CN107952961A - 一种基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光增材制造技术领域，具体涉及一种基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法，在采用激光3D打印技术，以具有奥氏体‑马氏体相变转换的Fe基复合粉末为3D打印专用粉末，按照激光3D打印工艺数据库中预存的待加工工件的几何模型分层离散设计的二维切片信息逐层打印时，均对打印获得的每一层实际二维截面进行尺寸精度管控：直到该层的成形精度满足要求，随后进行下一层的加工。本发明可实现复杂薄壁铁基零件的超高精度成形，同时改善复杂薄壁铁基产品性能，提高产品合格率。

Description

一种基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法
技术领域
本发明属于激光增材制造技术领域，涉及激光加工成形的精度控制，具体涉及一种基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法。
背景技术
激光增材制造技术是一种基于材料逐层叠加成形的激光快速制造技术。近几年来基于激光成形设备的快速进步(表现为先进光纤激光器激光聚焦光斑的细化、铺粉精度的提高等)，激光增材制造技术的应用已不仅仅局限于复杂结构件的直接成形，其在精密薄壁多孔材料、生物材料及特殊功能材料的直接制造的应用正日趋受到关注。
铁基材料(主要是钢)是激光增材制造研究最早的材料体系，也被认为是最适合激光加工的材料体系之一(铁基合金粉末具有较高的激光吸收率同时钢熔体的润湿性较好)，因此铁基合金激光加工产品在工业上得到广泛的应用。然而，由于激光加工过程中熔池的快速冷却(冷却速度可达107K/s)，大多数钢铁材料会发生马氏体相变。马氏体相变是一种无扩散型相变，过饱和的碳原子使晶格发生畸变从而产生尺寸效应，这使得激光加工成形的铁基精密薄壁二维切片的尺寸难以控制。同时，激光加工薄壁二维切片时极易产生“球化”效应，从而增加了精密薄壁二维切片的加工难度。对于大型激光成形结构件，可对成形件进行后续的切削加工使得其满足尺寸精度要求。然而对于具有特殊功能的精密薄壁多孔材料，其壁厚一般为1～3mm，无法进行后续的加工及后处理，这是因为抛光或者喷丸等后处理可能会破坏多孔结构的精细特征，如支柱断裂等。功能多孔材料的壁厚往往是最重要的几何参数。例如具有负泊松比的多孔材料，其壁厚是影响泊松比的重要参数，若无法保证壁厚的加工精度，则无法实现负泊松比材料在工程上的广泛应用。
大量研究表明激光加工铁基合金成形件内的马氏体/残余奥氏体比例取决于激光工艺参数及合金元素种类和含量。因此，通过激光加工工艺控制、原始粉末化学成分控制对成形件内马氏体/残余奥氏体比例进行有效调控，可实现成形尺寸精度的精确控制。同时，马氏体具有较高的强度、硬度而残余奥氏体具有较好的塑韧性，这使得含有两种相的铁基激光成形构件的综合力学性能得到显著提升。如何通过控制相变以获得尺寸精度高、力学性能优良的铁基材料已成为当前激光增材制造科研界与工业界的核心课题。
现有的激光增材制造技术加工出的精密薄壁多孔材料、生物材料及特殊功能材料的尺寸精度很难满足其应用要求，且目前尚无有效控制精密薄壁多孔材料、生物材料及特殊功能材料尺寸误差的方法。
发明内容
为解决现激光增材制造技术加工精密薄壁多孔材料、生物材料及特殊功能材料尺寸误差大的问题，提供一种基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法。
为实现上述目的，本发明采取具体的技术方案为：
一种基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法，在采用激光3D打印技术，以具有奥氏体-马氏体相变转换的Fe基复合粉末为3D打印专用粉末，按照激光3D打印工艺数据库中预存的待加工工件的几何模型分层离散设计的二维切片信息逐层打印时，均对打印获得的每一层实际二维截面进行尺寸精度管控：
