CN107900334A - 一种基于阵列式布粉的激光高通量制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于阵列式布粉的激光高通量制备方法，可以大幅度提高3D打印用材的成分设计效率。采用石墨作为基板材料，充分利用石墨的高熔点以及石墨对激光的反射作用以避免激光扫描过程中由于基板的熔化造成目标材料的污染，然后根据一次拟制备样品的数量在基板上加工若干具有一定边长、深度及壁厚的槽。样品制备时，将不同成分的原材料粉末逐个置入基板上的槽中，然后采用设定的激光工艺参数将槽中不同成分的粉末逐个进行扫描重熔，这样一次可以制备出几十到上百种具有不同组分或不同制备工艺参数的样品。该方法与常规的激光同轴送粉技术相比，可以有效避免粉末在下落接触基板时的飞溅，从而可以更准确地控制合金元素含量。

Description

一种基于阵列式布粉的激光高通量制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种基于阵列式布粉的激光高通量制备方法。
背景技术
激光增材制造技术是近年来快速发展起来的一种先进制造技术，已被用于制备合金材料、复合材料和具备微纳米结构的材料样品。目前报道的采用激光增材制造技术所制备的材料，其成分都是直接采用该材料的标准牌号成分，但是这些标准牌号的成分是基于传统制造工艺如铸造或锻造进行设计的，而针对传统铸锻工艺设计的合金强化元素在采用激光增材技术制造时由于制备方法的改变导致合金元素作用难以充分发挥，甚至降低材料性能的问题，如采用激光增材制造技术制备Al-Si时由于Si很难在Al中均匀分散，导致其力学性能远低于常规的铸造水平性能。因此，基于激光增材制造技术的工艺特点，如何在现有合金牌号的基础上重新进行成分设计和优化，以充分发挥增材制造的技术优势，使得最终所制备材料的性能达到甚至超过传统工艺的性能水平已成为材料研究者必须解决的问题。
相较于传统“一次一个”的材料制备方法，材料的高通量制备方法将传统材料研究中的顺序迭代方法改为并行处理，在短时间实现大量样品的高通量制备。目前高通量组合实验方法已在较大范围内被材料科技工业领域所接受，广泛应用于金属、陶瓷、无机化合物、高分子等材料的研发与产业化，适用的形态也从最初的薄膜形态扩展至液体、胶体、块体、粉体等多种形态，并取得一系列商业上的成功。因此，如何将高通量的制备方法用于激光增材制造用材的成分设计优化中，以缩短其研发周期成为目前激光增材制造技术快速获得广泛应用的关键。
发明内容
本发明的目的是将高通量的制备方法用于激光增材制造用材的成分设计优化中，以缩短其研发周期。
一种基于阵列式布粉的激光高通量制备方法，其特征在于采用石墨作为基板材料，充分利用石墨的高熔点以及石墨对激光的反射作用以避免激光扫描过程中由于基板的熔化造成目标材料的污染，并通过机加工的办法在其上加工若干规则排列的正方形槽；样品制备时，将基于高通量计算所获得的不同成分的混合粉末逐个置入槽中，并填平，再采用设定的激光工艺参数将槽中不同成分的粉末逐个扫描重熔，这样能可以制备出几十到上百种具有不同组分或不同制备工艺参数的样品。
加工的方形槽尺寸为内部净长度10mm，深度4mm，槽与槽之间壁厚2mm；基板的尺寸可以根据拟需要槽的数量也就是一次性制备样品的数量进行设计，如一次拟打印100组成分的样品，则需要方形槽的数量为100个，如果100个槽在基板上按正方形进行排布则相应的基板的最小尺寸为122mm(长)×122mm(宽)×6mm(厚)。然后将基于高通量计算所获得的不同成分的混合粉末置入槽中，并填平，再将基板置于激光器中采用设计的激光工艺参数(激光功率和扫描速度等)将槽中不同成分的粉末逐个进行扫描重熔，然后利用显微硬度测量或扫描电镜、光学显微镜等方法对不同成分的熔化样品进行性能和组织分析，以确定最佳的合金组分。重熔时所采用的激光器应为CO2激光器。
