CN108817386B - 用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法，采用层间梳状拼接方法，通过合理规划拼接区的扫描路径，实现不同扫描分区之间的可靠熔合，消除了成形件拼接界面处的表面起伏现象，避免拼接区的热循环过程以及其温度场分布规律与其他区域产生差异，保障了成形件各分区微观组织的均一性，避免了因拼接区域铺粉层厚不均造成的熔合不良缺陷。本发明能够有效控制拼接区激光重复扫描过程中重熔的影响范围，避免了因层内重熔产生的拼接区的热循环过程与其他区域的差异，优化拼接区的热循环过程，有助于获得组织性能均一的大幅面零件，并提高了样件强度和塑性，并提高了样件的致密度。

Description

用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法
技术领域
本发明属于金属增材制造领域，具体是一种多光束激光选区熔化的拼接方式设计以及扫描路径规划。
背景技术
增材制造技术是一种三维实体快速自由成形制造技术，它综合了计算机的图形处理技术、数字化信息控制技术、激光技术、机电技术和材料技术等多项技术的优势。由于其能够实现传统制造技术难以完成的高性能复杂结构金属零件的制造，具有无模具、快速、致密以及近净成形的有点，近年来该技术已经成为了一种应对航空航天领域技术挑战的最佳新途径。目前，金属增材制造技术主要包含以激光立体成形技术(LaserSolidForming，LSF)为代表的同步送粉(送丝)高能束(激光、电子束、电弧等)熔覆技术，和以激光选区熔化技术(SelectiveLaserMelting，SLM)为代表的粉末床成形技术两个主要方向。二者相比：激光立体成形技术可实现“米”级别的大尺寸零件直接制造，其成形效率较高但尺寸精度一般在“毫米”级别；而激光选区熔化技术可以实现精确度达“微米”级别的尺寸要求，但由于受到现有光学器件的限制，其单光束最大成形幅面不超过300mm×300mm。由此可见，目前发展较为成熟的金属增材制造技术在成形幅面尺寸和成形精度方面尚无法实现兼顾。
为了在高精度SLM成形基础上增大成形幅面尺寸，多光束激光选区熔化技术应运而生。该技术采用多个激光光束和振镜系统分区打印，有效扩大了成形幅面。同时，与单光束SLM成形方式相比，多个激光器同时工作，也能够有效提高成形效率。2012年，采用两台激光器/两台扫描振镜组成了双激光SLM设备，可成形零件的最大尺寸为500mm×280mm×325mm。2016年EOS公司也推出了EOS-M400-4型大尺寸多光束SLM设备，该设备具备四套激光系统，每个激光器成形幅面250mm×250mm，可成形最大尺寸400mm×400mm×400mm。与此同时，西安铂力特和华中科技大学也分别制造了最大可成形幅面为500mm×500mm的设备(BLT-S500和NRD-SLM-500)。
德国SLM-Solution公司研究人员认为，在多光束SLM拼接成形大幅面零件时，为保证各激光分区之间实现良好结合，需在相邻分区之间定义具有特定扫描方式的拼接区[Wiesner A,Schwarze D.Multi-Laser Selective Laser Melting,8th InternationalConference on Photonic Technologies LANE[C],2014]。目前实现相邻激光分区有效熔合的方式主要是为重熔拼接，该方法是指在成形过程中完成一次铺粉后，拼接区的粉末先被一个激光器熔化凝固，再经历另一个激光器的重复扫描，再次熔化凝固，即拼接区将经历至少两次的激光重复扫描过程。该方法拼接区宽度一般不小于20mm。华中科技大学研究人员发现，重熔拼接会使得成形件表面存在落差超过层厚的台阶现象，影响成形件的尺寸精度[Li F,Wang Z,Zeng X.Microstructures and mechanical properties of Ti6Al4Valloy fabricated by multi-laser beam selective laser melting[J].MaterialsLetters,2017(199):79-83.]