CN108202142A - 一种激光分步增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光分步增材制造方法，属于激光制造技术领域，包括下述步骤：(1)结构分解；(2)三维建模；(3)激光增材制备子结构I；(4)去应力退火；(5)机械加工；(6)设计夹具工装；(7)子结构II的激光增材制造；(8)去应力退火；(9)对子结构II进行机械加工；(10)设计夹具工装；(11)重复步骤(7)～(10)。本发明采用分步激光增材制造的方式，解决了复杂金属构件整体锻造时部分区域无法进行机械加工的问题；无需采用机械连接，减少了零件数量，降低了结构重量，增加了可靠性；制备过程无需模具，柔性化程度高，缩短了研制周期，加工速度快；所制备的零件内部致密无缺陷，显微组织细小均匀，具有较高的力学性能。

Description

一种激光分步增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种分步制备方法，特别涉及一种基于金属粉末熔化沉积成形的、适用于复杂金属构件的激光分步增材制造方法，属于金属构件制造技术领域。
背景技术
随着科技进步，越来越要求金属结构件具有轻质高强的性能。目前的复杂金属零部件制备方法均存在一定的问题。
整体锻造技术中，由于对机床进刀的限制，无法机械加工零部件部分区域；且制备大尺寸零件时，对锻压机的要求较高，加工过程对材料的浪费严重。
整体精密铸造所制备的零件缺陷较多，性能达不到设计要求。“分段锻造+机械连接”的技术方案，也有问题，会增加零件数量，增加结构重量，破坏了结构整体性，且受力部位集中在连接件，可靠性大大降低。
因此，提供一种无需采用机械连接、减少零件数量、降低结构重量、增加可靠性、无需模具、柔性化程度高、研制周期短、加工速度快的适合复杂金属零件的制备方法就成为该技术领域急需解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需采用机械连接、减少零件数量、降低结构重量、增加可靠性、无需模具、柔性化程度高、研制周期短、加工速度快的适合复杂金属零件的制备方法
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种激光分步增材制造方法，包括下述步骤：
(1)对所制备的金属部件进行结构分解，得到若干子结构I、II…，及各子结构分步制备顺序；
(2)将分解得到的每一个子结构分别进行三维建模，分层剖分，得到每层的扫描路径；
(3)激光增材制备子结构I；
(4)对激光成形的子结构I进行去应力退火；
(5)对子结构I进行机械加工，使其外形尺寸和表面质量达到设计要求；
(6)设计夹具工装，防止子结构I在后续增材制造及热处理过程中发生变形；
(7)在子结构I为基体，进行子结构II的激光增材制造；
(8)对激光成形的复合结构I+II进行去应力退火；
(9)对子结构II进行机械加工，使其外形尺寸和表面质量达到设计要求；
(10)设计夹具工装，防止子结构I、II在后续增材制造及热处理过程中发生变形；
(11)重复上述步骤(7)～(10)，直至完成整体结构的成形。
优选地，所述步骤(11)之后，增加如下步骤：
(12)对整体结构进行探伤，检测零件是否有缺陷，包括裂纹、气孔等；检测整体结构的外形尺寸和表面质量是否达到设计要求。
优选地，所述步骤(1)中所述结构分解的原则是：每一个子结构激光增材制造完成后，有足够的加工中心进刀空间进行机械加工；
优选地，所述步骤(3)中所述激光增材制备子结构I的具体步骤为：在由激光器、联动数控工作台组成的系统上进行；制备过程采用氩气保护，防止零件在高温下氧化，送粉方式为同步送粉，粉末粒度为-90～+325目。
