CN107914014B - 一种纯钨金属零件的电子束选区熔化成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纯钨金属零件的电子束选区熔化成形方法，该方法首先利用软件建立纯钨金属零件的三维模型并进行切片处理，获取切层数据，然后根据该三维模型的切层数据采用电子束对钨粉进行选区熔化成形，得到纯钨金属零件。本发明采用电子束将钨粉熔化成形，提高了热源能量，可保证将高熔点的钨粉完全熔化，避免了钨粉熔化过程中发生球化，并在熔化选区扫描前分别对成形底板和钨粉进行高温预热处理，降低了纯钨金属零件成形过程中的温度梯度，减慢了微熔池的冷却速度，避免了快速冷却导致的钨粉熔滴球化，减少了纯钨金属零件的开裂，极大地改善了纯钨金属零件的成形质量，提高了纯钨金属零件的致密度。

Description

一种纯钨金属零件的电子束选区熔化成形方法
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种纯钨金属零件的电子束选区熔化成形方法。
背景技术
钨作为一种重要的金属材料，具有高熔点、高沸点、高硬度、低膨胀系数、低蒸气压等特点，在航天航空、电子、化工、核工业等领域有着广泛的应用。由于钨有较高的熔点和低温脆性，很难使用常规的铸造和机加工方法将其制备零件。目前，钨零件大多通过粉末冶金法制备而得，该方法得到的钨产品存在密度低、强度小、塑性差、杂质含量难以控制等缺点，应用范围受到很大限制。另外，粉末冶金法难以制备具有曲面、弯曲管道、孔、槽等复杂结构的钨零件，
近年来快速发展起来的金属增材制造技术(又称3D打印技术)利用高能热源熔化金属粉末，通过逐点—逐线—逐层堆积的方法实现三维实体零件的直接制备，具有无模具、近净成形的优点。由于采用微熔池逐层堆积成形，金属粉末的单次熔化量小、凝固速度快，得到的零件组织细小且各向同性，力学性能可达到锻件水平。授权公告号为CN104889392A的发明专利公开了一种纯钨金属的增材制造方法，该方法以激光为能量源对钨粉进行熔化成形，由于激光能量有限，需要用重熔的方式保证钨粉充分熔化，极大影响了成形效率，并且钨粉熔化过程中极易发生球化，导致钨金属零件的致密度受限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种纯钨金属零件的电子束选区熔化成形方法。该方法采用电子束将钨粉熔化成形，提高了热源能量，可保证将高熔点的钨粉完全熔化，并在熔化选区扫描前分别对成形底板和钨粉进行高温预热处理，降低了成形过程中的温度梯度，避免了快速冷却导致的钨粉熔滴球化，改善了纯钨金属零件的成形质量，提高了纯钨金属零件的致密度。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种纯钨金属零件的电子束选区熔化成形方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、利用三维建模软件建立纯钨金属零件的三维模型，然后利用分层软件沿其高度方向对纯钨金属零件的三维模型进行切片处理，得到切层数据，再将所述切层数据导入电子束选区熔化成形设备中；所述切层数据包括各切层截面的轮廓线数据和图形数据；
步骤二、将钨粉装入电子束选区熔化成形设备的粉仓中，然后对电子束选区熔化成形设备的成形腔抽真空至其真空度不大于1×10-2Pa；
步骤三、采用电子束对电子束选区熔化成形设备中的成形底板进行预热；所述成形底板的预热温度为1000℃～1200℃；
步骤四、将步骤二中所述粉仓中的钨粉均匀铺设在预热后的成形底板上，然后采用电子束对钨粉进行预热扫描；所述钨粉的铺设厚度与步骤一中切片处理的每层切片的厚度相同；
步骤五、根据步骤一中导入到电子束选区熔化成形设备中的切层数据，采用电子束对步骤四中预热后的钨粉进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；所述选区熔化扫描的过程为：先根据切层数据中的轮廓线数据进行一次扫描，所述一次扫描的扫描电流为10mA～20mA，电子束偏转速度为1000mm/s～1500mm/s，然后根据图形数据进行二次扫描，所述二次扫描的扫描电流为20mA～40mA，电子束偏转速度为100mm/s～300mm/s，电子束扫描线间距为0.05mm～0.1mm；
步骤六、重复步骤四中的铺粉工艺和钨粉预热工艺以及步骤五中的选区熔化扫描工艺，直至各单层实体片层逐层堆积，形成电子束选区熔化成形件；
