CN107671289B - 一种低元素烧损稀土改性增强铝合金激光3d打印的工艺调控方法 - Google Patents

一种低元素烧损稀土改性增强铝合金激光3d打印的工艺调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于铝合金材料领域，涉及一种低元素烧损稀土改性增强铝合金激光3D打印的工艺调控方法，包括铺粉、激光扫描；所述激光扫描是将分区等差扫描、间歇扫描以及离焦扫描三者组合进行的；其中，所述的分区等差扫描是将二维扫描区域进行均匀分区得到若干扫描区块，在扫描过程中采用等差扫描区块间隔扫描；所述的间歇扫描是在扫描过程中，激光束每行进一段扫描矢量距离便停止扫描，冷却一段时间，然后继续扫描；所述的离焦扫描是改变激光束的焦平面，使得焦平面位于成形基板下方。其通过工艺调控方法实现对激光3D打印过程熔池温度的有效控制，同时解决激光增材制造元素烧损问题。

Description

一种低元素烧损稀土改性增强铝合金激光3D打印的工艺调控 方法
技术领域
本发明属于铝合金材料领域，涉及一种低元素烧损稀土改性增强铝合金激光3D打印的工艺调控方法，特别涉及一种能实现元素低烧损的3D打印工艺方法。
背景技术
铝合金由于具有较高的比强度和塑性、良好的导热导电性能及耐腐蚀性能，被广泛应用在航空航天、交通灯、舰船等工业领域。为了进一步提升铝合金的强度，通常会添加微量元素在基体内形成细小弥散析出相来得以实现。其中稀土元素的添加作用尤为显著，不仅能够形成细小析出相，还能有效改善合金的金相组织，细化晶粒，去除合金中气体与有害杂质，减少合金的裂纹源，实现合金的强韧化同步增强。中国专利00114848.6提出了一种铝镁钪中间合金的制备方法，指出含微量钪的铝合金强度、塑性更高，且焊接性能及抗腐蚀性能也得到显著提升。中国专利CN 108924175 B指出通过在铝镁合金中添加Er元素可以形成弥散分布的Al3Er析出相，能够起到钉扎位错提高合金强度的效果。
无论怎样，传统铸造铝合金的生产方法很难获得稀土相均匀分布的冶金组织，同时易伴随着缩松、缩孔等冶金缺陷的发生。特别地，对于航空航天复杂异型构件的成形制备，传统工艺很难获取良好的成形质量。近年来，面向金属的选区激光熔化增材制造技术(SLM)得到迅猛发展，该技术基于完全熔化机制以及微细化逐层加工特征，对于复杂构型零件的高性能精密成形具有独特的优势。当前，针对稀土增强铝镁合金的SLM技术成形已有相应文献报道，然而不可回避的问题就是稀土元素面临的烧损问题。稀土元素的烧损源于两方面，一则是氧化烧损，稀土元素极其活泼，易与粉体中的氧杂质或成形腔体中的残余氧含量结合，形成氧化物，从而导致成形样品夹杂孔洞以及性能恶化；另一方面源于蒸发或者挥发烧损，SLM成形所用激光能量呈高斯分布，中心能量非常高，由于粉床成形，热量不易快速传导耗散，采用传统线性扫描策略极易导致局部热量积聚产生高温，进而引起稀土元素的蒸发烧损。
发明内容
为解决上述存在的技术问题，本发明旨在通过独特优化的工艺调控方法实现对激光3D打印过程熔池温度的有效控制，同时也为激光增材制造元素烧损问题的解决提供了一种低元素烧损稀土改性增强铝合金激光3D打印的工艺调控方法。
为实现上述技术目的，本发明采取的具体技术方案为，一种低元素烧损稀土改性增强铝合金激光3D打印的工艺调控方法，包括铺粉、激光扫描；所述激光扫描是将分区等差扫描、间歇扫描以及离焦扫描三者组合进行的；
其中，所述的分区等差扫描是将二维扫描区域进行均匀分区得到若干扫描区块，保证相邻扫描区块速度矢量呈正交关系，同时在扫描过程中采用等差扫描区块间隔扫描，即连续扫描区块间相隔相等数量待扫描区块；
所述的间歇扫描是在扫描过程中，激光束每行进一段扫描矢量距离便停止扫描，冷却一段时间，然后继续扫描；其中，扫描矢量距离以及冷却时间根据具体扫描用粉末以及成型对象而定；