若实际二维截面的外形轮廓尺寸与对应的设计二维切片的尺寸信息相比，满足预设尺寸精度要求时，则进行下一层设计的二维切片的打印；
若实际的二维截面的外形轮廓尺寸与对应的设计二维切片的尺寸信息相比，不满足预设尺寸精度要求时，则采用相变尺寸效应技术，促使实际的二维截面在以诱导激光工艺参数运行的激光打印系统的再次扫描打印下，完成诱导相变激光打印；
诱导相变激光打印能够促使实际的二维截面发生相变尺寸效应，产生诱导相变，直至实际的二维截面经诱导相变后的外形轮廓尺寸与对应的设计二维切片的尺寸信息相比，满足预设尺寸精度要求；其中，i为待加工工件的几何模型分层离散的设计的二维切片的数量，取值为1,2,3……n。
作为本发明改进的技术方案，实际的二维截面的外形轮廓尺寸通过CCD高速摄像机拍摄获取；诱导激光工艺参数根据实际的二维截面的外形轮廓尺寸与对应的设计二维切片的尺寸信息相比后，得到的尺寸误差大小来确定。
作为本发明改进的技术方案，所述Fe基复合粉末包括Fe基合金和奥氏体-马氏体转变控制剂；Fe基合金的平均粒度为20μm，包括合金元素Ni、Mn、Cr，各合金元素的质量百分比依次为3.8％～4.2％、1.6％～2.2％、1.0％～1.4％；奥氏体-马氏体转变控制剂为WC陶瓷颗粒，质量分数为20～25％，平均粒度为5μm；余量为Fe。
作为本发明改进的技术方案，所述WC陶瓷颗粒作为奥氏体-马氏体转变控制剂加入到Fe基合金中，通过球磨的方式制成Fe基复合粉末；球磨工艺参数是：球料比4：1，转速200～300rpm，球磨时间3～5h。
作为本发明改进的技术方案，激光3D打印工艺数据库中，打印设计的二维切片时，需要控制激光的激光线能量密度η介于200.0J/m至250.0J/m之间，扫描间距为60μm，铺粉厚度为30μm；其中，激光线能量密度η为激光功率与扫描速度之比。
作为本发明改进的技术方案，实际的二维截面的外形轮廓尺寸与对应的设计二维切片的尺寸信息相比后：
若实际的二维截面的外形轮廓尺寸大于对应的设计二维切片的尺寸信息时，在设定诱导激光工艺参数中，采用大于打印实际的二维截面时的激光能量密度，即激光扫描速度保持不变，激光功率大于打印实际的二维截面时的激光功率，以对实际的二维截面中进行尺寸缩小的诱导相变，具体诱导过程为：促进实际的二维截面中WC陶瓷颗粒的溶解以及W原子的固溶，降低马氏体临界开始转变温度，从而抑制诱导相变处理的二维截面中过冷奥氏体向马氏体转变，进而控制尺寸膨胀，使得经诱导相变后的实际的二维截面的外形轮廓尺寸能够与设计二维切片的尺寸信息靠近，实现两者的尺寸误差满足预设的精度要求；
若实际的二维截面的外形轮廓尺寸小于对应的设计二维切片的尺寸信息时，在设定诱导激光工艺参数中，采用低于打印实际的二维截面时的激光能量密度，即激光功率保持不变，激光扫描速度大于打印实际的二维截面时的激光扫描速度，调控激光3D打印非平衡凝固过程，以对实际的二维截面中进行尺寸缩小的诱导相变；具体诱导过程为：控制诱导激光扫描速度大于打印实际的二维截面时的激光扫描速度，诱导激光扫描二维截面形成熔池，该熔池的冷却速度相对于打印实际二维截面时的熔池具有较高的冷却速度，实现提升过冷奥氏体冷却速度，从而促进诱导相变处理的二维截面中过冷奥氏体向马氏体转变，进而促进尺寸膨胀，使得经诱导相变后的实际的二维截面的外形轮廓尺寸能够与设计的二维切片的尺寸信息靠近，实现两者的尺寸误差满足预设的精度要求。
作为本发明改进的技术方案，诱导激光工艺参数的变化范围为：激光功率为300～450W；扫描间距为60μm；激光扫描速度为1200～4000mm/s；
且在设定诱导激光工艺参数过程中，若实际的二维截面的外形轮廓尺寸大于对应的设计的二维切片的尺寸信息时，通过采用上述激光功率范围中靠近450W的较大激光功率速度来提高激光能量密度；若实际的二维截面的外形轮廓尺寸小于对应的设计的二维切片的尺寸信息时，通过采用上述激光扫描速度范围中靠近4000mm/s的较大激光扫描速度来提高熔池冷却速度。