。西北工业大学在实验中也观察到了类似的结果，采用重熔拼接方式获得样件的表面重熔拼接区域存在约三倍层厚的高度起伏，这会降低成形件的表面质量和成形精度，在拼接区形成熔合不良缺陷，在严重的情况下还可能导致后一层粉末铺放失败，从而直接终止SLM成形过程。此外，由于拼接区存在重复扫描过程，会使得其经历的热循环过程与其他区域存在差异，导致拼接区组织不同于其他区域，破坏成形件的组织和性能的均一性，导致成形件的力学性能不能满足使用要求。
综上所述，多光束激光选区熔化技术存在的问题主要在于成形件表面尺寸精度与内部熔合不良缺陷的控制，以及拼接过程热循环历史的差异对成形件组织与性能均一性的影响。现有重熔拼接方案无法获得良好的尺寸精度和表面质量，所形成的熔合不良缺陷和组织性能差异性也限制了成形件在关键重要场合的实际应用。为解决这些问题，有必要对现有重熔拼接成形方法提出改进方案。
发明内容
为克服现有技术中存在的无法获得良好的尺寸精度和表面质量、所形成的熔合不良缺陷和组织性能差异性限制了成形件在关键重要场合的实际应用的不足，本发明提出了一种用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法。
本发明的具体过程是：
步骤1，材料预处理。
步骤2，建立样件的分区模型。
所述样件为矩形块状，采用激光选区熔化的方法加工而成。
通过CAD软件建立该样件的三维模型。在建立所述矩形块状样件的三维模型时，将该样件分为两部分，分别是第一分区模型1与第二分区模型2，并且所述第一分区模型1与第二分区模型2均为块状，一个端面为平面，另一个端面呈梳齿状。拼接时，将其中的第二分区模型翻转180°，将该第二分区模型端面的梳齿逐个插入所述第一分区模型端面的梳齿间隙中，使二者拼接成为完整的矩形块状样件。
在拼接时，需根据原材料成形过程中熔池直径设置相邻分区的层内补偿量△，该层内补偿量△为所述第一分区模型1与第二分区模型2接插部位的重叠量。所述层内补偿量△与原材料成形过程中熔池直径大小相同。将所述矩形块状样件三维模型的数据导入多光束激光选区熔化装置中。
步骤3，设定成形工艺参数。
根据原材料的熔点与粒径确定各成形工艺参数。所述的成形工艺参数包括激光功率、激光扫描速度、激光扫描线距离，以及铺粉层厚度。
当选用锰铜合金球形粉末作为原材料时，该锰铜合金球形粉末的粒径为17～53μm；当选用钛合金球形粉末作为原材料时，该钛合金球形粉末的粒径为15～45μm；当选用铝合金球形粉末作为原材料时，该铝合金球形粉末的粒径为15～53μm；当选用纯钨球形粉末作为原材料时，该纯钨球形粉末的粒径为5～25μm；当选用高温合金球形粉末作为原材料时，该高温合金球形粉末的粒径为15～45μm；当选用不锈钢球形粉末作为原材料时，该不锈钢球形粉末的粒径为3～40μm；当选用钛镍合金球形粉末作为原材料时，该钛镍合金球形粉末的粒径为35～75μm。
当选用锰铜合金球形粉末作为原材料时，该锰铜合金球形粉末的的激光功率为150～200W，激光扫描速度为800～1200mm/s，激光扫描线距离为0.08～0.105mm，铺粉层厚度为30～60μm。
当选用钛合金球形粉末作为原材料时，该钛合金球形粉末的激光功率为120～200W，激光扫描速度为600～1200mm/s，激光扫描线距离为0.08～0.2mm，铺粉层厚度为30～60μm。
当选用铝合金球形粉末作为原材料时，该铝合金球形粉末的激光功率为150～200W，激光扫描速度为600～1000mm/s，激光扫描线距离为0.105～0.150mm，铺粉层厚度为25～50μm。
当选用纯钨球形粉末作为原材料时，该纯钨球形粉末的激光功率为300～450W，激光扫描速度为200～1000mm/s，激光扫描线距离为0.08～0.105mm，铺粉层厚度为25～40μm。
当选用高温合金球形粉末作为原材料时，该高温合金球形粉末的激光功率为120～200W，激光扫描速度为200～800mm/s，激光扫描线距离为0.08～0.105mm，铺粉层厚度为30～60μm。