所述的离焦扫描是改变激光束的焦平面，使得焦平面位于成形基板下方。
作为本发明改进的技术方案，还包括对3D打印用粉体进行预处理，具体是将粉体在惰性气体氛围下加热至120-150℃，保温2-4h；所用惰性气体为氢气与氩气的混合气体，其中，氢气体积含量在10-20％，余量为氩气。
作为本发明改进的技术方案，3D打印用粉体为稀土改性增强铝合金，包括如下重量百分含量的各物质：稀土元素0.5wt.％‐0.64wt.％，氧含量为0.02wt.％‐0.04wt.％，镁4.26wt.％，余量为铝；其中，稀土元素为Sc、Y、Er、La中的一种或任意质量比的两种。
作为本发明改进的技术方案，用于稀土改性增强铝合金时，间歇扫描冷却时间为0.02-0.03s。
作为本发明改进的技术方案，用于稀土改性增强铝合金时，扫描区块的尺寸为2mm×2mm。
作为本发明改进的技术方案，焦平面位于成形基板下方1500μm-1700μm处。
有益效果
本发明提供的激光扫描策略包含有分区等差扫描、间歇扫描及离焦扫描三种扫描方式，其中分区等差扫描有别于已有文献提出的分区扫描方式，间歇扫描通过调控连续扫描区域间的间距可有效实现对扫描平面温度场的合理分布，利用间歇扫描方式能够有效规避扫描区域严重热累积效应的发生，采用离焦扫描则实现扫描轨迹的稳定化控制，避免热量过度集中。三者实现的配合实现的目的是有效地降低扫描单元所经历的热累积效应，在保证扫描道良好冶金结合的同时，实现残余热量的有效耗散而避免了热量堆积。
此外，通过对粉体的预先热处理有效降低粉体中的氧含量，并提高粉体的流动铺展性能，利于粉体的良好成形。
综上，本申请中所采用的新型激光扫描策略结合粉体预处理，一方面通过降低粉体氧含量减少稀土元素的氧化烧损，另一方面通过降低成形过程中扫描单元的累积温度来减少稀土元素的氧化烧损以及蒸发烧损。通过本发明提供的方法，实现对稀土改性增强铝合金激光3D打印元素烧损的有效控制和降低。
附图说明
图1本申请激光扫描过程示意图；
图2实例1中熔池内部显微组织SEM照片；
图3实例1中粉床温度场分布图；
图4实例1中粉床温度-时间关系图；
图5实例2中熔池内部显微组织SEM照片；
图6实例2中粉床温度场分布图；
图7实例2中粉床温度-时间关系图；
图8实例3中熔池内部显微组织SEM照片；
图9实例3中粉床温度场分布图；
图10实例3中粉床温度-时间关系图；
图11传统线性扫描情况下熔池内部显微组织SEM照片；
图12传统线性扫描情况下粉床温度场分布图；
图13传统线性扫描情况下粉床温度-时间关系图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明的技术方案，以下结合附图及实施例对本发明实施方案作进一步描述：以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于此。
一种低元素烧损稀土改性增强铝合金激光3D打印的工艺调控方法，包括铺粉、激光扫描；如图1所示，所述激光扫描是将分区等差扫描、间歇扫描以及离焦扫描三者组合进行的；其目的在于有效地降低扫描单元所经历的热累积效应，在保证扫描道良好冶金结合的同时，实现残余热量的有效耗散而避免了热量堆积。
其中，所述的分区等差扫描是将二维扫描区域进行均匀分区得到若干扫描区块，保证相邻扫描区块速度矢量呈正交关系，同时在扫描过程中采用等差扫描区块间隔扫描，即连续扫描区块间相隔相等数量待扫描区块；
所述的间歇扫描是在扫描过程中，激光束每行进一段扫描矢量距离便停止扫描，冷却一段时间，然后继续扫描；其中，扫描矢量距离以及冷却时间根据具体扫描用粉末以及成型对象而定；
所述的离焦扫描是改变激光束的焦平面，使得焦平面位于成形基板下方。