作为本发明改进的技术方案，采用CCD高速摄像机拍摄获取的实际的二维截面的外形轮廓尺寸图像信息，需要进行如下处理：先在Sobel算子的基础上去掉局部非极大值点获得象素级边缘，随后在梯度方向上进行高斯曲线拟合插值。
一种基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法，具体包括以下步骤：
(1)3D打印二维截面
首先，建立待加工工件的几何模型，将几何模型分层离散形成若干层设计的二维切片获取每层设计的二维切片对应的几何轮廓信息；
然后，根据设计的二维切片对应的几何轮廓信息，利用激光打印系统输出的激光选择性扫描3D打印Fe基复合粉末，获得与前述设计二维切片对应的实际二维截面
其中，i为待加工工件的几何模型分层离散的设计的二维切片的数量，取值为1,2,3……n；
(2)获取二维截面图像信息
采用CCD高速摄像机获取实际二维截面的几何轮廓信息，并将CCD高速摄像机所采集到的图像信息输送给图像处理系统，以进行图像信息边缘处理，进而提高CCD高速摄像机所采集到的图像信息边缘定位的精度；
(3)判断二维截面的打印精度
将步骤(2)得到的实际二维截面的几何轮廓信息与对应的设计二维切片的几何轮廓信息进行比较：
若实际二维截面的外形轮廓尺寸与对应的设计二维切片的尺寸信息相比，满足预设尺寸精度要求时，则进行下一层设计二维切片的打印；
若实际的二维截面的外形轮廓尺寸与对应的设计二维切片的尺寸信息相比，不满足预设尺寸精度要求时，则进行步骤(4)；
(4)诱导相变激光打印
将实际的二维截面在以诱导激光工艺参数运行的激光打印系统的再次扫描打印下，完成诱导相变激光打印工艺；
诱导相变激光打印工艺，基于相变尺寸效应技术建立，能够促使实际的二维截面发生相变尺寸效应，产生诱导相变，使得实际的二维截面经诱导相变后的外形轮廓尺寸能够与对应的设计二维切片的尺寸信息靠近；
诱导激光工艺参数，根据实际的二维截面与设计二维切片的尺寸误差大小来设定；
(5)重复步骤(2)～(3)，直到该层的成形精度满足要求，随后进行下一层的加工。
作为本发明改进的技术方案，所述Fe基复合粉末包括Fe基合金以及作为奥氏体-马氏体转变控制剂使用的WC陶瓷颗粒。
有益效果
(1)本发明结合图像处理系统、激光3D打印精密成形系统及激光重熔系统，实现精密薄壁零件激光成形尺寸精度的自动控制，显著提升了激光3D打印成形件成形精度以满足精密薄壁多孔材料、生物材料及特殊功能材料构件高尺寸精度要求，同时避免了后续繁琐的机械精加工，大大节约了3D打印成形件后处理所需的大量人力物力。
(2)本发明结合Fe基合金相变控制及激光后沟边处理，可显著降低成形构件的“边缘球化效应”，从而使得成形构件具有较高的表面光洁度。
(3)本发明通过控制铁基合金粉末的成分及含量，同时控制激光3D打印的参数，使得Fe基合金获得马氏体-奥氏体双相组织，从而提升成形构件的强度、硬度及塑韧性，进而提高精密薄壁材料激光加工可成形性。
(4)本发明可获得WC陶瓷颗粒弥散分布的Fe基复合材料。激光加工过程中冷却速度极大，导致成形构件内部产生显著内应力，从而导致成形件变形及开裂。WC增强相的存在可有效抑制裂纹的扩展，从而降低激光加工产品报废率。
附图说明
图1为本发明一种基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法流程图。
图2为本发明一种基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法原理图。
图3为本发明一种基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度具体实施方案一成形件的XRD图谱。
图4为本发明一种基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度具体实施方案二成形件的XRD图谱。
图5为本发明一种基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度具体实施方案一、二成形件照片及对应尺寸精度。
