CN108620588A - 一种无周期性层带效应的激光金属3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种获得无周期性层带效应的激光金属3D打印方法。首先将基材预热至300℃，对工艺窗口进行优化，在该优化工艺窗口下，对初步优化参数下的熔池形貌及温度场进行计算；提取模拟熔池的热影响区与熔池中心的定点热循环曲线，计算熔池纵截面热影响区的平均长度L与熔池的生存时间t；调节激光功率P与扫描速度V，使L≥1.2Z且t≥1s；优化工艺参数：激光功率P：600‑800W，扫描速度V：5‑7mm/s，送粉量：6‑10g/min，光斑直径：1.5‑2.5mm，高度方向增量Z为0.2～0.3毫米/层；最终获得组织均匀的成形件。本发明消除了层带现象并均匀化工件显微组织，操作简便、响应速度快。
Description
技术领域
本发明涉及激光金属材料加工领域，尤其涉及一种无周期性层带效应的激光金属3D打印方法。
背景技术
激光金属3D打印技术，又称“激光金属3D打印技术”，是一种将激光熔覆与快速原型技术相结合的先进制造技术。该技术基于“分层制造，离散堆积”原理，可直接根据零件的三维CAD模型快速成形出实体零件，具有材料利用率高、生产周期短、成形受限小、无需模具等特点，尤其适用于复杂大型整体部件的直接成形、磨损零件的快速修复及个性化产品的直接定制，在航空航天、国防军工及生物医用领域具有广泛的应用前景。
激光金属3D打印过程是一个材料快速加热熔化并快速凝固的过程，熔池具有温度梯度高、冷却速率快等特点。此外，激光金属3D打印是通过逐层累加方式来实现三维零件的成形，基材或已沉积层会受到后续层沉积过程中的再热影响。基于上述激光金属3D打印的特点，3D打印零件的组织及性能具有特殊性：1)粗糙的柱状晶从底部外延生长；2)晶内为细小的显微组织；3)试样中存在周期性的层带；4)高的强度及低的塑性。然而，周期性的层带是不期望获得的组织特征。一方面，层带的存在导致显微组织分布不均匀，另一方面，层带会导致试样的力学性能不均匀，并降低层间结合性能，对机械性能是有害的。因此，有必要深入了解层带的产生，并对其进行有效调控。
国内外学者针对层带进行了相关的研究工作。Dinda等人报道，激光3D打印试样中存在周期性的层带结构，且相邻层带之间的间距与层抬升量相当，层带处组织与其它部位组织具有明显差异。Kelly等人在成形薄壁件时发现只有沉积三层以上时才有层带出现，最后三层中并没有发现层带。然而，大量研究报道3D打印工件中每一层都具有层带现象。Kobryn等人提出，层带的产生是由于后续沉积过程中的再热处理所致。C.M.Liu等人发现，层带的产生是由于受到后续沉积过程中β温度以上熔点以下的再热处理所致；且在层带区域表现为粗糙的组织及相对低的硬度，而在层带之间则是由细小的组织组成且具有高的硬度；层带的存在使工件的显微组织及硬度变得不均匀，层带的消除对显微组织及力学性能的均匀化是有利的。Wen等人报道，熔池边界对加载状态下微观滑移、宏观塑性行为及断裂模式具有重要的影响，层带的存在是工件明显各向异性及低塑性的主要原因。综上所述，层带主要是由于逐层叠加时再热处理所致，且层带的存在导致工件组织、性能不均匀，对工件的性能非常不利。因此，有必要对层带进行调控，最小化甚至消除激光金属3D打印过程中的层带效应。目前，尽管国内外学者开展了相关研究，为激光金属3D中层带现象及组织均匀性调控等提供了很好的见解与理论基础，但尚缺乏有效的方法对层带效应进行调控。
本发明提出了一种操作简便、有效的方法，该方法可实现无周期性层带效应的激光金属3D打印。
发明内容
本发明涉及激光金属材料加工领域，尤其涉及一种无周期性层带效应的激光金属3D打印方法。
一种无周期性层带效应的激光金属3D打印方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：采用电磁感应加热设备将基材预热至300℃，再对激光金属3D打印工艺窗口进行优化，获得如下初步优化参数：激光功率P为500-900W；扫描速度V为4-8mm/s；送粉量F为6-12g/min；光斑直径D为1-3mm；高度方向增量Z为0.2～0.3毫米/层；
步骤二：在该优化工艺窗口下，利用有限元传热模型对初步优化参数下的激光金属3D打印过程中熔池形貌及温度场进行计算；提取模拟熔池的热影响区与熔池中心的定点热循环曲线，并计算出熔池纵截面热影响区的平均长度L，计算出熔池中心热循环曲线与液相线的截距t，即为熔池的生存时间；
步骤三：依据L≥1.2Z且t≥1s原则对工艺进行优化，并输出相应的工艺参数；
