤维来进一步强化表层，使得表层的性能得到进一步提高，满足多种场合的需要，可应用于钛合金、铝合金、镍基合金和钢等金属材料的大型零件生产制造。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为在电弧熔化沉积的同时对侧表面进行激光表面熔化处理的示意图。
图2为在电弧熔化沉积10层后再对测表面进行激光表面熔化处理示意图。
图中，1-电弧焊枪，2-焊丝，3-电弧熔池，4-电弧熔化沉积的金属零件，5-电弧熔化沉积的基板，6-沉积层，7-沉积层间产生凹凸不平的表面，8-激光熔化处理后的表面，9-激光束，10-激光加工头，11-电弧沉积方向，12-激光熔化处理方向。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1
(1)设计零件CAD模型，并对模型进行分层处理，然后对分层后每层的具体外形特征进行熔化沉积路径规划；
(2)焊丝采用直径为1.2mm的316L不锈钢焊丝；
(3)采用最大电流为500A的熔化极电弧电源进行电弧增材制造，将电弧焊枪和基板置于纯Ar气密闭箱体中，使整个熔化沉积成形过程在惰性气体保护下进行(氧含量≤80ppm)，电弧焊枪按规划路径进行熔化沉积，每层电弧熔化沉积的同时利用激光对该熔化沉积层侧表面进行熔化处理，其中，电弧增材制造参数如下：电弧电流300A，电弧电压28V，电弧扫描速度为600mm/min，送丝速度10m/min，熔化沉积效率5.3kg/h，熔化沉积层高度2.5mm；激光熔化参数如下：激光功率为3.0kW，激光扫描速度2m/min，光斑直接6mm，每道搭接20％；(4)激光熔化处理结束后，加工头提升高度2.5mm，重复(2)继续进行下一层的熔化沉积成形和激光表面熔化，直到达到金属零件尺寸要求，增材制造示意图如图1所示。
实施例2
与实施例1区别在于：在电弧熔化沉积10层后，再对测表面进行激光表面熔化处理，其中激光熔化参数如下：激光功率为3.5kW，激光扫描速度1.5m/min，光斑直接6mm，每道搭接20％，增材制造示意图如图2所示。
实施例3
与实施例1区别在于：在电弧熔化沉积整个金属零件之后，再对零件侧表面进行激光表面熔化处理。
实施例4
与实施例1区别在于：采用非熔化极(钨极氩弧焊)电源焊丝，焊丝直径1.2mm，电弧增材制造参数如下：电弧电流280A，电弧电压24V，电弧扫描速度为600mm/min，送丝速度6m/min，熔化沉积效率3.18kg/h，熔化沉积层高度2.0mm。
实施例5
(1)设计零件CAD模型，并对模型进行分层处理，然后对分层后每层的具体外形特征进行熔化沉积路径规划；
(2)焊丝采用TA15钛合金，焊丝直径1.2mm；
(3)采用最大电流为500A的熔化极电弧电源进行电弧增材制造，将电弧焊枪和基板置于纯Ar气密闭箱体中，使整个熔化沉积成形过程在惰性气体保护下进行，电弧焊枪按规划路径进行熔化沉积，每层电弧熔化沉积的同时利用激光对该熔化沉积层侧表面进行熔化处理，其中，电弧增材制造参数如下：电弧电流240A，电弧电压27.3V，电弧扫描速度为600mm/min，送丝速度12.5m/min，熔化沉积效率3.7kg/h，熔化沉积层高度2.5mm；激光熔化参数如下：激光功率为2.8kW，激光扫描速度2m/min，光斑直接6mm，每道搭接20％；
(4)激光熔化处理结束后，加工头提升高度2.5mm，重复(2)继续进行下一层的熔化沉积成形和激光表面熔化，直到达到金属零件尺寸要求。
实施例6
(1)设计零件CAD模型，并对模型进行分层处理，然后对分层后每层的具体外形特征进行熔化沉积路径规划；
(2)焊丝采用直径为1.2mm的316L不锈钢焊丝；
(3)采用最大电流为500A的熔化极电弧电源进行电弧增材制造，将电弧焊枪和基板置于纯Ar气密闭箱体中，使整个熔化沉积成形过程在惰性气体保护下进行，电弧焊枪按规划路径进行熔化沉积，其中，电弧增材制造参数如下：电弧电流300A，电弧电压28V，电弧扫描速度为600mm/min，送丝速度10m/min，熔化沉积效率5.3kg/h，熔化沉积层高度2.5mm；
(4)激光熔化处理结束后，加工头提升高度2.5mm，重复(2)继续进行下一层的熔化沉积成形和激光表面熔化，直到达到金属零件尺寸要求。
(5)电弧熔化沉积之后，利用激光对该熔化沉积层侧表面进行熔化处理，激光处理在含有5％氧含量的保护气氛中进行，激光熔化参数如下：激光功率为3.0kW，激光扫描速度2m/min，光斑直接6mm，每道搭接20％。处理后可以使得316L零件表面产生一层致密氧化层，氧化层厚度约为0.4μm。
增材制造示意图如图1所示，该示意图示意的是电弧沉积和激光熔化是同步进行的，与本实施例的区别仅在于顺序不同，用于说明加工过程足可以说明问题。
实施例7
(1)设计零件CAD模型，并对模型进行分层处理，然后对分层后每层的具体外形特征进行熔化沉积路径规划；