图6为本发明一种基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度具体实施方案一成形件的显微组织照片。
图7为本发明一种基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度具体实施方案二成形件的显微组织照片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，一种基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法，包括如下步骤：
(1)3D打印二维截面
首先，建立待加工工件的几何模型，将几何模型分层离散形成若干层设计的二维切片获取每层设计的二维切片对应的几何轮廓信息；
然后，根据设计的二维切片对应的几何轮廓信息，利用激光打印系统输出的激光选择性扫描3D打印Fe基复合粉末，获得与前述设计二维切片对应的实际二维截面打印设计的二维切片时，需要控制激光的激光线能量密度η介于200.0J/m至250.0J/m之间，扫描间距为60μm，铺粉厚度为30μm；其中，激光线能量密度η为激光功率与扫描速度之比。
所述Fe基复合粉末包括Fe基合金和奥氏体-马氏体转变控制剂；Fe基合金的平均粒度为20μm，包括合金元素Ni、Mn、Cr，各合金元素的质量百分比依次为4.2％、2.2％、1.4％；奥氏体-马氏体转变控制剂为WC陶瓷颗粒，质量分数为20％，平均粒度为5μm。
制备Fe基复合粉末时，WC陶瓷颗粒作为奥氏体-马氏体转变控制剂加入到Fe基合金中，通过球磨的方式制成Fe基复合粉末；球磨工艺参数是：球料比4：1，转速200-300rpm，球磨时间3-5h；优选的球料比4：1，转速200rpm，球磨时间3h。
其中，i为待加工工件的几何模型分层离散的设计的二维切片的数量，取值为1,2,3……n。
(2)获取二维截面图像信息
采用CCD高速摄像机获取实际二维截面的几何轮廓信息，并将CCD高速摄像机所采集到的图像信息输送给图像处理系统，以进行图像信息边缘处理，进而提高CCD高速摄像机所采集到的图像信息边缘定位的精度：具体的为：先在Sobel算子的基础上去掉局部非极大值点获得象素级边缘，随后在梯度方向上进行高斯曲线拟合插值。
(3)判断二维截面的打印精度
将步骤(2)得到的实际二维截面的几何轮廓信息与对应的设计二维切片的几何轮廓信息进行比较：
若实际二维截面的外形轮廓尺寸与对应的设计二维切片的尺寸信息相比，满足预设尺寸精度要求时，则进行下一层设计二维切片的打印；
若实际的二维截面的外形轮廓尺寸与对应的设计二维切片的尺寸信息相比，不满足预设尺寸精度要求时，则进行步骤(4)；
(4)诱导相变激光打印
将实际的二维截面在以诱导激光工艺参数运行的激光打印系统的再次扫描打印下，完成诱导相变激光打印工艺；
诱导相变激光打印工艺，基于相变尺寸效应技术建立，能够促使实际的二维截面发生相变尺寸效应，产生诱导相变，使得实际的二维截面经诱导相变后的外形轮廓尺寸能够与对应的设计二维切片的尺寸信息靠近；
诱导激光工艺参数，根据实际的二维截面与设计二维切片的尺寸误差大小来设定。
所述诱导激光工艺参数的设定方法为：
若实际的二维截面的外形轮廓尺寸大于对应的设计二维切片的尺寸信息时，则在设定诱导激光工艺参数中，采用大于打印实际的二维截面时的激光能量密度，即激光扫描速度保持不变，激光功率大于打印实际的二维截面时的激光功率，以对实际的二维截面中进行尺寸缩小的诱导相变；具体诱导过程为：促进实际的二维截面中WC陶瓷颗粒的溶解以及W原子的固溶，降低马氏体临界开始转变温度，从而抑制实际的二维截面中过冷奥氏体向马氏体转变，进而控制尺寸膨胀，使得经诱导相变后的实际的二维截面的外形轮廓尺寸能够与设计二维切片的尺寸信息靠近，实现两者的尺寸误差满足预设的精度要求；
