CN107876783B - 基于激光定点间隔扫描的激光增材制造用金属粉末制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光定点间隔扫描的激光增材制造用金属粉末的制备方法，首先按照所需制备的粉末材料中各元素单质所占的质量比称量出各单质粉末；进一步采用高能球磨机对单质金属粉末或混合后的粉末进行高能球磨；进一步根据所需要制备粉末的粒度要求在粉床选择铺叠对应的层数，通过变光斑激光定点间隔扫描制粉工艺将粉末烧结成激光增材制造用金属粉末；最后通过筛网过滤，定向选择烧制的合金粉末；本发明制备的激光增材制造用金属粉末满足了激光增材制造目前对材料粉末粒度控制越来越高的要求，避免了因粒度差异造成工艺不可控的情况；本发明可通过激光的高能量输入制备球形度好、级配可控、松装密度高的激光增材制造用金属粉末。

Description

基于激光定点间隔扫描的激光增材制造用金属粉末制备方法
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，涉及一种基于激光定点间隔扫描的激光增材制造用金属粉末的制备方法。
背景技术
现有传统粉末制备方法有很多，如等离子旋转电极(PREP)法、真空感应熔炼气雾化(VIGA)法、悬浮/半悬浮坩埚式气雾化(VIGA-CC)法、无坩埚电极感应气雾化(EIGA)法、等离子炬雾化(PA)法，成形的粉末粒度一般在 0到300μm范围区间之间，每种方法在粉末冶金领域上工艺都较为成熟。
然而，传统方法在制备粉末过程中，存在三大难题：
传统方法成形的粉末粒度属于正态分布，粉末粒度分布区间较大，需要通过分级筛选出粒度范围在15-53um、45-150um之间的粉末用于激光增材制造。由于航空航天等领域对零件的尺寸精度、组织性能控制标准极高，粉末粒度的差异往往会造成激光增材制造工艺的不可控，因而现有用于激光增材制造的粒度范围分级已难以满足航空航天高精密制造的要求，需要对粉末粒径范围区间进行进一步的分级，可能需要特定某一单一粒度或几个微米粒度区间范围的粉末，才能对制造的零件进行精确的控形控性。传统工艺方法分级之后会产生大量超出粒度范围区间的粉末，需要对废粉进行回收处理，增加了生产成本，不利于可持续发展。
难熔金属粉末材料在航空航天等工业中的应用越来越广泛，材料本身具备的高熔点特性可对高速飞行器的关键部位进行隔热保护，而激光的高能量输入特性一直是成形难熔金属材料的重要手段。传统方法制备的难熔金属粉末球形度差，松装密度低，在成形过程中会产生诸如孔洞、裂纹等大量激光增材制造常见的缺陷，不利于在航空航天中的应用。一次粉末一般需要射频等离子对粉末进行二次球化，而通过射频等离子对粉末进行球化会大大提升制备粉末的成本，并且由于该技术在我国也并不是十分成熟，大大制约了我国制备球形度好、松装密度高的难熔金属粉末材料的能力，难熔金属粉末材料主要依赖于进口。
随着诸如高熵合金材料、航空航天军用专用钢材料的出现，粉末材料的定制化、个性化要求应运而生。传统制粉方法适合于对常用合金粉末进行大批量的生产，生产周期较长，价格较为昂贵。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于激光定点间隔扫描的激光增材制造用金属粉末的制备方法，通过激光的高能量输入制备球形度好、级配可控、松装密度高的金属粉末。
为实现上述目的，本发明采用如下方案：
基于激光定点间隔扫描的激光增材制造用金属粉末制备方法，包括如下步骤：
步骤1).按照所需制备的粉末材料中各元素单质所占的质量比称量出各单质粉末，若所需制备的粉末中包括多种单质元素，将各单质粉末混合均匀；
步骤2).采用高能球磨机对单质金属粉末或混合后的粉末进行高能球磨，得到小粒度的单质金属粉末或预制合金粉末；
步骤3).根据所需要制备的单质金属粉末或合金粉末的粒度要求在粉床选择铺叠对应的层数，通过变光斑激光定点间隔扫描制粉工艺将单质金属粉末或预制合金粉末烧结成激光增材制造用金属粉末；
步骤4).通过筛网过滤，定向选择烧制的粉末。