步骤七、将步骤六中所述电子束选区熔化成形件在氦气保护下冷却至50℃以下，然后取出，再利用高压气体去除电子束选区熔化成形件上的未熔化粉末，最终得到纯钨金属零件。
上述的一种纯钨金属零件的电子束选区熔化成形方法，步骤一中所述切片处理的每层切片的厚度为30μm～100μm。
上述的一种纯钨金属零件的电子束选区熔化成形方法，步骤二中所述钨粉的形状为球形或近球形，质量纯度不小于99.9％，粉末粒径小于100μm。
上述的一种纯钨金属零件的电子束选区熔化成形方法，步骤四中所述钨粉的预热扫描的扫描线间距为1.0mm～1.5mm，扫描速度为1.0×104mm/s～2.0×104mm/s，扫描电流为30mA～40mA，扫描次数为3～5次。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用电子束将钨粉熔化成形制备纯钨金属零件，提高了热源能量，可保证将高熔点的钨粉完全熔化，避免了钨粉熔化过程中发生球化，并在熔化选区扫描前分别对成形底板和钨粉进行高温预热处理，降低了纯钨金属零件成形过程中的温度梯度，减慢了微熔池的冷却速度，避免了快速冷却导致的钨粉熔滴球化，减少了纯钨金属零件的开裂，极大地改善了纯钨金属零件的成形质量，提高了纯钨金属零件的致密度。
2、本发明在高真空环境下使钨粉熔化成形，有效避免了微熔池表面生成氧化层，增强了钨粉熔滴与堆积底层之间的结合力，降低了钨粉熔滴的表面张力，进一步避免了钨粉熔滴球化现象。
3、本发明可以直接制备出具有特殊形状和尺寸的纯钨金属零件，无需二次机械加工，提高了钨粉的利用率，降低了材料成本。
下面通过附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例1得到的纯钨金属零件的照片。
图2是本发明实施例1得到的纯钨金属零件的显微组织图。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、利用Pro/Engineer软件建立尺寸为10mm×10mm×10mm纯钨金属零件的三维模型，然后利用Build Assembler软件沿其高度方向对纯钨金属零件的三维模型进行切片处理，得到切层数据，再将所述切层数据导入电子束选区熔化成形设备中；所述切层数据包括各切层截面的轮廓线数据和图形数据；所述切片处理的每层切片的厚度为30μm；
步骤二、将钨粉装入电子束选区熔化成形设备的粉仓中，然后对电子束选区熔化成形设备的成形腔抽真空至其真空度为0.5×10-2Pa；所述钨粉的形状为球形，质量纯度为99.95％，粉末粒径小于30μm；
步骤三、采用电子束将电子束选区熔化成形设备中的成形底板预热至1200℃；
步骤四、将步骤二中所述粉仓中的钨粉均匀铺设在预热后的成形底板上，然后采用电子束对钨粉进行预热扫描；所述钨粉的铺设厚度为30μm；所述钨粉的预热扫描的扫描线间距为1.0mm，扫描速度为1.0×104mm/s，扫描电流为40mA，扫描次数为5次；
步骤五、根据步骤一中导入到电子束选区熔化成形设备中的切层数据，采用电子束对步骤四中预热后的钨粉进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；所述选区熔化扫描的过程为：先根据切层数据中的轮廓线数据进行一次扫描，所述一次扫描的扫描电流为20mA，电子束偏转速度为1000mm/s，然后根据图形数据进行二次扫描，所述二次扫描的扫描电流为40mA，电子束偏转速度为100mm/s，电子束扫描线间距为0.05mm；
步骤六、重复步骤四中的铺粉工艺和钨粉预热工艺以及步骤五中的选区熔化扫描工艺，直至各单层实体片层逐层堆积，形成电子束选区熔化成形件；
步骤七、将步骤六中所述电子束选区熔化成形件在氦气保护下冷却至50℃以下，然后取出，再利用高压气体去除电子束选区熔化成形件上的未熔化粉末，最终得到纯钨金属零件。
图1为本实施例得到的纯钨金属零件的照片，从图1可以看出，本实施例得到的纯钨金属零件无明显的裂纹、熔合不良等成形缺陷。
图2为本实施例得到的纯钨金属零件的显微组织图，从图2可以看出，本实施例得到的纯钨金属零件的显微组织为均匀的等轴晶，晶粒尺寸约为100μm。
