CN108339981B - 增材制造过程中相邻沉积层横截面的识别方法 - Google Patents

增材制造过程中相邻沉积层横截面的识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及增材制造过程中相邻沉积层横截面的识别方法，通过增材制造设备以粉末A为原料沉积N层后，改用粉末B为原料在先前的沉积层上制备新的沉积层；制样，通过显微镜获取新的沉积层与先前的沉积层之间的界线；其中，N为正整数；所述粉末B包括粉末A和晶粒调整剂。通过本发明的方法可简单、快捷地确定相邻沉积层之间的界面轮廓，并进一步获取新的沉积层的横截面面积；且识别过程中所用设备均为常见设备，无需额外添置专用设备，实施成本低廉。

Description

增材制造过程中相邻沉积层横截面的识别方法
技术领域
本发明涉及增材制造过程中相邻沉积层横截面的识别方法，属于增材制造领域。
背景技术
随着科学技术的发展，增材制造技术的应用越来越广泛。增材制造技术是利用高能量密度的激光束作为热源的一种新型制造技术。该技术面临着能量消耗高、能量利用率低、零件成形过程不稳定等问题。沉积层横截面面积作为计算成形件吸收能量值的关键因子，对于构建增材制造能效模型起着不可或缺的作用，并且沉积层横截面轮廓能够清楚的反映沉积过程中相邻沉积层的重熔状态，对于研究工艺参数对零件成形过程的影响以及零件成形稳定性也有重要的促进作用。但由于在多层或多道沉积工艺过程中，相邻沉积层横截面没有明显界线，导致新沉积层横截面轮廓无法识别，所以对沉积层横截面的正确识别成为研究增材制造能耗以及成形过程的关键技术。
目前，沉积层横截面的识别一般采用示踪元素法。示踪元素法的原理为：在原粉末材料中添加一定质量比的示踪元素，在确保粉末材料充分熔化、成分分布均匀的情况下采用EDS或XRD测量沉积层示踪元素的百分比，进而通过算式求得沉积层横截面面积。该方法需要粉末材料充分熔化，并且元素在沉积层中分布均匀，一旦示踪元素分布不均匀，其测量结果就会产生很大误差，且通过数学方法求得的横截面面积无法描述沉积层横截面轮廓，难以揭示沉积过程的重熔状态。
增材制造是制造业创新建设工程重点发展的创新技术之一，解决该技术工艺的不足以及高能耗、低能效的缺点已成为现阶段重要的研究方向，而沉积层横截面轮廓能够显示该工艺过程的重熔状态，沉积层横截面面积是表征成形件吸收能量值的关键因子。因此，非常有必要寻找一种简单、经济、高效、准确的沉积层横截面识别方法。
发明内容
本发明旨在提供增材制造过程中相邻沉积层横截面的识别方法，使得沉积层横截面的识别变得简单、经济、准确。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：通过增材制造设备以粉末A为原料沉积N层的沉积层后，改用粉末B为原料在先前沉积的该N层沉积层的表层上制备新的沉积层；制样，通过显微镜获取所述新的沉积层与先前沉积的沉积层之间的界线；
其中，N为正整数；所述粉末B包括粉末A和晶粒调整剂。
本发明中，通过晶粒调整剂的使用，使得新的沉积层和先前沉积的沉积层中，晶粒大小各不相同，在显微镜下，两者交界处可看到明显的界线，从而识别出交界处的横截面轮廓。
本发明中，获取新的沉积层与先前的沉积层之间的界线后，可通过计算机软件（如Micro-image Analysis & Process 金相图像分析系统）计算分析获得新的沉积层的横截面面积。
一般地，不同种类的原粉末材料需添加不同种类的粉末材料才能改变新沉积层晶粒大小。
进一步地，所述晶粒调整剂包括稀土氧化物和/或碳化钨等。
进一步地，所述稀土氧化物包括氧化镧和/或氧化铈，稀土氧化物的添加可细化晶粒，在新、旧沉积层之间形成明显的界线，方便识别。优选地，稀土氧化物在粉末B中的含量为0.4-2%wt%。
进一步地，粉末B中，粉末A和晶粒调整剂的质量比为12-8:1，优选为10-9:1，晶粒调整剂的量可根据需要设定，进一步地，在保证可产生明显“分界线”的情况下，晶粒调整剂量越小越好，以防新沉积层与先前沉积层性能出现明显差异，保证增材制造成形件质量。