若实际的二维截面的外形轮廓尺寸小于对应的设计二维切片的尺寸信息时，则在设定诱导激光工艺参数中，采用低于打印实际的二维截面时的激光能量密度，即激光功率保持不变，激光扫描速度大于打印实际的二维截面时的激光扫描速度，以对实际的二维截面中进行尺寸缩小的诱导相变；具体诱导过程为：控制诱导激光扫描速度大于打印实际的二维截面时的激光扫描速度，诱导激光扫描二维截面形成快速湮灭的熔池，熔池的冷却速度相对于打印实际的二维截面时的熔池具有较高的冷却速度，实现大幅度提升过冷奥氏体冷却速度，从而促进诱导相变处理的二维截面中过冷奥氏体向马氏体转变，进而促进尺寸膨胀，使得经诱导相变后的实际的二维截面的外形轮廓尺寸能够与设计的二维切片的尺寸信息靠近，实现两者的尺寸误差满足预设的精度要求。
具体地，诱导激光工艺参数的变化范围为：激光功率为300～450W；扫描间距为60μm；激光扫描速度为1200～4000mm/s；
在设定诱导激光工艺参数过程中，若实际的二维截面的外形轮廓尺寸大于对应的设计的二维切片的尺寸信息时，通过采用上述激光功率范围中靠近450W的较大激光功率速度来提高激光能量密度；若实际的二维截面的外形轮廓尺寸小于对应的设计的二维切片的尺寸信息时，通过采用上述激光扫描速度范围中靠近4000mm/s的较大激光扫描速度来提高熔池冷却速度。
(5)重复步骤(2)～(3)，直到该层的成形精度满足要求，随后进行下一层的加工。
实施例一
步骤一、利用本发明实现复杂点阵结构精密激光3D打印，根据由几何模型分层离散形成的二维切片几何轮廓信息，激光选择性扫描3D打印专用Fe基复合粉末(铁基复合粉末)，获得该零件的一个实际的二维截面；
激光工艺参数为：激光功率为300W；激光扫描速度为1200mm/s；扫描间距为60μm；
步骤二、CCD高速摄像机获取该层(二维切片)的几何信息，并将信息输送给图像处理系统进行处理；图像处理系统设于计算机中；
步骤三、计算机采集被测零件的图像信息，判断零件的尺寸精度未达到要求：尺寸超过设计尺寸，且尺寸误差为+0.8％(误差超过0.2％)。
步骤四、因实际尺寸超过设计尺寸，且尺寸误差较大为+0.8％，计算机将尺寸误差值导入数据库系统，自动获得对应的诱导激光功率参数值并将该值导入激光重熔系统，随后以得到较大的激光能量密度进行诱导激光重熔，促进WC陶瓷颗粒的溶解以及W原子的固溶，降低马氏体临界开始转变温度，从而抑制过冷奥氏体向马氏体转变，进而控制尺寸膨胀，提高尺寸精度。根据该层尺寸误差的大小，计算机从工艺数据库中找到对应的诱导激光工艺参数为：激光功率410W，扫描速度1200mm/s，扫描间距60μm。
步骤五、激光加工成形系统根据相应的诱导激光工艺参数再次扫描成形层诱导相变产生尺寸效应，随后重复步骤二至步骤三，直到该层的成形精度满足要求，随后进行下一层的加工。
图3为本实施例激光成形构件经相变诱导作用后的XRD图谱，从图3可看出成形件内含有大量的奥氏体组织，马氏体含量很少，从而使得成形件发生收缩，进而提高尺寸精度。
实施例二
本实施方式采用本发明实现薄壁蜂窝结构的激光3D打印精密成形，与具体实施例一不同的是步骤三中计算机采集被测零件的图像信息，判断零件的尺寸精度未达到要求：实际尺寸未达到设计尺寸，且尺寸误差为-0.7％。
因实际尺寸未达到设计尺寸，且尺寸误差较大为-0.7％，则采用较大的激光扫描速度，在不促进WC陶瓷颗粒溶解以及W原子的固溶的条件下，增大熔池冷却速度，促进过冷奥氏体向马氏体转变，进而促进尺寸膨胀，提高尺寸精度。根据该层尺寸误差的大小，计算机从工艺数据库中找到对应的诱导激光工艺参数为：激光功率300W，扫描速度3200mm/s，扫描间距60μm。其他与具体实施方式一相同。
图4为本实施例激光成形构件经相变诱导作用后的XRD图谱，从图4可看出成形件内含有大量的马氏体组织，奥氏体含量很少，从而使得成形件发生膨胀，进而提高尺寸精度。
图5给出了本发明一种基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法具体实施方案一、二获得的高精度激光成形构件与未经尺寸调控的激光成形件照片及尺寸精度对比。
实施例三
步骤一、利用本发明实现复杂点阵结构精密激光3D打印，根据由几何模型分层离散形成的二维切片几何轮廓信息，激光选择性扫描3D打印专用Fe基复合粉末(铁基复合粉末)，获得该零件的一个实际的二维截面；