本发明的优点在于，(1)采用石墨作为基板材料，其对CO2激光器产生的激光具有反射作用，因此可以避免激光在基板上连续移动扫描时基板的熔化，从而避免对槽中合金的污染；(2)采用将粉末预置到槽中再进行扫描的方法可以精确控制合金的成分，提高其成分精度，避免目前同轴送粉技术存在的合金粉末下落过程中碰到基板时易飞溅造成合金成分很难准确控制的技术问题；(3)可以通过激光在基板上的连续扫描，一次实验可根据需要制备出几十到上百组不同成分或不同工艺参数的样品，大大缩短了样品的制备周期，提高了样品制备效率。
附图说明
图1为本发明的基板尺寸图。
具体实施方式
(1)基于阵列式布粉的激光高通量制备方法一次制备100组Al-Si-Mg系合金样品
首先选用带有至少100个槽的石墨基板，槽的尺寸为内部净长度10mm，深度4mm，壁厚2mm，然后将设计的100组成分的Al-Si-Mg合金粉末填入槽中，再将布粉的基板置入激光器中进行激光扫描，激光功率1500W，扫描速度750mm/min，激光斑直径1.2mm，采用氩气氛保护，激光头从基板的一个角开始采用S形扫描轨迹进行逐步扫描，直到所有槽中的粉全部扫描完毕，然后将扫描后的100个样品进行逐个标记并取出，用于组织对比分析和显微硬度测试。
(2)基于阵列式布粉的激光高通量制备方法一次熔化50组按不同比例配比的17-4PH不锈钢与TiB2混合粉末
首先选用带有至少50个槽的石墨基板，槽的尺寸为内部净长度10mm，深度4mm，壁厚2mm，然后将设计的50组不同配比的17-4PH不锈钢与TiB2混合粉末填入槽中，再将布粉的基板置入激光器中进行激光扫描，激光功率750W，扫描速度600mm/min，激光斑直径1.2mm，采用氩气氛保护，激光头从基板的一个角开始采用S形扫描轨迹进行逐步扫描，直到所有槽中的粉全部扫描完毕，然后将扫描后的50个样品进行逐个标记并取出，用于组织对比分析和显微硬度测试。
(3)基于阵列式布粉的激光高通量制备方法一次实验制备出100组具有不同工艺参数和不同成分的Al-Si-Mg合金样品
首先选用带有至少50个槽的石墨基板，其布置方式为5排，每排10个槽，槽的尺寸为内部净长度10mm，深度4mm，壁厚2mm，然后将第一排从一侧开始布粉，第1个槽到第10个槽填充10种不同成分的Al-Si-Mg合金粉末，其他9排与第一排的布粉方式相同，即保证每一排相似位置槽中粉末的成分相同，然后将布粉的基板置入激光器中进行激光扫描，扫描速度固定为600mm/min，激光斑直径固定为1.2mm，全部采用氩气氛保护，第一排激光功率为1100W，第二排功率为1130W，第三排为1150W，第四排为1170W，第五排为1190W，第六排为1210W，第七排为1230W，第八排为1250W，第九排为1270W，第十排为1290W。这样采用上述参数可以一次实验制备出10种成分、10种工艺参数总共100组样品。

Claims (3)

1.一种基于阵列式布粉的激光高通量制备方法，其特征在于采用石墨作为基板材料，充分利用石墨的高熔点以及石墨对激光的反射作用以避免激光扫描过程中由于基板的熔化造成目标材料的污染，并通过机加工的办法在其上加工若干规则排列的正方形槽；样品制备时，将基于高通量计算所获得的不同成分的混合粉末逐个置入槽中，并填平，再采用设定的激光工艺参数将槽中不同成分的粉末逐个扫描重熔，这样能可以制备出几十到上百种具有不同组分或不同制备工艺参数的样品。
2.根据权利要求1所述一种基于阵列式布粉的激光高通量制备方法，其特征在于加工的方形槽尺寸为内部净长度10mm，深度4mm，槽与槽之间壁厚2mm；基板的尺寸根据拟需要槽的数量也就是一次性制备样品的数量进行设计。
3.根据权利要求1所述一种基于阵列式布粉的激光高通量制备方法，其特征在于激光发射采用CO2激光器。
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