经检测，本实施例得到的纯钨金属零件尺寸为10mm×10mm×10mm，密度为理论密度的99％。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、利用Pro/Engineer软件建立尺寸为10mm×10mm×10mm纯钨金属零件的三维模型，然后利用Build Assembler软件沿其高度方向对纯钨金属零件的三维模型进行切片处理，得到切层数据，再将所述切层数据导入电子束选区熔化成形设备中；所述切层数据包括各切层截面的轮廓线数据和图形数据；所述切片处理的每层切片的厚度为100μm；
步骤二、将钨粉装入电子束选区熔化成形设备的粉仓中，然后对电子束选区熔化成形设备的成形腔抽真空至其真空度为1×10-2Pa；所述钨粉的形状为近球形，质量纯度为99.9％，粉末粒径小于100μm；
步骤三、采用电子束将电子束选区熔化成形设备中的成形底板预热至1000℃；
步骤四、将步骤二中所述粉仓中的钨粉均匀铺设在预热后的成形底板上，然后采用电子束对钨粉进行预热扫描；所述钨粉的铺设厚度为100μm；所述钨粉的预热扫描的扫描线间距为1.5mm，扫描速度为2.0×104mm/s，扫描电流为30mA，扫描次数为3次；
步骤五、根据步骤一中导入到电子束选区熔化成形设备中的切层数据，采用电子束对步骤四中预热后的钨粉进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；所述选区熔化扫描的过程为：先根据切层数据中的轮廓线数据进行一次扫描，所述一次扫描的扫描电流为10mA，电子束偏转速度为1500mm/s，然后根据图形数据进行二次扫描，所述二次扫描的扫描电流为20mA，电子束偏转速度为300mm/s，电子束扫描线间距为0.1mm；
步骤六、重复步骤四中的铺粉工艺和钨粉预热工艺以及步骤五中的选区熔化扫描工艺，直至各单层实体片层逐层堆积，形成电子束选区熔化成形件；
步骤七、将步骤六中所述电子束选区熔化成形件在氦气保护下冷却至50℃以下，然后取出，再利用高压气体去除电子束选区熔化成形件上的未熔化粉末，最终得到纯钨金属零件。
经检测，本实施例得到的纯钨金属零件尺寸为10mm×10mm×10mm，密度为理论密度的98％。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、利用Pro/Engineer软件建立尺寸为10mm×10mm×10mm纯钨金属零件的三维模型，然后利用Build Assembler软件沿其高度方向对纯钨金属零件的三维模型进行切片处理，得到切层数据，再将所述切层数据导入电子束选区熔化成形设备中；所述切层数据包括各切层截面的轮廓线数据和图形数据；所述切片处理的每层切片的厚度为50μm；
步骤二、将钨粉装入电子束选区熔化成形设备的粉仓中，然后对电子束选区熔化成形设备的成形腔抽真空至其真空度为0.8×10-2Pa；所述钨粉的形状为球形，质量纯度为99.95％，粉末粒径小于50μm；
步骤三、采用电子束对电子束选区熔化成形设备中的成形底板进行预热；所述成形底板的预热温度为1100℃；
步骤四、将步骤二中所述粉仓中的钨粉均匀铺设在预热后的成形底板上，然后采用电子束对钨粉进行预热扫描；所述钨粉的铺设厚度为50μm；所述钨粉的预热扫描的扫描线间距为1.3mm，扫描速度为1.5×104mm/s，扫描电流为35mA，扫描次数为4次；
步骤五、根据步骤一中导入到电子束选区熔化成形设备中的切层数据，采用电子束对步骤四中预热后的钨粉进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；所述选区熔化扫描的过程为：先根据切层数据中的轮廓线数据进行一次扫描，所述一次扫描的扫描电流为15mA，电子束偏转速度为1300mm/s，然后根据图形数据进行二次扫描，所述二次扫描的扫描电流为30mA，电子束偏转速度为200mm/s，电子束扫描线间距为0.08mm；
步骤六、重复步骤四中的铺粉工艺和钨粉预热工艺以及步骤五中的选区熔化扫描工艺，直至各单层实体片层逐层堆积，形成电子束选区熔化成形件；
步骤七、将步骤六中所述电子束选区熔化成形件在氦气保护下冷却至50℃以下，然后取出，再利用高压气体去除电子束选区熔化成形件上的未熔化粉末，最终得到纯钨金属零件。
经检测，本实施例得到的纯钨金属零件尺寸为10mm×10mm×10mm，密度为理论密度的98.5％。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