进一步，所述步骤1)所选取的单质金属粉末的初始粒度小于300目、纯度大于99.9wt.％，通过电子分析天平精确称量。
进一步，所述步骤2)采用行星式高能球磨机，高能球磨时要先对球磨机进行抽真空并充满氩气作为保护气体，球磨之后粉末粒度平均小于3μm。
进一步，所述步骤3)铺叠的粉末层厚度与激光光斑直径大小匹配。
进一步，所述步骤3)激光定点间隔扫描制粉工艺分为两种：一种采用激光连续波，调整激光功率和驻留时间，以低能量密度使粉末层产生球化现象；另一种采用激光脉冲波，调整峰值功率和脉冲宽度，以低脉冲输入能量使粉末层产生球化现象。
进一步，所述步骤3)烧结的激光增材制造用粉末粒度为15μm-150μm。
进一步，所述步骤4)制备的激光增材制造用金属粉末筛出后，剩余粉末可回收重复铺叠制粉7-10次。
进一步，激光增材制造包括激光熔覆沉积技术和选区激光熔化技术；用于激光熔覆沉积的粉末粒度在45-105μm之间，用于选区激光熔化的粉末粒度在 15-53μm之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的基于激光定点间隔扫描的激光增材制造用金属粉末制备方法，采用变光斑激光定点间隔扫描制粉工艺，通过确定光斑直径、调整成形工艺参数，能够精确控制粉末粒度与球形度，可制备出任意粒度的球形粉末或将制备出的粉末粒度控制在很小的区间范围内，避免了因粒度差异造成工艺不可控的情况，并且不会产生超出粒度范围的粉末，降低了生产成本，可快速制备定量新型号的合金粉末；通过激光的高能量输入充分熔化难熔金属粉末，可制备出球形度好、级配可控、松装密度高的难熔金属粉末，能够对难熔金属在激光增材制造成形过程中的裂纹、孔洞等缺陷问题加以控制。
附图说明
图1为激光定点间隔扫描制备激光增材制造用金属粉末的流程框图
图2为激光定点间隔扫描制备激光增材制造用金属粉末原理整体示意图
图3为激光定点间隔扫描制备激光增材制造用金属粉末原理局部示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1
参考图1，本发明基于激光定点间隔扫描的激光增材制造用金属粉末的制备方法，包括以下步骤：
制备用于选区激光熔化粒度为36μm的钛合金粉末，首先按照所需制备的 TC4(Ti6-Al4-V)粉末材料中Ti、Al、V金属元素单质与材料所包含的微量金属元素所占的质量比，通过电子分析天平称量初始粒度不大于300目(48μm)、纯度大于99.9wt.％的各元素单质粉末，采用SBH系列三维摆动混合机将配置好的粉末以一定速度混合4个小时以达到均匀。
进一步，采用抽真空并充满高纯氩气(99.99％)作为保护气体的行星式高能球磨机对混合好的粉末进行充分机械合金化，球磨之后粉末粒度要求平均小于 3μm。
进一步，在粉床上铺叠厚度为36-38μm合金化后的粉末，成形箱内充满高纯氩气，采用光斑直径为36μm的激光连续波，以较低的激光功率，在粉末层上开激光，控制合适的驻停时间后关闭激光器，激光熔覆头位移至下一点，重复上述过程，整个过程如图2和图3所示。通过体积公式计算可知，一个直径为 36μm的粉末内含有至少1728个机械合金化后的粉末，元素偏析不明显。
最后，通过筛网过滤，定向选择粉末粒度为36μm的钛合金粉末。
实施例2
参考图1，本发明基于激光定点间隔扫描的激光增材制造用金属粉末的制备方法，包括以下步骤：
制备用于激光熔覆沉积粒度为96μm的难熔高熵合金粉末，首先按照所需制备的难熔高熵合金(W20Nb20Mo20Ta20V20)粉末材料中W、Nb、Mo、Ta、V金属单质所占的质量比，通过电子分析天平称量初始粒度不大于300目(48μm)、纯度大于99.9wt.％的各元素单质粉末，采用SBH系列三维摆动混合机将配置好的粉末以一定速度混合4个小时以达到均匀。
进一步，采用抽真空并充满高纯氩气(99.99％)作为保护气体的行星式高能球磨机对混合好的粉末进行充分机械合金化，球磨之后粉末粒度要求平均小于 3μm。