优选地，所述步骤(4)和(8)中所述去应力退火的条件是：箱式电阻炉，退火制度为550℃，保温2小时，空冷。
优选地，所述步骤(5)中所述机械加工在五轴联动加工中心进行。
优选地，所述步骤(7)中所述激光增材制备子结构II的具体步骤为：在由激光器、联动数控工作台组成的系统上进行；制备过程采用氩气保护，防止零件在高温下氧化，送粉方式为同步送粉，粉末粒度为-90～+325目。
本发明的优点在于：
本发明采用分步激光增材制造的方式，解决了复杂金属构件整体锻造时部分区域无法进行机械加工的问题；金属构件为一体成形，无需采用机械连接，减少了零件数量，降低了结构重量，增加了可靠性；制备过程无需模具，柔性化程度高，缩短了研制周期，加工速度快；制备过程在氩气气氛中进行，防止了金属构件的氧化；所制备的零件内部致密无缺陷，显微组织细小均匀，具有较高的力学性能。
下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1为本发明激光分步增材制造方法实施例1中子结构I的结构示意图。
图2为本发明激光分步增材制造方法实施例1中子结构II的结构示意图。
图3为本发明激光分步增材制造方法实施例1中结构件整体的结构示意图。
图4为本发明激光分步增材制造方法实施例1中TA15结构件内部显微组织。
具体实施方式
实施例1
对基于金属粉末熔化沉积成形的复杂金属构件进行分步制造，材料为TA15钛合金。
本实施例包括如下步骤：
1.对所制备的金属部件进行结构分解并确定各子结构分步制备顺序
本实施例所要制备的金属部件：如图3所示，为本发明激光分步增材制造方法实施例1中结构件整体的结构示意图；
将上述结构件进行分解，得到子结构I和子结构II，如图1所示，为本发明激光分步增材制造方法实施例1中子结构I的结构示意图；如图2所示，本发明激光分步增材制造方法实施例1中子结构II的结构示意图；然后确定各子结构分步制备顺序：首先成形子结构I，再以子结构I为基体成形子结构II；
2.分别建模，分层剖分
将分解得到的子结构I和子结构II分别进行三维建模，分层剖分，得到每层的扫描路径；
3.激光增材制备子结构I
在由激光器、联动数控工作台组成的系统上进行，采用的粉末为等离子旋转电极工艺制备的TA15合金粉末，粒度为-90～+325目，采用同轴送粉方式送粉，激光光源为半导体激光，波长1.06μm；熔化沉积工艺参数为：功率：1500W，成形速率：5mm/s，层高：0.4mm，送粉量：2.5g/min，载气流量：5L/min，光斑大小：4mm，搭接量2mm，为防止金属零件氧化，制备过程在氩气环境下进行；
4.对激光成形的子结构I进行去应力退火
所用退火炉为箱式电阻炉，退火制度为550℃，保温2小时，空冷；
5.对子结构I进行机械加工
加工过程在五轴联动加工中心进行，使其外形尺寸和表面质量达到设计要求；
6.设计夹具工装，防止子结构I在后续增材制造及热处理过程中发生变形；
7.激光增材制备子结构II
以子结构I为基体，进行子结构II的激光增材制造；
采用的粉末为等离子旋转电极工艺制备的TA15合金粉末，粒度为-90～+325目，采用同轴送粉方式送粉，激光光源为半导体激光，波长1.06μm；熔化沉积工艺参数为：功率：1500W，成形速率：5mm/s，层高：0.4mm，送粉量：2.5g/min，载气流量：5L/min，光斑大小：4mm，搭接量2mm，为防止金属零件氧化，制备过程在氩气环境下进行；
8.对激光成形的整体结构进行去应力退火
所用退火炉为箱式电阻炉，退火制度为550℃，保温2小时，空冷；
9.对子结构II进行机械加工
加工过程在五轴联动加工中心进行，使其外形尺寸和表面质量达到设计要求；
10.对整体金属部件进行探伤，检测零件是否有缺陷，包括裂纹、气孔等；检测整体结构的外形尺寸和表面质量是否达到设计要求。
检测结果：