激光工艺参数为：激光功率为300W；激光扫描速度为1500mm/s；扫描间距为60μm；
步骤二、CCD高速摄像机获取该层(二维切片)的几何信息，并将信息输送给图像处理系统进行处理；图像处理系统设于计算机中；
步骤三、计算机采集被测零件的图像信息，判断零件的尺寸精度满足要求：尺寸误差为+0.1％，尺寸未超过设计尺寸(误差不超过0.2％)。
步骤四、进行下一层的加工。
原理分析
图6与图7为不同η下SLM成形WC/Fe复合材料试样横截面显微组织和增强颗粒及其界面特征SEM照片。可以观察到，基体主要由枝晶和枝晶间的共晶碳化物相组成，根据XRD测试(图3与图4)，共晶碳化物为M6C(M＝Fe,W)。虽然WC熔点很高(2870℃)，远远超过SLM加工过程的最高温度，但WC的吉布斯自由能非常低(38.5KJ/mol)，以至于在SLM过程中WC陶瓷颗粒表层很容易发生溶解，而且，WC陶瓷颗粒的尺寸越小，曲率半径越小，其溶解程度就越大。因此，尺寸较大的WC陶瓷颗粒表面发生溶解，而尺寸较小的WC陶瓷颗粒则完全溶解，使得熔体中产生大量的W原子和C原子，在熔池中形成Fe-W-C熔体，在随后的凝固过程中，W和C原子会对奥氏体组织相变产生显著影响。同时，激光加工熔池的冷却速度极大(105-107K/s)，这往往导致奥氏体组织发生无扩散型相变从而转变为马氏体组织。因此，可以通过调控合金元素作用机制以及SLM熔池内部热动力学过程来控制控制γ-Fe、α-Fe两相的比例关系以实现尺寸精度的调控。利用高能量激光束再次扫描成形构件表面，熔池的冷却速度ΔT/Δt与激光扫描速度v的关系可表示为：
其中C是与粉末材料有关的常数，E为单位时间内激光能量输入大小，h为铺粉厚度。由上式可知通过调控激光扫描速度v可控制熔池的冷却过程。同时，由于激光热源的影响，未熔化的部分与基体发生原子扩散，形成一定厚度的界面层(图7)，扩散反应如下：
WC→WC1-x+C 式二
其中WC为碳-钨原子比为1：1的碳-钨化合物，WC1-x为碳-钨原子比不确定的碳-钨化合物，C为碳原子。扩散的C原子进入基体原子的晶格点阵中作为间隙原子存在，其对奥氏体-马氏体转变的影响较为显著。当诱导激光功率较大时，此时较大的η使得未完全熔化的小尺寸WC陶瓷颗粒以及大尺寸WC陶瓷颗粒表面发生部分熔化，从而增加熔体中W、C原子的含量。这种过饱和的状态因为熔池的快速冷却而保留下来，从而对SLM成形件的室温组织产生影响。马氏体开始转变温度Ms一般与冷却速度及合金元素含量有关：
其中Ms0为45钢材料原始马氏体开始转变温度，Cv为冷却速度对Ms的影响系数(45钢为0.01)，CCr为Cr元素对Ms的影响系数(45钢为-35℃/1％)，CNi为Ni元素对Ms的影响系数(45钢为-26℃/1％)，CC为C元素对Ms的影响系数(45钢为-240℃/1％)，CW为W元素对Ms的影响系数(45钢为-5℃/1％)，CMn为Mn元素对Ms的影响系数(45钢为-45℃/1％)。较高的η导致较小的ΔT/Δt，同时造成基体中W和C元素含量的增加，从而导致较低的Ms(式三)，进而抑制马氏体转变。当扫描速度v较大时，此时的较低的η不足以使得WC表面或小的WC陶瓷颗粒发生熔化，即对熔体中W、C原子含量影响可忽略不计，然而此时熔池具有较大的冷却速度，增大了过冷奥氏体的冷却速度，导致过冷奥氏体向马氏体转变的量增加，从而增加SLM成形件内马氏体组织比例。马氏体组织转变通常会带来微观的体积膨胀，造成尺寸效应。综上，该发明调控尺寸精度的机制为：若实际尺寸超过设计尺寸，则利用高功率激光诱导残余奥氏体含量增加，从而实现SLM成形件尺寸的微缩小以满足成形精度；若实际尺寸未达到设计尺寸，则利用高速激光诱导马氏体转变，从而实现SLM成形件尺寸的微膨胀以满足成形精度。
