CN107876769A - 一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法 - Google Patents

一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其步骤：在激光选区熔化成形部位构件宽度方向设计1～2mm加工余量，在激光熔化沉积成形部位构件单边设计加工余量2～4mm；激光熔化沉积成形部位与激光选区熔化成形部位之间为过渡区；激光选区熔化技术实现净成形完成后，将构件与基材进行去应力退火处理；通过线切割或锯床切割实现构件与基材分离；采用双道搭接成形策略及小光斑、小送粉量、低能量输入参数实现所述的结合界面附近组织连续性过渡，而后采用大光斑、大送粉量、高能量输入实现余下部位高效成形；最后将整体结构进行固溶时效热处理。本发明可有效避免诸多难题，实现大尺寸复杂薄壁构件的高效高精度制造。

Description

一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法。
背景技术
激光选区熔化成形技术，基于激光束对预铺合金粉末逐层扫描熔化、叠加成形，成形精度达0.1mm，非常适合中小尺寸难加工金属复杂型腔、型面、薄壁、变截面结构的高精度整体化制造。激光熔化沉积技术，基于激光束对同步输送合金粉末逐层熔化并堆积成形，需后续加工，沉积效率高，适合大尺寸复杂毛坯件的快速制造。
目前，单独采用激光选区熔化成形技术仅可实现部分中小尺寸复杂构件的高精度整体化制造，且此类构件成形过程中存在过多弱刚性、弱强度辅助支撑，变形控制难度大，极易引起成形过程不稳定，产品尺寸超差，且支撑去除难度及工作量大，成形效率低、周期长，生产成本高。单独采用激光熔化沉积技术可实现中大尺寸复杂金属毛坯件整体化快速制造，但复杂深腔、内流道、半封闭及封闭等结构的后续加工难度大，甚至无法进行后续加工。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其采用激光选区熔化技术与激光熔化沉积技术相结合实现大尺寸薄壁开敞复杂结构整体化制造，解决了变形控制及结合界面组织连续性调控难题。
实现本发明目的的技术方案：一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其包括如下步骤：
步骤a)为抑制大尺寸薄壁开敞复杂结构瓢曲变形，悬垂结构多、后续加工难度大或无法实现后续加工的部位采用激光选区熔化成形，其余部位采用激光熔化沉积成形；在激光选区熔化成形部位构件宽度方向设计1～2mm加工余量，在激光熔化沉积成形部位构件单边设计加工余量2～4mm；
步骤b)激光熔化沉积成形部位与激光选区熔化成形部位之间为过渡区，所述的过渡区纵截面为倒梯形或倒“凸”字型的结构；
步骤c)激光选区熔化技术实现净成形完成后，将构件与基材整体进行去应力退火处理，退火温度为500～600℃，退火时间不小于2小时；
步骤d)通过线切割或锯床切割实现构件与基材分离，保证结合界面任意两点最大高度差小于等于2mm，表面粗糙度Ra小于等于12.5μm；
步骤e)采用双道搭接成形策略及小光斑、小送粉量、低能量输入参数实现步骤d)所述的结合界面附近组织连续性过渡，而后采用大光斑、大送粉量、高能量输入实现余下部位高效成形；
步骤f)最后将整体结构进行固溶时效热处理，调控组织性能。
如上所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其所述的大尺寸薄壁开敞复杂结构，其单边尺寸在300～400mm以上，厚度小于或等于5mm。
如上所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，当过渡区设计为纵截面为倒梯形结构形式时，梯形两侧边与竖直方向之间的夹角小于等于45度。
如上所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其步骤b)在激光选区熔化成形部位构件宽度方向设计薄板或栅栏式加强结构。
如上所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其所述的薄板或栅栏式加强结构厚度为2～4mm，高度为5～25mm，筋条的宽度为2～4mm，厚度为2～4mm，高度为5～25mm，保证该余量可方便后续加工去除。