进一步地，粉末B的平均粒径为粉末A平均粒径的0.8-1.2倍。
进一步地，所述显微镜包括金相显微镜、扫描电子显微镜中的一种。
进一步地，粉末A包括不锈钢粉末。
制样时，先切割获得样坯，然后磨样，再用王水（盐酸：硝酸=3:1）腐蚀25-35s，用酒精清洗并吹干，备用。
通过本发明的方法可简单、快捷地确定相邻沉积层之间的界面轮廓，并进一步获取新的沉积层的横截面面积；且识别过程中所用设备均为常见设备，无需额外添置专用设备，容易实施且实施成本低廉。
附图说明
图1表示实施例1相邻沉积层之间的轮廓界线和轮廓面示意图。
图2表示实施例1相邻沉积层的晶粒大小（a）316L+WC，（b）316L。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例以316L奥氏体不锈钢材料为研究对象，以进一步说明本发明。增材制造实验基板尺寸为120mm×120mm×120mm，材料为316L奥氏体不锈钢，粉末材料为316L奥氏体不锈钢，粉末粒度为60~125μm，其化学成分如表1所示。实验前将基板用砂纸打磨处理，并用无水乙醇清洗，粉末材料预先在120℃烤箱中烘干半小时。增材制造过程中，采用同轴氩气(Ar)保护，激光功率为700W，扫描速度为600mm/min，送粉速率为20g/min，提升量为2/3H（H为沉积层层高），其他相关工艺参数如载粉气流量、保护气流量、光斑半径以及离焦量分别为15L/min、20L/min、1mm、+28mm。
实验方案为：第一步：在送粉器的粉筒1中装入316L奥氏体不锈钢粉末，粉筒2中装入316L奥氏体不锈钢粉末与碳化钨粉末的混合粉末（质量比例为9：1）。第二步：使用粉筒1中的316L奥氏体不锈钢粉末在基板上沉积5道沉积层。第三步：暂停打印程序，切换成粉筒2，然后启动程序，采用混合粉在第5道沉积层之上再打印一层沉积层。第四步：采用线切割对成形件切割切件、制样、磨样、腐蚀并用金相显微镜观测。
表1 316L不锈钢化学成分与热物性参数
元素 Si Cr Ni Mn Mo C O Fe
成分/wt% 0.58 17.61 12.42 1.47 2.55 0.021 0.028 65.321
观测结果如图1、图2所示，由图1知，当采用碳化钨粉末与316L奥氏体不锈钢粉末的混合粉进行最后一层沉积后，新沉积层与先前沉积层之间出现明显界线，轮廓清晰，易于识别。由图2知，由316L奥氏体不锈钢粉末沉积所形成的沉积层晶粒明显大于由碳化钨粉末和316L奥氏体不锈钢粉末的混合粉沉积所形成的沉积层晶粒。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.增材制造过程中相邻沉积层横截面的识别方法，其特征在于，通过增材制造设备以粉末A为原料沉积N层的沉积层后，改用粉末B为原料在先前沉积的该N层沉积层的表层上制备新的沉积层；制样，通过显微镜获取所述新的沉积层与先前沉积的沉积层之间的界线；
其中，N为正整数；所述粉末B包括粉末A和晶粒调整剂；所述晶粒调整剂包括稀土氧化物和/或碳化钨；所述稀土氧化物包括氧化镧和/或氧化铈。
2.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于，粉末B中，粉末A和晶粒调整剂的质量比为12-8:1。
3.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于，粉末B的平均粒径为粉末A平均粒径的0.8-1.2倍。
4.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于，所述显微镜包括金相显微镜、扫描电子显微镜中的一种。
5.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于，制样时，先切割获得样坯，然后磨样，再用王水腐蚀25-35s，用酒精清洗并吹干，备用。
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