进一步，在粉床上铺叠层厚为96-98μm合金化后的粉末，成形箱内充满高纯氩气，采用光斑直径为96μm的激光脉冲波，适当减小峰值功率和脉冲宽度，输入较低的脉冲能量获得球形粉末，激光头位移至下一点，重复上述过程，整个过程如图2和图3所示。通过体积公式计算可知，一个直径为96μm的粉末内含有至少32768个机械合金化后的粉末，元素偏析不明显。
最后，通过筛网过滤，定向选择粉末粒度为96μm的难熔高熵合金粉末。
实施例3
参考图1，本发明基于激光定点间隔扫描的激光增材制造用金属粉末的制备方法，包括以下步骤：
制备用于激光熔覆沉积粒度为63μm的纯钨粉末，通过电子分析天平称量初始粒度不大于300目(48μm)、纯度大于99.9wt.％的纯钨单质粉末，
进一步，采用抽真空并充满高纯氩气(99.99％)作为保护气体的行星式高能球磨机对纯钨粉末进行高能球磨，球磨之后粉末粒度要求平均小于3μm。
进一步，在粉床上铺叠层厚为63-65μm球磨后的粉末，成形箱内充满高纯氩气，采用光斑直径为63μm的激光脉冲波，适当减小峰值功率和脉冲宽度，输入较低的脉冲能量获得球形粉末，激光头位移至下一点，重复上述过程，整个过程如图2和图3所示。通过体积公式计算可知，一个直径为63μm的粉末内含有至少9261个球磨后的钨单质粉末。
最后，通过筛网过滤，定向选择粉末粒度为63μm的纯钨粉末。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.基于激光定点间隔扫描的激光增材制造用金属粉末的 制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1).按照所需制备的粉末材料中各元素单质所占的质量比称量出各单质粉末，若所需制备的粉末中包括多种单质元素，将各单质粉末混合均匀；
步骤2).采用高能球磨机对单质金属粉末或混合后的粉末进行高能球磨，得到小粒度的单质金属粉末或预制合金粉末；
步骤3).根据所需要制备的单质金属粉末或合金粉末的粒度要求在粉床选择铺叠对应的层数，通过变光斑激光定点间隔扫描制粉工艺将单质金属粉末或预制合金粉末烧结成激光增材制造用金属粉末；
步骤4).通过筛网过滤，定向选择烧制的粉末；
所述步骤3)激光定点间隔扫描制粉工艺分为两种：一种采用激光连续波，调整激光功率和驻留时间，以低能量密度使粉末层产生球化现象；另一种采用激光脉冲波，调整峰值功率和脉冲宽度，以低脉冲输入能量使粉末层产生球化现象；
所述步骤3)烧结的激光增材制造用粉末粒度为15μm-150μm。
2.根据权利要求1所述的基于激光定点间隔扫描的激光增材制造用金属粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤1)所选取的单质金属粉末的初始粒度小于300目、纯度大于99.9wt.％，通过电子分析天平精确称量。
3.根据权利要求1所述的基于激光定点间隔扫描的激光增材制造用金属粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤2)采用行星式高能球磨机，高能球磨时要先对球磨机进行抽真空并充满氩气作为保护气体，球磨之后粉末粒度平均小于3μm。
4.根据权利要求1所述的基于激光定点间隔扫描的激光增材制造用金属粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤3)铺叠的粉末层厚度与激光光斑直径大小匹配。
5.根据权利要求1所述的基于激光定点间隔扫描的激光增材制造用金属粉末的制备方法，其特征在于：步骤4)制备的激光增材制造用金属粉末筛出后，剩余粉末可回收重复铺叠制粉7-10次。
6.根据权利要求1所述的基于激光定点间隔扫描的激光增材制造用金属粉末的制备方法，其特征在于：激光增材制造包括激光熔覆沉积技术和选区激光熔化技术；用于激光熔覆沉积的粉末粒度在45-105μm之间，用于选区激光熔化的粉末粒度在15-53μm之间。
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