为更好地说明本发明采用的新型扫描策略的优势，不同扫描策略下任意扫描单元的截面能量分布通过数学模型被建立：
假设激光束进行线性扫描，扫描间距为dsp，对于截面上任意一点Q(x0,y0)，则第i个扫描线对Q点的影响为：
其中EQ为第i条扫描线向外传递能量时在Q点的能量分布，P为激光功率，w为激光光斑有效半径，v为扫描速度。
则n条扫描线对该点的影响叠加之和即为：
同样扫描区域，采用新型扫描策略时，假设区域被划分为a*b块，考虑到分区等差以及间歇式特点，对于某一区域的某一点Q(x0,y0)，可以忽略其他分区扫描线的影响作用，同时基于离焦的特点，Q点的截面能量分布可以表示为：
其中a为Q点所在区域包含的扫描线数量。显然这里a远小于n值，且w'为焦平面半径，w’≥w(由于离焦)，因此新型扫描策略下的Q点累积能量显著小于线扫描策略下的累积能量。
还包括对3D打印用粉体进行预处理，具体是将粉体在惰性气体氛围下加热至120‐150℃，保温2‐4h；所用惰性气体为氢气与氩气的混合气体，其中，氢气体积含量在10‐20％，余量为氩气；3D打印用粉体为稀土改性增强铝合金，包括如下重量百分含量的各物质：稀土元素0.5wt.％‐0.64wt.％，氧含量为0.02wt.％‐0.04wt.％，镁4.26wt.％，余量为铝；其中，稀土元素为Sc、Y、Er、La中的一种或任意质量比的两种。
上述实现元素低烧损的3D打印工艺在采用稀土改性增强铝合金粉末进行铺粉时，间歇扫描冷却时间为0.02-0.03s；扫描区块的尺寸为2mm×2mm；焦平面位于成形基板下方1500μm-1700μm处。
本申请的低烧损的3D打印方法，适用于各类3D激光打印用的粉末。但在本申请中仅针对铝合金粉末进行详细举例，其他粉末类推。
实施例1：
本发明是一种低元素烧损稀土改性增强铝合金激光3D打印的工艺调控方法，包括铺粉、激光扫描；具体包括以下步骤：
(1)建立成形试样三维模型，进行路径规划；采用的激光扫描策略包括：采用2mm×2mm分区，连续扫描区域间隔4个区块，每道扫描矢量末端暂停Δt＝0.02s。
(2)分层切片模型，导入成形设备工控机。
(3)调整成形基板，使焦平面在成形基板下方Δh＝1700μm。
(4)对预合金粉末进行预处理，所用气氛为氢气加氩气，氢气含量在10％，加热温度为120℃，保温时间为4h。
(5)迅速倒入预合金粉末(为添加有稀土元素的铝预合金粉末材料)，封闭腔体，进行SLM成形试验。
成形试样熔池内部的显微组织如图2所示，所采用的预合金粉末与成形试样的化学成分如表1所示，可以看出稀土元素的烧损率a仅有2.65％。此外针对该工艺参数进行有限元数值温度场模拟，选取15步长条件下的温度云图，如图3所示，已成形区域温度得到有效控制，维持在300℃左右；15步长处对应单元的温度-时间关系如图4，最高温度为823℃，液相维持时间在0.12ms左右，热积聚效应不明显。
烧损率可以定义为a＝(ρ理论V真实fSc-m真实f’Sc)/ρ理论V真实fSc；
ρ理论表示试样理论密度，V真实表示成形试样体积，fSc表示粉末中Sc元素的成分含量，m真实表示试样质量，f’Sc表示试样中Sc元素的成分含量
表1预合金粉末及成形试样的化学元素成分分布情况
化学元素成分 Al Mg Sc Er O
预合金粉体 95.06wt.％ 4.26wt.％ 0.43wt.％ 0.21wt.％ 0.04wt.％
成形试样 95.21wt.％ 4.17wt.％ 0.41wt.％ 0.19wt.％ 0.06wt.％
实施例2：
本发明是一种低元素烧损稀土改性增强铝合金激光3D打印的工艺调控方法，包括铺粉、激光扫描；具体包括以下步骤：
(1)建立成形试样三维模型，进行路径规划；采用的激光扫描策略包括：采用2mm×2mm分区，连续扫描区域间隔3个区块，每道扫描矢量末端暂停Δt＝0.03s。