步骤一、利用Solidworks软件建立尺寸为10mm×10mm×10mm纯钨金属零件的三维模型，然后利用Build Assembler软件沿其高度方向对纯钨金属零件的三维模型进行切片处理，得到切层数据，再将所述切层数据导入电子束选区熔化成形设备中；所述切层数据包括各切层截面的轮廓线数据和图形数据；所述切片处理的每层切片的厚度为70μm；
步骤二、将钨粉装入电子束选区熔化成形设备的粉仓中，然后对电子束选区熔化成形设备的成形腔抽真空至其真空度为0.8×10-2Pa；所述钨粉的形状为球形，质量纯度为99.95％，粉末粒径小于50μm；
步骤三、采用电子束将电子束选区熔化成形设备中的成形底板预热至1150℃；
步骤四、将步骤二中所述粉仓中的钨粉均匀铺设在预热后的成形底板上，然后采用电子束对钨粉进行预热扫描；所述钨粉的铺设厚度为70μm；所述钨粉的预热扫描的扫描线间距为1.2mm，扫描速度为1.2×104mm/s，扫描电流为38mA，扫描次数为4次；
步骤五、根据步骤一中导入到电子束选区熔化成形设备中的切层数据，采用电子束对步骤四中预热后的钨粉进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；所述选区熔化扫描的过程为：先根据切层数据中的轮廓线数据进行一次扫描，所述一次扫描的扫描电流为18mA，电子束偏转速度为1200mm/s，然后根据图形数据进行二次扫描，所述二次扫描的扫描电流为35mA，电子束偏转速度为180mm/s，电子束扫描线间距为0.06mm；
步骤六、重复步骤四中的铺粉工艺和钨粉预热工艺以及步骤五中的选区熔化扫描工艺，直至各单层实体片层逐层堆积，形成电子束选区熔化成形件；
步骤七、将步骤六中所述电子束选区熔化成形件在氦气保护下冷却至50℃以下，然后取出，再利用高压气体去除电子束选区熔化成形件上的未熔化粉末，最终得到纯钨金属零件。
经检测，本实施例得到的纯钨金属零件尺寸为10mm×10mm×10mm，密度为理论密度的98.6％。
实施例5
本实施例包括以下步骤：
步骤一、利用Solidworks软件建立尺寸为10mm×10mm×10mm纯钨金属零件的三维模型，然后利用Build Assembler软件沿其高度方向对纯钨金属零件的三维模型进行切片处理，得到切层数据，再将所述切层数据导入电子束选区熔化成形设备中；所述切层数据包括各切层截面的轮廓线数据和图形数据；所述切片处理的每层切片的厚度为70μm；
步骤二、将钨粉装入电子束选区熔化成形设备的粉仓中，然后对电子束选区熔化成形设备的成形腔抽真空至其真空度为0.8×10-2Pa；所述钨粉的形状为球形，质量纯度为99.95％，粉末粒径小于50μm；
步骤三、采用电子束将电子束选区熔化成形设备中的成形底板预热至1120℃；
步骤四、将步骤二中所述粉仓中的钨粉均匀铺设在预热后的成形底板上，然后采用电子束对钨粉进行预热扫描；所述钨粉的铺设厚度为70μm；所述钨粉的预热扫描的扫描线间距为1.4mm，扫描速度为1.8×104mm/s，扫描电流为34mA，扫描次数为3次；
步骤五、根据步骤一中导入到电子束选区熔化成形设备中的切层数据，采用电子束对步骤四中预热后的钨粉进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；所述选区熔化扫描的过程为：先根据切层数据中的轮廓线数据进行一次扫描，所述一次扫描的扫描电流为10mA，电子束偏转速度为1400mm/s，然后根据图形数据进行二次扫描，所述二次扫描的扫描电流为25mA，电子束偏转速度为220mm/s，电子束扫描线间距为0.09mm；
步骤六、重复步骤四中的铺粉工艺和钨粉预热工艺以及步骤五中的选区熔化扫描工艺，直至各单层实体片层逐层堆积，形成电子束选区熔化成形件；
步骤七、将步骤六中所述电子束选区熔化成形件在氦气保护下冷却至50℃以下，然后取出，再利用高压气体去除电子束选区熔化成形件上的未熔化粉末，最终得到纯钨金属零件。
经检测，本实施例得到的纯钨金属零件尺寸为10mm×10mm×10mm，密度为理论密度的98.4％。
实施例6
本实施例包括以下步骤：
步骤一、利用Solidworks软件建立尺寸为10mm×10mm×10mm纯钨金属零件的三维模型，然后利用Build Assembler软件沿其高度方向对纯钨金属零件的三维模型进行切片处理，得到切层数据，再将所述切层数据导入电子束选区熔化成形设备中；所述切层数据包括各切层截面的轮廓线数据和图形数据；所述切片处理的每层切片的厚度为50μm；
