CN107584121A

CN107584121A - 一种利用多种元素粉末成型合金的激光3d打印方法及装置

Info

Publication number: CN107584121A
Application number: CN201711065781.2A
Authority: CN
Inventors: 陆兴; 吕云卓; 覃作祥; 徐会东; 刘政泓
Original assignee: Dalian Jiaotong University
Current assignee: Dalian Jiaotong University
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2018-01-16

Abstract

本发明公开了一种利用多种元素粉末成型合金的激光3D打印方法和装置，方法包括：根据合金中各不同元素的质量百分比，计算所述不同元素粉末的送粉率；所述不同元素粉末分别同时送粉；所述不同元素粉末在送粉过程中混合均匀；将混合均匀的合金粉末在激光功率100W～6000W，扫描速度100mm/min～1500mm/min，激光光斑直径0.1mm～6mm，搭接率为15％～50％，打印层厚0.005mm～4mm，打印环境氧浓度低于50ppm，基板预热温度0～1000℃的条件下，逐层打印合金构件；将合金构件在惰性气体保护和温度100℃～1300℃下均匀化退火，时间0～12h。本发明可以不仅使合金构件组织致密可控，成分均匀，而且极大地降低了原料成本，在高性能合金的激光3D打印成型领域具有巨大的应用前景。

Description

一种利用多种元素粉末成型合金的激光3D打印方法及装置

技术领域

本发明涉及合金增材制造技术领域，更具体地，涉及一种利用多种元素粉末成型合金的激光3D打印方法及装置。

背景技术

激光3D打印技术，又称激光增材制造技术，是以高性能金属粉末为原料，通过激光熔化、快速凝固、逐层堆积，由零件“三维实体”模型进行层层堆积后直接“打印”出全致密、高性能的微型、精密、复杂金属结构件。与传统的切削等机械加工技术相比，激光3D打印技术具有选材范围广、材料利用率高、低成本、精度高、周期短等诸多优势，被国内外公认为是对高性能金属关键构件的研制与生产具有决定性影响的核心关键制造技术之一。它实现了材料制备与复杂零件“近净成形”制造一体化，无需零件毛坯制备，无需模具加工，直接从计算机生成的零件CAD实体模型“生长”出净形金属零件产品。

作为激光3D打印成型金属零件的基础原材料，金属粉末的质量以及生产成本直接影响所成型的金属零件的性能和成本。目前，激光3D打印成型合金皆采用合金粉末打印。合金粉末的制备可以采用雾化法，该方法首先需要将各金属元素熔融成合金熔液，然后再雾化制备。但是，目前市场上合金粉末的种类较少，且成本较高，特别是对于适合不同用途的高性能的合金粉末。也可以采用球磨法，将不同的元素粉末机械地混合在一起制备合金粉末。但是，对于密度相差较大的不同元素粉末，利用机械混合的方法难以混合充分均匀。由此可见，如何简单、高效、低成本地为激光3D打印过程提供的合金粉末，并且利用激光3D打印技术将该合金粉末成型出高性能的合金构件，是激光3D打印领域亟待解决的首要问题，这是进一步降低激光3D打印生产成本和提高激光3D打印生产效率的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种利用多种元素粉末成型合金的激光3D打印方法及装置，该方法具有操作简单、合金构件组织致密可控及成分均匀、生产成本较低的特点。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种利用多种元素粉末成型合金构件的激光3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：根据合金中各不同元素的摩尔百分比，计算所述不同元素粉末的送粉率；

步骤S2：所述不同元素粉末分别同时送粉；

步骤S3：所述不同元素粉末在送粉过程中混合均匀；

步骤S4：将步骤S3得到的混合均匀的合金粉末在激光功率100W～6000W，扫描速度100mm/min～1500mm/min，激光光斑直径0.1mm～6mm，搭接率为15％～50％，打印层厚0.005mm～4mm，打印环境氧浓度低于50ppm，基板预热温度0～1000℃的条件下，逐层打印合金构件；

步骤S5：将步骤S4得到的合金构件在惰性气体保护和温度100℃～1300℃下均匀化退火，时间0～12h。

进一步地，所述元素的种类大于2。

进一步地，步骤S3中，通过在送粉管路中设置局部较大管径使所述不同元素粉末在送粉过程中混合均匀。

进一步地，所述不同元素粉末的粒径为50μm～300μm。

进一步地，步骤S1中，所述不同元素粉末的送粉率小于等于40g/min。

一种利用多种元素粉末成型合金构件的激光3D打印装置，其特征在于，包括送粉器、与所述送粉器相连的2个以上的送粉桶、与所述送粉桶相连且与所述送粉桶数量一致的送粉支管、与所述送粉支管皆相连的粉末混合器、与所述粉末混合器相连的送粉总管，所述粉末混合器的管径大于所述送粉总管的管径。