(2)分层切片模型，导入成形设备工控机。
(3)调整成形基板，使焦平面在成形基板下方Δh＝1600μm。
(4)对预合金粉末进行预处理，所用气氛为氢气加氩气，氢气含量在15％，加热温度为130℃，保温时间为3h。
(5)迅速倒入粉体，封闭腔体，进行SLM成形试验。
成形试样熔池内部的显微组织如图5所示，所采用的预合金粉体与成形试样的化学成分如表2所示，可以看出稀土元素的烧损率a仅有3.63％。此外针对该工艺参数进行有限元数值温度场模拟，选取15步长条件下的温度云图，如图6所示，已成形区域温度得到有效控制，维持在310℃左右；15步长处对应单元的温度-时间关系如图7，最高温度为845℃，液相维持时间在0.13ms左右，热积聚效应不明显。
烧损率可以定义为a＝(ρ理论V真实fSc-m真实f’Sc)/ρ理论V真实fSc；
表2预合金粉末及成形试样的化学元素成分分布情况
化学元素成分 Al Mg Sc Er O
预合金粉体 95.06wt.％ 4.26wt.％ 0.43wt.％ 0.21wt.％ 0.04wt.％
成形试样 95.12wt.％ 4.19wt.％ 0.41wt.％ 0.20wt.％ 0.08wt.％
实施例3：
本发明是一种低元素烧损稀土改性增强铝合金激光3D打印的工艺调控方法，包括铺粉、激光扫描；具体包括以下步骤：
(1)建立成形试样三维模型，进行路径规划。采用的激光扫描策略包括：采用2mm×2mm分区，连续扫描区域间隔2个区块，每道扫描矢量末端暂停
Δt＝0.05s。
(2)分层切片模型，导入成形设备工控机。
(3)调整成形基板，使焦平面在成形基板下方Δh＝1500μm。
(4)对预合金粉末进行预处理，所用气氛为氢气加氩气，氢气含量在20％，加热温度为150℃，保温时间为2h。
(5)迅速倒入粉体，封闭腔体，进行SLM成形试验。
成形试样熔池内部的显微组织如图8所示，所采用的预合金粉体与成形试样的化学成分如表3所示，可以看出稀土元素的烧损率a仅有4.39％。此外针对该工艺参数进行有限元数值温度场模拟，选取15步长条件下的温度云图，如图9所示，已成形区域温度得到有效控制，维持在320℃左右；15步长处对应单元的温度-时间关系如图10，最高温度为878℃，液相维持时间在0.15ms左右，热积聚效应不明显。
烧损率可以定义为a＝(ρ理论V真实fSc-m真实f’Sc)/ρ理论V真实fSc；
表3预合金粉末及成形试样的化学元素成分分布情况
化学元素成分 Al Mg Sc Er O
预合金粉体 95.06wt.％ 4.26wt.％ 0.43wt.％ 0.21wt.％ 0.04wt.％
成形试样 95.01wt.％ 4.32wt.％ 0.39wt.％ 0.20wt.％ 0.08wt.％
对比例1：
与实施例3的区别在于，Er与Sc能采用Y、La代替。也能为Y、La、Er与Sc中的任意质量比的两种。所采用的预合金粉体与成形试样的化学成分如表4所示，
表4预合金粉末及成形试样的化学元素成分分布情况
化学元素成分 Al Mg Y La O
预合金粉体 95.06wt.％ 4.3wt.％ 0.43wt.％ 0.21wt.％ 0.04wt.％
成形试样 95.07wt.％ 4.22wt.％ 0.34wt.％ 0.29wt.％ 0.08wt.％
或者所采用的预合金粉体与成形试样的化学成分如表5所示，
表5预合金粉末及成形试样的化学元素成分分布情况
化学元素成分 Al Mg Y O
预合金粉体 95.16wt.％ 4.26wt.％ 0.54wt.％ 0.04wt.％
成形试样 95.17wt.％ 4.22wt.％ 0.52wt.％ 0.09wt.％
或者所采用的预合金粉体与成形试样的化学成分如表6所示，