步骤二、将钨粉装入电子束选区熔化成形设备的粉仓中，然后对电子束选区熔化成形设备的成形腔抽真空至其真空度为0.8×10-2Pa；所述钨粉的形状为球形，质量纯度为99.95％，粉末粒径小于50μm；
步骤三、采用电子束将电子束选区熔化成形设备中的成形底板预热至1200℃；
步骤四、将步骤二中所述粉仓中的钨粉均匀铺设在预热后的成形底板上，然后采用电子束对钨粉进行预热扫描；所述钨粉的铺设厚度为100μm；所述钨粉的预热扫描的扫描线间距为1.2mm，扫描速度为1.0×104mm/s，扫描电流为38mA，扫描次数为5次；
步骤五、根据步骤一中导入到电子束选区熔化成形设备中的切层数据，采用电子束对步骤四中预热后的钨粉进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；所述选区熔化扫描的过程为：先根据切层数据中的轮廓线数据进行一次扫描，所述一次扫描的扫描电流为18mA，电子束偏转速度为1000mm/s，然后根据图形数据进行二次扫描，所述二次扫描的扫描电流为38mA，电子束偏转速度为100mm/s，电子束扫描线间距为0.05mm；
步骤六、重复步骤四中的铺粉工艺和钨粉预热工艺以及步骤五中的选区熔化扫描工艺，直至各单层实体片层逐层堆积，形成电子束选区熔化成形件；
步骤七、将步骤六中所述电子束选区熔化成形件在氦气保护下冷却至50℃以下，然后取出，再利用高压气体去除电子束选区熔化成形件上的未熔化粉末，最终得到纯钨金属零件。
经检测，本实施例得到的纯钨金属零件尺寸为10mm×10mm×10mm，密度为理论密度的99％。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种纯钨金属零件的电子束选区熔化成形方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、利用三维建模软件建立纯钨金属零件的三维模型，然后利用分层软件沿其高度方向对纯钨金属零件的三维模型进行切片处理，得到切层数据，再将所述切层数据导入电子束选区熔化成形设备中；所述切层数据包括各切层截面的轮廓线数据和图形数据；
步骤二、将钨粉装入电子束选区熔化成形设备的粉仓中，然后对电子束选区熔化成形设备的成形腔抽真空至其真空度不大于1×10-2Pa；
步骤三、采用电子束对电子束选区熔化成形设备中的成形底板进行预热；所述成形底板的预热温度为1000℃～1200℃；
步骤四、将步骤二中所述粉仓中的钨粉均匀铺设在预热后的成形底板上，然后采用电子束对钨粉进行预热扫描；所述钨粉的铺设厚度与步骤一中切片处理的每层切片的厚度相同；
步骤五、根据步骤一中导入到电子束选区熔化成形设备中的切层数据，采用电子束对步骤四中预热后的钨粉进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；所述选区熔化扫描的过程为：先根据切层数据中的轮廓线数据进行一次扫描，所述一次扫描的扫描电流为10mA～20mA，电子束偏转速度为1000mm/s～1500mm/s，然后根据图形数据进行二次扫描，所述二次扫描的扫描电流为20mA～40mA，电子束偏转速度为100mm/s～300mm/s，电子束扫描线间距为0.05mm～0.1mm；
步骤六、重复步骤四中的铺粉工艺和钨粉预热工艺以及步骤五中的选区熔化扫描工艺，直至各单层实体片层逐层堆积，形成电子束选区熔化成形件；
步骤七、将步骤六中所述电子束选区熔化成形件在氦气保护下冷却至50℃以下，然后取出，再利用高压气体去除电子束选区熔化成形件上的未熔化粉末，最终得到纯钨金属零件。
2.根据权利要求1所述的一种纯钨金属零件的电子束选区熔化成形方法，其特征在于，步骤一中所述切片处理的每层切片的厚度为30μm～100μm。
3.根据权利要求1所述的一种纯钨金属零件的电子束选区熔化成形方法，其特征在于，步骤二中所述钨粉的形状为球形或近球形，质量纯度不小于99.9％，粉末粒径小于100μm。
4.根据权利要求1所述的一种纯钨金属零件的电子束选区熔化成形方法，其特征在于，步骤四中所述钨粉的预热扫描的扫描线间距为1.0mm～1.5mm，扫描速度为1.0×104mm/s～2.0×104mm/s，扫描电流为30mA～40mA，扫描次数为3～5次。
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