CN108115137A - 一种双高能束金属增材制造方法 - Google Patents

一种双高能束金属增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双高能束金属增材制造方法，包括如下步骤：a)确定成形构件三维实体模型及建模；b)成形件的增材制造：将步骤a)中的数模进行切片分层处理，获得各层截面的二维轮廓信息并生成加工路径；将上述信息导入增材制造设备的控制系统，以金属粉末为原料，按照预定的加工路径，进行双高能束的增材制造。本发明制备出的成形零件避免了孔隙、未熔合、裂纹等内部缺陷，成形件与原始设计之间的系统误差小，成形件的尺寸精度较高、残余应力小、表面粗糙度低，成形零件综合质量高，相对于现有技术，具有显著性进步和工业化应用价值。

Description

一种双高能束金属增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种金属增材制造方法，具体说，是涉及一种双高能束金属增材制造方法，属于金属增材制造技术领域。
背景技术
增材制造技术是基于材料离散-逐渐累加的方法制造实体零件的技术，通常以金属粉末或丝材为原料，通过CAD模型预分层处理，采用高功率能量束熔化、堆积和生长，直接从CAD模型一步完成高性能构件的近净成形。增材制造与传统基于铸造-锻压-焊接-热处理-切削加工的减材制造工艺在制备机理和材料的缺陷形成机理方面有着较大的差异。相比于传统的减材和等材制造加工方法，增材制造技术明显简化了零件加工工艺流程，在缩短设计周期和降低成本方面显示出极大的优势。
目前以激光束、电子束为能源的高能束增材制造技术是该技术领域的重要发展方向，该类技术具有快速成型、加工精度较高等优点，在高温合金成形和精密部件制造等领域应用广泛。同时，增材制造技术也为航空航天用高温合金、钛合金关键部件的制造提供了新途径与新思路，但是，增材制造技术成形件目前仍存在孔隙、未熔合、裂纹等内部缺陷。此外，增材制造过程是一个“逐点扫描－逐线搭接－逐层堆积”的过程，无论构件多么复杂，其制造过程也必须由点累积成线、由线累积成面、由面累积成体，在这种快速熔化-凝固过程中，每一层材料的成形都由于极端的非平衡凝固与原始设计产生一定的误差，这种误差在随后的循环中也无法完全释放，并将随着增材制造过程的进行而产生累积和传递，最终导致了不可忽略的系统误差，即构件成型精度与净成型零件有一定差距、残余应力大、以及表面粗糙等问题，这些都严重影响了增材制造技术的应用。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种双高能束金属增材制造方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种双高能束金属增材制造方法，包括如下步骤：
a)确定成形构件三维实体模型及建模：本发明成形件的数模类型为双高束成形的数模类型，其定义为：第一束高能束由连续激光器或电子枪产生，第二束高能束由脉冲激光器产生，且第一束高能束和第二束高能束具有相同的运行轨迹，间隔20～50ms的时间；然后在增材制造设备的控制系统中利用CAD三维软件建立成形件的三维数模；
b)成形件的增材制造：将步骤a)中的数模进行切片分层处理，获得各层截面的二维轮廓信息并生成加工路径；将上述信息导入增材制造设备的控制系统，以金属粉末为原料，按照预定的加工路径，先通过第一束高能束的增材制造成形，获得第一成形片层，随后通过第二束高能束对第一成形片层进行激光表面及其轮廓处理，然后通过第一束高能束在第一成形片层的表面进行增材制造成形，获得第二成形片层，随后再通过第二束高能束对第二成形片层进行激光表面及其轮廓处理，如此循环，逐层堆积，直至得到所需的成形零件。
作为优选方案，步骤b)中，第一束高能束由连续激光器产生时，连续激光器的功率为100～1000W，光斑直径为50～200μm，扫描速度为50～2000mm/s。
作为进一步优选方案，所述的连续激光器为二氧化碳激光器或光纤激光器。
作为优选方案，步骤b)中，第一束高能束由电子枪产生时，电子枪的电子束流为10～50mA，扫描速度为50～2000mm/s，电子束光斑直径为50～200μm。
作为优选方案，步骤b)中，第二束高能束由高频短脉冲激光器产生。
作为进一步优选方案，第二束高能束由纳秒脉冲激光器或飞秒脉冲激光器产生。
作为更进一步优选方案，第二束高能束由纳秒脉冲激光器产生时，纳秒脉冲激光器的脉冲宽度为18～25ns，脉冲能量为12～60J，激光光斑直径为0.5～5mm。
作为更进一步优选方案，第二束高能束由飞秒脉冲激光器产生时，飞秒脉冲激光器的脉冲宽度为20～150fs，脉冲能量为0.5～1mJ。