从上述技术方案可以看出，本发明直接以多种元素粉末为原料通过激光3D打印技术加工合金构件，由于目前市场上各种元素粉末的制备技术较成熟，可实现批量生产，且价格合理，极大地降低了原料成本，通过在送粉过程中将其混合均匀，使制得的合金构件组织致密可控，成分均匀，因此，本发明具有简单、高效、低成本的优点，在高性能合金的激光3D打印成型领域具有巨大的应用前景。

附图说明

图1是本发明的一种利用多种元素粉末成型合金构件的激光3D打印方法的流程图；

图2是本发明的一具体实施例中的激光3D打印装置的结构示意图。

图中：1、激光器，2、光纤，3、送粉器，4、送粉桶，5、送粉支管，6、粉末混合器，7、送粉总管，8、惰性气体保护手套箱，9、激光熔覆头，10、激光束，11、合金粉末，12、合金构件，13、基板，14、工作台。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。

在本具体实施例中，以包含四种元素的非晶合金Zr₆₇Cu₂₅Ni₄Al₄(wt.％)的同轴送粉激光3D打印方法为例，使用如图2所示的激光3D打印装置成型合金构件，具体如下：

激光3D打印装置，包括送粉器3、与送粉器3相连的两个以上的送粉桶4(在本实施例中为四个，自左到右依次排列)、每个送粉桶输送元素粉末的送粉支管5(在本实施例中为四个)、各送粉支管5于管径较大的空间汇合并混合均匀的粉末混合器6、以及送粉总管7。其余结构与现有技术相同。

请参阅图1，利用激光3D打印技术成型合金的方法具体为：首先，将粒径为50μm～300μm的元素锆粉末、元素铜粉末、元素镍粉末和元素铝粉末分别放置在同轴送粉激光3D打印装置的送粉器3的各送粉桶4内。

送粉器3使用惰性气体输送粉末，根据目标合金成分Zr₆₇Cu₂₅Ni₄Al₄(wt.％)中不同元素的质量百分比，通过调整各送粉桶4的送粉量，使得单位时间内输出的不同元素粉末的质量百分比为67:25:4:4。各送粉桶4的送粉率的调整范围小于等于40g/min。

其次，各送粉桶4内的不同元素分别经各送粉支管5同时送粉，输出的不同元素粉末在粉末混合器6中汇合并充分混合，由于粉末混合器6的管径比各送粉支管5以及送粉总管7的管径大，在惰性气体的推动下由较窄空间进入较大空间，因分子扩散作用而得到混合，因此，在送粉过程中使不同元素充分混合，之后，再经较窄的送粉总管7被输送至惰性气体保护手套箱8内的激光加工点处，激光加工点处的粉末中不同元素粉末的质量百分比为67:25:4:4。

基板13为厚度为20mm，材质为45号钢，基板13温度为室温，可以通过对基板13进行加热控温为合金构件12提供预热温度，基板13预热温度的范围为0～1000℃。

利用计算机构建三维实体模型，设置沿Z向生成每层厚度为0.005mm～4mm的层状模型以及各层扫描路径程序。

激光3D打印的工艺参数根据不同合金而不同，优选地，激光功率100W～6000W，扫描速度100mm/min～1500mm/min，激光光斑直径0.1mm～6mm，搭接率15％～50％，打印环境氧浓度低于50ppm。

启动打印程序，激光束10按照预置的扫描路径完成第一层截面图形打印，激光打印头上升一打印层厚的高度，开始第二层截面图形打印，上述过程循环进行，最终得到非晶合金构件12。

将得到的非晶合金构件12移到加热炉中，炉内有N₂气体保护，进行均匀化退火，退火条件根据不同合金而不同设定，优选地，温度100℃～1300℃，退火处理时间0～12h，完成非晶合金构件12的制备。

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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用多种元素粉末成型合金的激光3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：根据合金中各不同元素的质量百分比，计算所述不同元素粉末的送粉率；

步骤S2：所述不同元素粉末分别同时送粉；

步骤S3：所述不同元素粉末在送粉过程中混合均匀；

2.根据权利要求1所述的一种利用多种元素粉末成型合金的激光3D打印方法，其特征在于，所述元素的种类大于2。

3.根据权利要求1所述的一种利用多种元素粉末成型合金的激光3D打印方法，其特征在于，步骤S3中，通过在送粉管路中设置局部较大管径使所述不同元素粉末在送粉过程中混合均匀。

4.根据权利要求1所述的一种利用多种元素粉末成型合金的激光3D打印方法，其特征在于，所述不同元素粉末的粒径为50μm～300μm。

5.根据权利要求1所述的一种利用多种元素粉末成型合金的激光3D打印方法，其特征在于，步骤S1中，所述不同元素粉末的送粉率小于等于40g/min。

6.一种利用多种元素粉末成型合金的激光3D打印装置，其特征在于，包括送粉器、与所述送粉器相连的2个以上的送粉桶、与所述送粉桶相连且与所述送粉桶数量一致的送粉支管、与所述送粉支管皆相连的粉末混合器、与所述粉末混合器相连的送粉总管，所述粉末混合器的管径大于所述送粉总管的管径。