步骤四：重复步骤二至步骤三，获得所有满足L≥1.2Z且t≥1s条件的工艺窗口；获得优化的工艺窗口如下：激光功率P为600-800W，扫描速度V为5-7mm/s，送粉量F为6-10g/min，光斑直径D为1.5-2.5mm，高度方向增量Z为0.2～0.3毫米/层；
步骤五：在优化的工艺窗口内选择工艺参数进行激光金属3D打印，获得组织均匀的成形件。
模拟熔池的热影响区是指金属熔点至熔点以下300℃之间的区域。
所述金属材料包括镍基合金、不锈钢、钛合金及钴基合金。
步骤一所述的预热，采用电磁感应加热设备。
本发明利用激光金属3D打印工艺本身的热循环影响对已沉积区域进行原位热处理，进而消除层带现象并均匀化工件显微组织。利用本发明方法加工的工件无需后续热处理即可获得组织及力学性能均匀的3D打印工件，具有操作简便、响应速度快等优点。
附图说明
图1为采用已有方法所获得的3D打印试样金相图；
图2为采用本发明实施例1所获得的3D打印试样金相图。
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
实施例1
步骤一：采用电磁感应加热设备将基材预热至300℃，再对激光金属3D打印工艺窗口进行优化，获得如下初步优化参数：激光功率P为500-900W；扫描速度V为4-8mm/s；送粉量F为6-12g/min；光斑直径D为1-3mm；高度方向增量Z为0.2～0.3毫米/层；
步骤二：在该优化工艺窗口下，利用有限元传热模型对初步优化参数下的激光金属3D打印过程中熔池形貌及温度场进行计算；提取模拟熔池的热影响区与熔池中心的定点热循环曲线，并计算出熔池纵截面热影响区的平均长度L，计算出熔池中心热循环曲线与液相线的截距t，即为熔池的生存时间；
步骤三：依据L≥1.2Z且t≥1s原则对工艺进行优化，并输出相应的工艺参数；
步骤四：重复步骤二至步骤三，获得所有满足L≥1.2Z且t≥1s条件的工艺窗口；获得优化的工艺窗口如下：激光功率P为600-800W，扫描速度V为5-7mm/s，送粉量F为6-10g/min，光斑直径D为1.5-2.5mm，高度方向增量Z为0.2～0.3毫米/层；
步骤五：在优化的工艺窗口内选择工艺参数进行激光金属3D打印，获得组织均匀的成形件。
图1为采用已有方法所获得的3D打印试样金相图。试样具有明显的周期性层带结构，层与层之间间距均匀，这主要是由于激光3D打印的逐层加工特性所致。
图2为采用本发明实施例1所获得的3D打印试样金相图。图2(a)为打印的涡轮叶片，图2(b)为叶片横截面整体形貌，从图中可以看出，试样中不存在周期性层带现象。图2(c-e)为图2(b)中相应位置的放大图，试样主要由枝晶组织组成，且尺寸非常相近，说明涡轮叶片不同位置的组织非常均匀。这主要是由于在本发明的工艺参数下，当前沉积层对已沉积层具有足够的热影响，相当于对已沉积区域进行原位热处理，从而消除层带现象并均匀化工件显微组织。上述结果表明，采用本专利方法可以有效消除周期性层带，进而均匀化组织及性能。
Claims (4)
1.一种无周期性层带效应的激光金属3D打印方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：将基材预热至300℃，再对激光金属3D打印工艺窗口进行优化，获得如下初步优化参数：激光功率P为500-900W；扫描速度V为4-8mm/s；送粉量F为6-12g/min；光斑直径D为1-3mm；高度方向增量Z为0.2～0.3毫米/层；
步骤二：在优化工艺窗口下，利用有限元传热模型对初步优化参数下的激光金属3D打印过程中熔池形貌及温度场进行计算；提取模拟熔池的热影响区与熔池中心的定点热循环曲线，并计算出熔池纵截面热影响区的平均长度L，计算出熔池中心热循环曲线与液相线的截距t，即为熔池的生存时间；
步骤三：依据L≥1.2Z且t≥1s对工艺进行优化，并输出相应的工艺参数；
步骤四：重复步骤二至步骤三，获得所有满足L≥1.2Z且t≥1s条件的工艺窗口；获得优化的工艺窗口如下：激光功率P为600-800W，扫描速度V为5-7mm/s，送粉量F为6-10g/min，光斑直径D为1.5-2.5mm，高度方向增量Z为0.2～0.3毫米/层；
步骤五：在优化的工艺窗口内选择工艺参数进行激光金属3D打印，获得组织均匀的成形件。
2.如权利要求1所述的一种无周期性层带效应的激光金属3D打印方法，其特征在于：模拟熔池的热影响区是指金属熔点至熔点以下300℃之间的区域。
3.根据权利要求1所述的一种无周期性层带效应的激光金属3D打印方法，其特征在于：所述金属材料包括镍基合金、不锈钢、钛合金及钴基合金。
4.如权利要求1所述的一种无周期性层带效应的激光金属3D打印方法，其特征在于：步骤一所述的预热，采用电磁感应加热设备。
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