如上所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其步骤d)所述的通过线切割或锯床切割实现构件与基材分离，通过结合界面抛光、加工、烘干处理，保证结合界面任意两点最大高度差小于等于1-2mm，表面粗糙度Ra小于等于12.5μm，实现结合界面无缺陷成形。
如上所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，步骤e)所述的小光斑的光斑直径1～3mm、小送粉量为5-10g/min、低能量输入为激光功率500～1500W、扫描速度600-1200mm/min。
如上所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其步骤e)所述的大光斑的光斑直径5～6mm、大送粉量为20-30g/min、高能量输入为激光功率2500～3500W、扫描速度600-800mm/min。
如上所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其步骤f)所述的固溶时效热处理，固溶处理温度为910～960℃，保温1～3小时；时效处理温度为500～550℃，保温4～6小时。
本发明的效果在于：本发明所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，将激光选区熔化成形技术与激光熔化沉积技术相结合，统筹考虑成形过程应力变形控制，设计成形方案及过渡区结构形式，悬垂结构多、后续加工难度大及无法实现后续加工的部位采用激光选区熔化技术实现净成形，结合面加工或光整处理后采用激光熔化沉积技术实现其余开敞性薄壁复杂结构、便于后续加工部位的快速制造及后续加工，可有效避免上述诸多难题，实现大尺寸复杂薄壁构件的高效高精度制造。本发明既可避免单独采用激光选区熔化技术存在的仅可实现小部分中小尺寸复杂构件制造、变形及成形稳定性无法有效控制、支撑去除难度及工作量大、成形效率低周期长、生产成本高等一系列问题，又可避免单独采用激光熔化沉积技术存在的复杂深腔、内流道、半封闭及封闭等结构后续加工难度大甚至无法进行等难题。
附图说明
图1为过渡区结构形式示意图；
图2为过渡区侧面及背面薄板或栅栏式加强结构示意图。
图中：1为激光熔化沉积部位，2为激光选区熔化成形部位，3为薄板加强结构或栅栏式加强结构，4为过渡区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法作进一步描述。
实施例1
本发明所述的大尺寸薄壁开敞复杂结构，其单边尺寸在400mm以上，厚度5mm。
如图1至图2所示，本发明所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其包括如下步骤：
步骤a)为抑制大尺寸薄壁开敞复杂结构瓢曲变形，悬垂结构多、后续加工难度大或无法实现后续加工的部位采用激光选区熔化成形，其余部位采用激光熔化沉积成形；在激光选区熔化成形部位2构件宽度方向设计2mm加工余量，在激光熔化沉积成形部位1构件单边设计加工余量4mm；
步骤b)激光熔化沉积成形部位1与激光选区熔化成形部位2之间为过渡区4，所述的过渡区4纵截面为倒梯形或倒“凸”字型的结构；当过渡区4设计为纵截面为倒梯形结构形式时，梯形两侧边与竖直方向之间的夹角45度；在激光选区熔化成形部位2构件宽度方向设计薄板或栅栏式加强结构3；
步骤c)激光选区熔化技术实现净成形完成后，将构件与基材整体进行去应力退火处理，退火温度为600℃，退火时间2小时；
步骤d)通过线切割或锯床切割实现构件与基材分离，保证结合界面任意两点最大高度差小于等于2mm，表面粗糙度Ra小于等于12.5μm；
所述的通过线切割或锯床切割实现构件与基材分离，通过结合界面抛光、加工、烘干处理，保证结合界面任意两点最大高度差小于等于2mm，表面粗糙度Ra小于等于12.5μm，实现结合界面无缺陷成形。
步骤e)采用双道搭接成形策略及小光斑、小送粉量、低能量输入参数实现步骤d)所述的结合界面附近组织连续性过渡，而后采用大光斑、大送粉量、高能量输入实现余下部位高效成形；