(2)焊丝采用TA15钛合金，焊丝直径1.2mm；
(3)采用最大电流为500A的熔化极电弧电源进行电弧增材制造，将电弧焊枪和基板置于纯Ar气密闭箱体中，使整个熔化沉积成形过程在惰性气体保护下进行，电弧焊枪按规划路径进行熔化沉积，每层电弧熔化沉积的同时利用激光对该熔化沉积层侧表面进行熔化处理，在激光表面熔化处理时向表面添加TiC颗粒，TiC颗粒送粉率为0.3kg/h，在金属零件表面形成一层颗粒强化层，颗粒强化层中TiC体积分数约为10％；其中，电弧增材制造参数如下：电弧电流240A，电弧电压27.3V，电弧扫描速度为600mm/min，送丝速度12.5m/min，熔化沉积效率3.7kg/h，熔化沉积层高度2.5mm；激光熔化参数如下：激光功率为2.8kW，激光扫描速度2m/min，光斑直接6mm，每道搭接20％；
(4)激光熔化处理结束后，加工头提升高度2.5mm，重复(2)继续进行下一层的熔化沉积成形和激光表面熔化，直到达到金属零件尺寸要求。
性能测试
分别对实施例3和实施例5-7的两种材料在电弧熔化沉积后的表面和再经过激光熔化后的表面进行硬度、摩擦系数、磨损率和腐蚀速率的测试，其中实施例5单独做一个只经过电弧熔化沉积后的试样作为对比试验，其中摩擦磨损试验为：摩擦磨损试验用直径为Ф50mm的GCr15圆环作为摩擦副，硬度为60～62HRC，正压力为30N，转速200r/min，磨损时间60min；其余测试采用标准测试方法。测试结果见表1：
表1-性能测试结果
由表1可知，经处理后的金属零件表面硬度增加，摩擦系数减少，磨损率降低，腐蚀速率减慢，经表面强化处理后的表面硬度大幅提升，摩擦系数显著下降，磨损率降低明显，腐蚀速率也大幅降低，对材料性能改善明显。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种金属零件的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据金属零件的外形尺寸设计CAD模型，并对模型进行分层处理，然后对分层后每层的具体外形特征进行熔化沉积路径规划；
(2)将与零件成分相同的材料制成粉末或者焊丝；
(3)利用电弧热源将粉末或者焊丝在基板上按照规划的路径进行熔化沉积；
(4)熔化沉积后，加工头提升一个沉积层高度，重复步骤(3)进行逐层熔化沉积，直到达到金属零件所需形状尺寸；
所述方法还包括利用激光对该熔化沉积层侧表面进行激光熔化处理。
2.一种金属零件的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据金属零件的外形尺寸设计CAD模型，并对模型进行分层处理，然后对分层后每层的具体外形特征进行熔化沉积路径规划；
(2)将与零件成分相同的材料制成粉末或者焊丝；
(3)利用电弧热源将粉末或者焊丝在基板上按照规划的路径进行熔化沉积；
(4)熔化沉积后，加工头提升一个沉积层高度，重复步骤(3)进行逐层熔化沉积，直到达到金属零件所需形状尺寸；
所述方法还包括利用激光对该熔化沉积层侧表面进行激光熔化处理以生成复合强化层的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的金属零件的增材制造方法，其特征在于，在每层电弧熔化沉积的同时，利用激光对该熔化沉积层的侧表面进行熔化处理。
4.根据权利要求1或2所述的金属零件的增材制造方法，其特征在于，在电弧增材制造整个金属零件之后，再利用激光对金属零件熔化沉积层侧表面进行熔化处理。
5.根据权利要求1或2所述的金属零件的增材制造方法，其特征在于，在电弧熔化沉积若干层之后，再利用激光对金属零件熔化沉积层侧表面进行熔化处理。
6.根据权利要求1，3-5任一项所述的金属零件的增材制造方法，其特征在于，所述电弧熔化沉积和激光熔化处理是在惰性气体的保护下进行。
7.根据权利要求2-5任一项所述金属零件的增材制造方法，其特征在于，所述使激光熔化处理在具有一定活性气体含量的气氛环境中进行，使得表面原位生成该活性气氛与金属反应生成的化合物，从而生成该化合物与金属复合的复合强化层。
8.根据权利要求2-5所述的增材制造金属零件的表面强化方法，其特征在于，所述使激光熔化处理在激光熔化侧表面金属的同时，额外添加一定量的陶瓷颗粒、陶瓷晶须或陶瓷纤维，使得表面生成该陶瓷颗粒、陶瓷晶须或陶瓷纤维与金属复合的复合强化层。
9.根据权利要求1-4任一项所述的金属零件的增材制造方法，其特征在于，所述电弧为熔化极电弧、非熔化极电弧或等离子弧；所述电弧采用的电源为直流或交流电源，采用的电流为恒流或脉冲电流；所述激光为CO2激光器、YAG固体激光器、光纤激光器或半导体激光器所产生的激光束。
10.根据权利要求1-9任一项所述的金属零件的增材制造方法，其特征在于，所述金属包括钛合金、铝合金、镍基合金和钢。
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