作为优选方案，步骤b)中，所述的金属粉末选自钛合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末、不锈钢粉末、铝合金粉末、钛基复合材料粉末中的至少一种。
作为进一步优选方案，步骤b)中，所述的金属粉末的粒径为20～50μm，所述金属粉末经100～200℃干燥处理后做原料使用。
作为优选方案，增材制造设备选自SLM(激光选区熔覆)增材制造设备、EBM(电子束熔覆成形)增材制造设备、LENS(激光近净成形)增材制造设备中的任意一种。
与现有技术相比，本发明具有如下显著性有益效果：
1、本发明通过第一束高能束进行增材制造成形，获得成形片层，通过第二束高能束对由第一束高能束形成的成形片层进行激光表面及其轮廓处理，逐层堆积得到所需的成形零件，由于双高能束的作用，使得增材制造过程中未熔合粉末颗粒再次重熔，避免了增材制造过程中孔隙、未熔合、裂纹等缺陷的产生，提高了成形件的质量；
2、本发明增材制造过程中在双高能束作用下每一成形片层的晶粒细化，逐层叠加，改善了最终成形零件的表面形貌，减少了成形件与原始设计之间的系统误差，提高了成形件的尺寸精度，特别是保证成形件微小内孔道等难加工部位的表面光洁度和精度，比如飞机发动机双层壁涡轮叶片的制造等；
3、本发明增材制造过程中，由于第二束高能束由高频短脉冲激光器产生，因此高频短脉冲高能量激光束作用下，使得成形件表面预留残余压应力，提高了成形件硬度与耐热疲劳性能；
4、本发明通过双高能束的辅助耦合作用，增材制造成形过程中可以控制熔池及周边区域的温度梯度、熔池凝固速度等行为，进而可以控制成形材料的凝固组织和微观组织结构，例如，微观组织形态、晶粒尺度等。
综上所述，本发明的双高能束金属增材制造方法，具有操作简单、生产效率高等优点，采用本发明的双高能束金属增材制造方法制备出的成形零件减少了孔隙、未熔合、裂纹等内部缺陷，成形件与原始设计之间的系统误差小，成形件的尺寸精度较高、残余应力小、表面粗糙度低，相对于现有技术，具有显著性进步和工业化应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例1中的成形件的增材制造示意图；
图中标号如下：1-基材；2-熔池；3-高温计；4-第一束高能束；5-第二束高能束；6-物镜；7-熔覆层。
具体实施方式
下面结合具体的实施例和对比例对本发明技术方案做进一步详细、完整地说明。
实施例1
a)确定成形构件三维实体模型及建模：本发明成形件的数模类型为双高束成形的数模类型，其定义为：第一束高能束由连续光纤激光器产生，第二束高能束由纳秒脉冲激光器产生，且第一束高能束和第二束高能束具有相同的运行轨迹，间隔20ms的时间；然后在SLM增材制造设备的控制系统中利用CAD三维软件建立成形件的三维数模；
b)成形件的增材制造：将步骤a)中的数模进行切片分层处理，获得各层截面的二维轮廓信息并生成加工路径；将上述信息导入SLM增材制造设备的控制系统，将粒径为50μm的钛合金粉末置于干燥箱中在150℃下干燥处理2小时，以干燥后的钛合金粉末为原料，将钛合金粉放置在3D打印机粉筒中，按照预定的加工路径，进行双高能束的增材制造，具体的如下所示：
如图1所示，将基材1放入加工室，将钛合金粉末注入熔池2熔化，熔池2中设有高温计3来测量熔池的温度分布，通过连续光纤激光器产生第一束高能束4，通过高频短脉冲激光器具体的是通过纳秒脉冲激光器产生第二束高能束5，连续光纤激光器和纳秒脉冲激光器附近均设有物镜6，第一束高能束采用SLM成形工艺激光增材制造获得第一成形片层(即熔覆层7)，随后第二束高能束对熔覆的第一成形片层进行激光表面及其轮廓处理，然后通过第一束高能束在第一成形片层的表面进行增材制造成形，获得第二成形片层(即新的熔覆层7)，随后再通过第二束高能束对第二成形片层进行激光表面及其轮廓处理，此过程中，连续光纤激光器的激光功率为180W，光斑直径为100μm，扫描速度为150mm/s，纳秒脉冲激光器的脉冲宽度为20ns，脉冲能量为18J，激光光斑直径为0.5mm，如此循环，逐层堆积，直至得到所需的成形零件。
经测试，本实施例制备的成形零件，避免了孔隙、未熔合、裂纹等内部缺陷，成形件的尺寸精度较高、成形件表面粗糙度低。
同时，本实施例增材制造成形过程中可以根据需要控制熔池2及周边区域的温度梯度、熔池凝固速度等行为，进而可以控制成形材料的凝固组织和微观组织结构。
另外，本实施例还可以进行以下演变：
步骤a)中，第一束高能束和第二束高能束的间隔时间在20～50ms内选择，其余条件不变；
步骤b)中，钛合金粉末的粒径在20～50μm内选择，其余条件不变；