所述的小光斑的光斑直径3mm、小送粉量为10g/min、低能量输入为激光功率1500W、扫描速度1200mm/min；
所述的大光斑的光斑直径6mm、大送粉量为30g/min、高能量输入为激光功率3500W、扫描速度800mm/min；
步骤f)最后将整体结构进行固溶时效热处理，调控组织性能；
所述的固溶时效热处理，固溶处理温度为960℃，保温1小时；时效处理温度为550℃，保温4小时。
实施例2
本发明所述的大尺寸薄壁开敞复杂结构，其单边尺寸在300mm以上，厚度4mm。
如图1至图2所示，本发明所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其包括如下步骤：
步骤a)为抑制大尺寸薄壁开敞复杂结构瓢曲变形，悬垂结构多、后续加工难度大或无法实现后续加工的部位采用激光选区熔化成形，其余部位采用激光熔化沉积成形；在激光选区熔化成形部位2构件宽度方向设计1mm加工余量，在激光熔化沉积成形部位1构件单边设计加工余量2mm；
步骤b)激光熔化沉积成形部位1与激光选区熔化成形部位2之间为过渡区4，所述的过渡区4纵截面为倒梯形或倒“凸”字型的结构；当过渡区4设计为纵截面为倒梯形结构形式时，梯形两侧边与竖直方向之间的夹角30度。在激光选区熔化成形部位2构件宽度方向设计薄板或栅栏式加强结构3；
步骤c)激光选区熔化技术实现净成形完成后，将构件与基材整体进行去应力退火处理，退火温度为500℃，退火时间4小时；
步骤d)通过线切割或锯床切割实现构件与基材分离，保证结合界面任意两点最大高度差小于等于1mm，表面粗糙度Ra小于等于12.5μm；
所述的通过线切割或锯床切割实现构件与基材分离，通过结合界面抛光、加工、烘干处理，保证结合界面任意两点最大高度差小于等于1mm，表面粗糙度Ra小于等于12.5μm，实现结合界面无缺陷成形。
步骤e)采用双道搭接成形策略及小光斑、小送粉量、低能量输入参数实现步骤d)所述的结合界面附近组织连续性过渡，而后采用大光斑、大送粉量、高能量输入实现余下部位高效成形；
所述的小光斑的光斑直径1mm、小送粉量为5g/min、低能量输入为激光功率500W、扫描速度600mm/min；
所述的大光斑的光斑直径5mm、大送粉量为20g/min、高能量输入为激光功率2500W、扫描速度600mm/min；
步骤f)最后将整体结构进行固溶时效热处理，调控组织性能；
所述的固溶时效热处理，固溶处理温度为910℃，保温3小时；时效处理温度为500℃，保温6小时。
实施例3
本发明所述的大尺寸薄壁开敞复杂结构，其单边尺寸在300～400mm以上，厚度小于或等于5mm。
如图1至图2所示，本发明所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其包括如下步骤：
步骤a)为抑制大尺寸薄壁开敞复杂结构瓢曲变形，悬垂结构多、后续加工难度大或无法实现后续加工的部位采用激光选区熔化成形，其余部位采用激光熔化沉积成形；在激光选区熔化成形部位2构件宽度方向设计1～2mm加工余量，在激光熔化沉积成形部位1构件单边设计加工余量2～4mm；
步骤b)激光熔化沉积成形部位1与激光选区熔化成形部位2之间为过渡区4，所述的过渡区4纵截面为倒梯形或倒“凸”字型的结构；当过渡区4设计为纵截面为倒梯形结构形式时，梯形两侧边与竖直方向之间的夹角小于等于45度。在激光选区熔化成形部位2构件宽度方向设计薄板或栅栏式加强结构3；
步骤c)激光选区熔化技术实现净成形完成后，将构件与基材整体进行去应力退火处理，退火温度为550℃，退火时间不小于2小时；
步骤d)通过线切割或锯床切割实现构件与基材分离，保证结合界面任意两点最大高度差小于等于2mm，表面粗糙度Ra小于等于12.5μm；
所述的通过线切割或锯床切割实现构件与基材分离，通过结合界面抛光、加工、烘干处理，保证结合界面任意两点最大高度差小于等于2mm，表面粗糙度Ra小于等于12.5μm，实现结合界面无缺陷成形；
步骤e)采用双道搭接成形策略及小光斑、小送粉量、低能量输入参数实现步骤d)所述的结合界面附近组织连续性过渡，而后采用大光斑、大送粉量、高能量输入实现余下部位高效成形；
所述的小光斑的光斑直径2mm、小送粉量为8g/min、低能量输入为激光功率1000W、扫描速度800mm/min；