表6预合金粉末及成形试样的化学元素成分分布情况
化学元素成分 Al Mg La O
预合金粉体 95.2wt.％ 4.26wt.％ 0.50wt.％ 0.04wt.％
成形试样 95.17wt.％ 4.22wt.％ 0.52wt.％ 0.09wt.％
对比例2：
本发明是一种低元素烧损稀土改性增强铝合金激光3D打印的工艺调控方法，为进一步明确本发明的突出优势，现开展如下对比实例，具体包括以下步骤：
(1)建立成形试样三维模型，进行路径规划，采用传统线性激光扫描策略。
(2)分层切片模型，导入成形设备工控机。
(3)调整成形基板，使焦平面与成形基板一致。
(4)对预合金粉末进行预处理，所用气氛为氢气加氩气，氢气含量在10％，加热温度为120℃，保温时间为4h。
(5)迅速倒入粉体，封闭腔体，进行SLM成形试验。
成形试样熔池内部的显微组织如图11所示，所采用的预合金粉体与成形试样的化学成分如表7所示，可以看出稀土元素的烧损率高达12.27％。此外针对该工艺参数进行有限元数值温度场模拟，选取15步长条件下的温度云图，如图12所示，已成形区域温度维持在400℃左右；15步长处对应单元的温度-时间关系如图13，最高温度为953℃，液相维持时间在0.40ms左右，热积聚效应显著。
表7预合金粉末及成形试样的化学元素成分分布情况
化学元素成分 Al Mg Sc Er O
预合金粉体 95.06wt.％ 4.26wt.％ 0.43wt.％ 0.21wt.％ 0.04wt.％
成形试样 95.30wt.％ 4.11wt.％ 0.32wt.％ 0.15wt.％ 0.12wt.％

Claims (6)

1.一种低元素烧损稀土改性增强铝合金激光3D打印的工艺调控方法，包括铺粉、激光扫描；其特征在于，所述激光扫描是将分区等差扫描、间歇扫描以及离焦扫描三者组合进行的；
其中，所述的分区等差扫描是将二维扫描区域进行均匀分区得到若干扫描区块，保证相邻扫描区块速度矢量呈正交关系，同时在扫描过程中采用等差扫描区块间隔扫描，即连续扫描区块间相隔相等数量待扫描区块；
所述的间歇扫描是在扫描过程中，激光束每行进一段扫描矢量距离便停止扫描，冷却一段时间，然后继续扫描；其中，扫描矢量距离以及冷却时间根据具体扫描用粉末以及成型对象而定；
所述的离焦扫描是改变激光束的焦平面，使得焦平面位于成形基板下方。
2.根据权利要求1所述的一种低元素烧损稀土改性增强铝合金激光3D打印的工艺调控方法，其特征在于，还包括对3D打印用粉体进行预处理，具体是将粉体在惰性气体氛围下加热至120-150 ºC，保温2-4h；所用惰性气体为氢气与氩气的混合气体，其中，氢气体积含量在10-20%，余量为氩气。
3.根据权利要求2所述的一种低元素烧损稀土改性增强铝合金激光3D打印的工艺调控方法，其特征在于，3D打印用粉体为稀土改性增强铝合金，包括如下重量百分含量的各物质：稀土元素 0.5 wt.% -0.64 wt.%，氧含量为0.02 wt.%-0.04 wt.%，镁4.26 wt.%，余量为铝；其中，稀土元素为Sc、Y、Er、La中的一种或任意质量比的两种。
4.根据权利要求3所述的一种低元素烧损稀土改性增强铝合金激光3D打印的工艺调控方法，其特征在于，用于稀土改性增强铝合金时，间歇扫描冷却时间为0.02-0.03s。
5.根据权利要求3所述的一种低元素烧损稀土改性增强铝合金激光3D打印的工艺调控方法，其特征在于，用于稀土改性增强铝合金时，扫描区块的尺寸为2mm×2mm。
6.根据权利要求1所述的一种低元素烧损稀土改性增强铝合金激光3D打印的工艺调控方法，其特征在于，焦平面位于成形基板下方1500μm-1700μm处。
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