步骤b)中，钛合金粉末的干燥温度在100～200℃内选择，干燥时间在1～3小时内选择，其余条件不变；
步骤b)中，金属粉末也可以是、镍基合金粉末、钴基合金粉末、不锈钢粉末、铝合金粉末、钛基复合材料粉末，其余条件不变。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：采用的增材制造设备为LENS增材制造设备，第一束高能束增材制造过程采用LENS成形工艺获得成形片层，其余条件与实施例相同。
经测试，本实施例制备的成形零件，避免了孔隙、未熔合、裂纹等内部缺陷，成形件的尺寸精度较高、成形件表面粗糙度低。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：第一束高能束由电子枪产生，采用的增材制造设备为EBM增材制造设备，第一束高能束增材制造过程采用EBM成形工艺获得成形片层，增材制造过程中电子枪的电子束流为15mA，扫描速度为500mm/s，电子束光斑直径为80μm，其余条件与实施例相同。
经测试，本实施例制备的成形零件，避免了孔隙、未熔合、裂纹等内部缺陷，成形件的尺寸精度较高、成形件表面粗糙度低。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于：第二束高能束由飞秒脉冲激光器产生，增材制造过程中飞秒脉冲激光器的脉冲宽度为80fs，脉冲能量为0.7mJ，其余条件与实施例相同。
经测试，本实施例制备的成形零件，避免了孔隙、未熔合、裂纹等内部缺陷，成形件的尺寸精度较高、成形件表面粗糙度低。
综上所述，采用本发明的双高能束金属增材制造方法制备出的成形零件避免了孔隙、未熔合、裂纹等内部缺陷，成形件与原始设计之间的系统误差小，成形件的尺寸精度较高、残余应力小、表面粗糙度低，成形零件综合质量高，相对于现有技术，具有显著性进步和工业化应用价值。
最后需要在此指出的是：以上仅是本发明的部分优选实施例，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双高能束金属增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)确定成形构件三维实体模型及建模：本发明成形件的数模类型为双高束成形的数模类型，其定义为：第一束高能束由连续激光器或电子枪产生，第二束高能束由脉冲激光器产生，且第一束高能束和第二束高能束具有相同的运行轨迹，间隔20～50ms的时间；然后在增材制造设备的控制系统中利用CAD三维软件建立成形件的三维数模；
b)成形件的增材制造：将步骤a)中的数模进行切片分层处理，获得各层截面的二维轮廓信息并生成加工路径；将上述信息导入增材制造设备的控制系统，以金属粉末为原料，按照预定的加工路径，先通过第一束高能束的增材制造成形，获得第一成形片层，随后通过第二束高能束对第一成形片层进行激光表面及其轮廓处理，然后通过第一束高能束在第一成形片层的表面进行增材制造成形，获得第二成形片层，随后再通过第二束高能束对第二成形片层进行激光表面及其轮廓处理，如此循环，逐层堆积，直至得到所需的成形零件。
2.根据权利要求1所述的双高能束金属增材制造方法，其特征在于：步骤b)中，第一束高能束由连续激光器产生时，连续激光器的功率为100～1000W，光斑直径为50～200μm，扫描速度为50～2000mm/s。
3.根据权利要求2所述的双高能束金属增材制造方法，其特征在于：所述的连续激光器为二氧化碳激光器或光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的双高能束金属增材制造方法，其特征在于：步骤b)中，第一束高能束由电子枪产生时，电子枪的电子束流为10～50mA，扫描速度为50～2000mm/s，电子束光斑直径为为50～200μm。
5.根据权利要求1所述的双高能束金属增材制造方法，其特征在于：步骤b)中，第二束高能束由高频短脉冲激光器产生。
6.根据权利要求1所述的双高能束金属增材制造方法，其特征在于：步骤b)中，所述的金属粉末选自钛合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末、不锈钢粉末、铝合金粉末、钛基复合材料粉末中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的双高能束金属增材制造方法，其特征在于：增材制造设备选自SLM增材制造设备、EBM增材制造设备、LENS增材制造设备中的任意一种。
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