在WC增强颗粒与Fe基体之间生成的梯度界面(图7)提高了材料的综合力学性能。增强颗粒与基体之间的结合处通常是颗粒增强复合材料的薄弱环节，在成形过程或使用过程中，界面处有相当高的倾向形成孔隙或裂纹，导致颗粒与基体结合强度大大降低，从而严重降低了复合材料的力学性能。在增强颗粒与基体之间形成的良好梯度界面可抑制了孔隙和裂纹的形成，从而提高复合材料的塑韧性、疲劳性能以及耐磨损性能。因此，梯度界面的存在是实现本发明的必要条件，且其可有效提升复杂薄壁零件的可成形性，从而提高SLM产品合格率。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法，其特征在于，在采用激光3D打印技术，以具有奥氏体-马氏体相变转换的Fe基复合粉末为3D打印专用粉末，按照激光3D打印工艺数据库中预存的待加工工件的几何模型分层离散设计的二维切片信息逐层打印时，均对打印获得的每一层实际二维截面进行尺寸精度管控：
若实际二维截面的外形轮廓尺寸与对应的设计二维切片的尺寸信息相比，满足预设尺寸精度要求时，则进行下一层设计的二维切片的打印；
若实际的二维截面的外形轮廓尺寸与对应的设计二维切片的尺寸信息相比，不满足预设尺寸精度要求时，则采用相变尺寸效应技术，促使实际的二维截面在以诱导激光工艺参数运行的激光打印系统的再次扫描打印下，完成诱导相变激光打印；
诱导相变激光打印能够促使实际的二维截面发生相变尺寸效应，产生诱导相变，直至实际的二维截面经诱导相变后的外形轮廓尺寸与对应的设计二维切片的尺寸信息相比，满足预设尺寸精度要求；其中，i为待加工工件的几何模型分层离散的设计的二维切片的数量，取值为1,2,3……n。
2.根据权利要求1所述基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法，其特征在于，实际的二维截面的外形轮廓尺寸通过CCD高速摄像机拍摄获取；诱导激光工艺参数根据实际的二维截面的外形轮廓尺寸与对应的设计二维切片的尺寸信息相比后，得到的尺寸误差大小来确定。
3.根据权利要求1或2所述基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法，其特征在于，所述Fe基复合粉末包括Fe基合金和奥氏体-马氏体转变控制剂；Fe基合金的平均粒度为20μm，包括合金元素Ni、Mn、Cr，各合金元素的质量百分比依次为3.8％～4.2％、1.6％～2.2％、1.0％～1.4％；奥氏体-马氏体转变控制剂为WC陶瓷颗粒，质量分数为20～25％，平均粒度为5μm；余量为Fe。
4.根据权利要求3所述基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法，其特征在于，所述WC陶瓷颗粒作为奥氏体-马氏体转变控制剂加入到Fe基合金中，通过球磨的方式制成Fe基复合粉末；球磨工艺参数是：球料比4：1，转速200～300rpm，球磨时间3～5h。
5.根据权利要求3所述基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法，其特征在于，激光3D打印工艺数据库中，打印设计的二维切片时，需要控制激光的激光线能量密度η介于200.0J/m至250.0J/m之间，扫描间距为60μm，铺粉厚度为30μm；其中，激光线能量密度η为激光功率与扫描速度之比。
6.根据权利要求3所述基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法，其特征在于，实际的二维截面的外形轮廓尺寸与对应的设计二维切片的尺寸信息相比后：
若实际的二维截面的外形轮廓尺寸大于对应的设计二维切片的尺寸信息时，在设定诱导激光工艺参数中，采用大于打印实际的二维截面时的激光能量密度，即激光扫描速度保持不变，激光功率大于打印实际的二维截面时的激光功率，以对实际的二维截面中进行尺寸缩小的诱导相变，具体诱导过程为：促进实际的二维截面中WC陶瓷颗粒的溶解以及W原子的固溶，降低马氏体临界开始转变温度，从而抑制诱导相变处理的二维截面中过冷奥氏体向马氏体转变，进而控制尺寸膨胀，使得经诱导相变后的实际的二维截面的外形轮廓尺寸能够与设计二维切片的尺寸信息靠近，实现两者的尺寸误差满足预设的精度要求；