所得产品如图3的所示，为本发明激光分步增材制造方法实施例1中结构件整体的结构示意图；制备的金属构件外形尺寸和表面精度达到设计要求，分步制备金属构件的界面为冶金结合，整体金属构件内部致密无缺陷；结构I和结构II的抗拉强度分别为：990MPa、998MPa，断后伸长率分别为：14.8％、13.5％；结构I和结构II界面处的抗拉强度为987MPa，断后伸长率为13.6％，金属构件的力学性能达到使用要求。
如图4所示，为本发明激光分步增材制造方法实施例1中TA15结构件内部显微组织；该照片是用JSM-6510扫描电子显微镜(SEM)在2000倍数下拍照获得。
本发明对所制备的金属构件进行结构分解，采用激光增材制造技术制备出部分构件，退火后进行机械加工，然后以机械加工后的构件为基体进行后续构件的激光增材制造，再次退火后进行机械加工，重复上述过程，直至制备出外形尺寸及表面质量符合设计要求的复杂金属结构件。
本发明采用分步激光增材制造的方式，解决了复杂金属构件整体锻造时部分区域无法进行机械加工的问题；金属构件为一体成形，无需采用机械连接，减少了零件数量，降低了结构重量，增加了可靠性；制备过程无需模具，柔性化程度高，缩短了研制周期，加工速度快；制备过程在氩气气氛中进行，防止了金属构件的氧化；所制备的零件内部致密无缺陷，显微组织细小均匀，具有较高的力学性能。

Claims (7)

1.一种激光分步增材制造方法，包括下述步骤：
(1)对所制备的金属部件进行结构分解，得到若干子结构I、II…，及各子结构分步制备顺序；
(2)将分解得到的每一个子结构分别进行三维建模，分层剖分，得到每层的扫描路径；
(3)激光增材制备子结构I；
(4)对激光成形的子结构I进行去应力退火；
(5)对子结构I进行机械加工，使其外形尺寸和表面质量达到设计要求；
(6)设计夹具工装，防止子结构I在后续增材制造及热处理过程中发生变形；
(7)在子结构I为基体，进行子结构II的激光增材制造；
(8)对激光成形的复合结构I+II进行去应力退火；
(9)对子结构II进行机械加工，使其外形尺寸和表面质量达到设计要求；
(10)设计夹具工装，防止子结构I、II在后续增材制造及热处理过程中发生变形；
(11)重复上述步骤(7)～(10)，直至完成整体结构的成形。
2.根据权利要求1所述的激光分步增材制造方法，其特征在于：所述步骤(11)之后，增加如下步骤：
(12)对整体结构进行探伤，检测零件是否有缺陷，包括裂纹、气孔等；检测整体结构的外形尺寸和表面质量是否达到设计要求。
3.根据权利要求2所述的激光分步增材制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述结构分解的原则是：每一个子结构激光增材制造完成后，有足够的加工中心进刀空间进行机械加工。
4.根据权利要求3所述的激光分步增材制造方法，其特征在于：所述步骤(3)中所述激光增材制备子结构I的具体步骤为：在由激光器、联动数控工作台组成的系统上进行；制备过程采用氩气保护，防止零件在高温下氧化，送粉方式为同步送粉，粉末粒度为-90～+325目。
5.根据权利要求4所述的激光分步增材制造方法，其特征在于：所述步骤(4)和(8)中所述去应力退火的条件是：箱式电阻炉，退火制度为550℃，保温2小时，空冷。
6.根据权利要求5所述的激光分步增材制造方法，其特征在于：所述步骤(5)中所述机械加工在五轴联动加工中心进行。
7.根据权利要求6所述的激光分步增材制造方法，其特征在于：所述步骤(7)中所述激光增材制备子结构II的具体步骤为：在由激光器、联动数控工作台组成的系统上进行；制备过程采用氩气保护，防止零件在高温下氧化，送粉方式为同步送粉，粉末粒度为-90～+325目。
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