所述的大光斑的光斑直径5mm、大送粉量为25g/min、高能量输入为激光功率3000W、扫描速度700mm/min；
步骤f)最后将整体结构进行固溶时效热处理，调控组织性能；
所述的固溶时效热处理，固溶处理温度为940℃，保温2小时；时效处理温度为520℃，保温5小时。
最后应当说明，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而不受上述具体实施例的限制，其其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤a)为抑制大尺寸薄壁开敞复杂结构瓢曲变形，悬垂结构多、后续加工难度大或无法实现后续加工的部位采用激光选区熔化成形，其余部位采用激光熔化沉积成形；在激光选区熔化成形部位(2)构件宽度方向设计1～2mm加工余量，在激光熔化沉积成形部位(1)构件单边设计加工余量2～4mm；
步骤b)激光熔化沉积成形部位(1)与激光选区熔化成形部位(2)之间为过渡区(4)，所述的过渡区(4)纵截面为倒梯形或倒“凸”字型的结构；
步骤c)激光选区熔化技术实现净成形完成后，将构件与基材整体进行去应力退火处理，退火温度为500～600℃，退火时间不小于2小时；
步骤d)通过线切割或锯床切割实现构件与基材分离，保证结合界面任意两点最大高度差小于等于2mm，表面粗糙度Ra小于等于12.5μm；
步骤e)采用双道搭接成形策略及小光斑、小送粉量、低能量输入参数实现步骤d)所述的结合界面附近组织连续性过渡，而后采用大光斑、大送粉量、高能量输入实现余下部位高效成形；
步骤f)最后将整体结构进行固溶时效热处理，调控组织性能。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其特征在于：所述的大尺寸薄壁开敞复杂结构，其单边尺寸在300～400mm以上，厚度小于或等于5mm。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其特征在于：当过渡区(4)设计为纵截面为倒梯形结构形式时，梯形两侧边与竖直方向之间的夹角小于等于45度。
4.根据权利要求1所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其特征在于：步骤b)在激光选区熔化成形部位(2)构件宽度方向设计薄板或栅栏式加强结构(3)。
5.根据权利要求4所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其特征在于：所述的薄板或栅栏式加强结构(3)厚度为2～4mm，高度为5～25mm，筋条的宽度为2～4mm，厚度为2～4mm，高度为5～25mm，保证该余量可方便后续加工去除。
6.根据权利要求1所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其特征在于：步骤d)所述的通过线切割或锯床切割实现构件与基材分离，通过结合界面抛光、加工、烘干处理，保证结合界面任意两点最大高度差小于等于1-2mm，表面粗糙度Ra小于等于12.5μm，实现结合界面无缺陷成形。
7.根据权利要求1所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其特征在于：步骤e)所述的小光斑的光斑直径1～3mm、小送粉量为5-10g/min、低能量输入为激光功率500～1500W、扫描速度600-1200mm/min。
8.根据权利要求1所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其特征在于：步骤e)所述的大光斑的光斑直径5～6mm、大送粉量为20-30g/min、高能量输入为激光功率2500～3500W、扫描速度600-800mm/min。
9.根据权利要求1所述的一种大尺寸薄壁开敞复杂结构组合增材制造方法，其特征在于：步骤f)所述的固溶时效热处理，固溶处理温度为910～960℃，保温1～3小时；时效处理温度为500～550℃，保温4～6小时。
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