若实际的二维截面的外形轮廓尺寸小于对应的设计二维切片的尺寸信息时，在设定诱导激光工艺参数中，采用低于打印实际的二维截面时的激光能量密度，即激光功率保持不变，激光扫描速度大于打印实际的二维截面时的激光扫描速度，调控激光3D打印非平衡凝固过程，以对实际的二维截面中进行尺寸缩小的诱导相变；具体诱导过程为：具体诱导过程为：控制诱导激光扫描速度大于打印实际的二维截面时的激光扫描速度，诱导激光扫描二维截面形成熔池，该熔池的冷却速度相对于打印实际二维截面时的熔池具有较高的冷却速度，实现提升过冷奥氏体冷却速度，从而促进诱导相变处理的二维截面中过冷奥氏体向马氏体转变，进而促进尺寸膨胀，使得经诱导相变后的实际的二维截面的外形轮廓尺寸能够与设计的二维切片的尺寸信息靠近，实现两者的尺寸误差满足预设的精度要求。
7.根据权利要求6所述基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法，其特征在于，诱导激光工艺参数的变化范围为：激光功率为300～450W；扫描间距为60μm；激光扫描速度为1200～4000mm/s；
且在设定诱导激光工艺参数过程中，若实际的二维截面的外形轮廓尺寸大于对应的设计的二维切片的尺寸信息时，通过采用上述激光功率范围中靠近450W的较大激光功率速度来提高激光能量密度；若实际的二维截面的外形轮廓尺寸小于对应的设计的二维切片的尺寸信息时，通过采用上述激光扫描速度范围中靠近4000mm/s的较大激光扫描速度来提高熔池冷却速度。
8.根据权利要求2所述基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法，其特征在于，采用CCD高速摄像机拍摄获取的实际的二维截面的外形轮廓尺寸图像信息，需要进行如下处理：先在Sobel算子的基础上去掉局部非极大值点获得象素级边缘，随后在梯度方向上进行高斯曲线拟合插值。
9.根据权利要求1所述基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)3D打印二维截面
首先，建立待加工工件的几何模型，将几何模型分层离散形成若干层设计的二维切片获取每层设计的二维切片对应的几何轮廓信息；
然后，根据设计的二维切片对应的几何轮廓信息，利用激光打印系统输出的激光选择性扫描3D打印Fe基复合粉末，获得与前述设计二维切片对应的实际二维截面
其中，i为待加工工件的几何模型分层离散的设计的二维切片的数量，取值为1,2,3……n；
(2)获取二维截面图像信息
采用CCD高速摄像机获取实际二维截面的几何轮廓信息，并将CCD高速摄像机所采集到的图像信息输送给图像处理系统，以进行图像信息边缘处理，进而提高CCD高速摄像机所采集到的图像信息边缘定位的精度；
(3)判断二维截面的打印精度
将步骤(2)得到的实际二维截面的几何轮廓信息与对应的设计二维切片的几何轮廓信息进行比较：
若实际二维截面的外形轮廓尺寸与对应的设计二维切片的尺寸信息相比，满足预设尺寸精度要求时，则进行下一层设计二维切片的打印；
若实际的二维截面的外形轮廓尺寸与对应的设计二维切片的尺寸信息相比，不满足预设尺寸精度要求时，则进行步骤(4)；
(4)诱导相变激光打印
将实际的二维截面在以诱导激光工艺参数运行的激光打印系统的再次扫描打印下，完成诱导相变激光打印工艺；
诱导相变激光打印工艺，基于相变尺寸效应技术建立，能够促使实际的二维截面发生相变尺寸效应，产生诱导相变，使得实际的二维截面经诱导相变后的外形轮廓尺寸能够与对应的设计二维切片的尺寸信息靠近；
诱导激光工艺参数，根据实际的二维截面与设计二维切片的尺寸误差大小来设定；
(5)重复步骤(2)～(3)，直到该层的成形精度满足要求，随后进行下一层的加工。
10.根据权利要求9所述基于相变尺寸效应自动调控激光加工成形精度的方法，其特征在于，所述Fe基复合粉末包括Fe基合金以及作为奥氏体-马氏体转变控制剂使用的WC陶瓷颗粒。
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