当选用不锈钢球形粉末作为原材料时，该不锈钢球形粉末的激光功率为150～200W，激光扫描速度为800～1100mm/s，激光扫描线距离为0.08～0.105mm，铺粉层厚度为20～50μm。
当选用钛镍合金球形粉末作为原材料时，该钛镍合金粉末的激光功率为90～120W，激光扫描速度为500～1000mm/s，激光扫描线距离为0.115～0.225mm，铺粉层厚度为30～60μm。步骤4，建立坐标系。
以所述第一分区模型平面端下表面的任意一个直角处为该坐标系的原点0，以该样件的长度方向作为该坐标系的x方向，以该样件的高度方向作为该坐标系的z方向，以该样件的宽度方向作为该坐标系的y方向。
步骤5，安放基板。
将基板固定在多光束激光选区熔化装置加工室的工作台上，设定该基板上表面处于坐标系中z轴的0处。
步骤6，预热基板。
步骤7，加工室中充入保护气。
步骤8，成形样件。
按照设定的工艺参数，通过1#激光器成形该样件的第一分区模型，使用2#激光器拼接成形该样件的第二分区模型。
拼接成形的具体过程是：
第一步，成形样件的第一层。
通过所述工作台带动基板向z轴的负方向移动一个铺粉层厚δ。将原材料的球形粉末通过刮刀铺覆在所述基板上表面；所铺覆的原材料球形粉末的上表面位于坐标系的xoy平面。
启动1#激光器成形第一分区模型的第一层。
所述启动1#激光器成形第一分区模型的第一层时，使该1#激光器从坐标系原点开始，沿x轴的方向移动扫描，扫描距离为该第一分区模型长度－拼接区的宽度。然后使所述1#激光器返回坐标系原点并向y方向移动一个扫描线距离l。所述1#激光器继续沿x轴方向单向扫描，扫描距离为该第一分区模型长度－拼接区的宽度。重复所述1#激光器的移动扫描过程，直至1#激光器沿坐标系y轴完成对该第一分区模型宽度的移动扫描为止，完成第一分区模型的第一层的熔凝成形。
启动2#激光器成形第二分区模型的第一层。
所述启动2#激光器成形第二分区模型的第一层时，使该2#激光器移动至所述1#激光器扫描停止位置－相邻分区的层内补偿量△处，并从该位置沿x轴的方向移动扫描；扫描距离为第二分区模型长度+相邻分区的层内补偿量△。所述2#激光器返回坐标系的x方向所述1#激光器扫描停止位置－相邻分区的层内补偿量△处，并向坐标系y轴方向移动一个扫描线距离l，并从该位置沿x轴的方向单向移动扫描，扫描距离为第二分区模型长度+相邻分区的层内补偿量△。重复所述2#激光器的移动扫描过程，直至2#激光器沿坐标系y轴完成对该第二分区模型宽度的移动扫描为止，完成第二分区模型的第一层的熔凝成形。
第二步，成形样件的第二层。
通过所述工作台带动基板向z轴的负方向移动一个铺粉层厚δ。将原材料球形粉末通过刮刀铺覆在所述熔凝成形后的样件第一层的上表面。所铺覆的原材料球形粉末的上表面位于坐标系的xoy平面。
启动1#激光器成形第一分区模型的第二层。
所述启动1#激光器成形第一分区模型的第二层的具体过程是，使该1#激光器从坐标系原点开始，沿x轴的方向移动扫描，扫描距离为该第一分区模型长度；使所述1#激光器返回坐标系原点并向y方向移动一个扫描线距离l。所述1#激光器继续沿x轴方向单向扫描，扫描距离为该第一分区模型长度。重复所述1#激光器的移动扫描过程，直至1#激光器沿坐标系y轴完成对该第一分区模型宽度的移动扫描为止，完成第一分区模型的第二层的熔凝成形。
启动2#激光器成形第二分区模型的第二层。
所述启动2#激光器成形第二分区模型的第二层的具体过程是，使该2#激光器移动至所述1#激光器扫描停止位置－相邻分区的层内补偿量△处，并从该位置沿x轴的方向移动扫描；扫描距离为第二分区模型长度－拼接区的宽度L+相邻分区的层内补偿量△。所述2#激光器返回坐标系的x方向所述1#激光器扫描停止位置－相邻分区的层内补偿量△处，并向坐标系y轴方向移动一个扫描线距离l，并从该位置沿x轴的方向单向移动扫描，扫描距离为第二分区模型长度－拼接区的宽度L+相邻分区的层内补偿量△。重复所述2#激光器的移动扫描过程，直至2#激光器沿坐标系y轴完成对该第二分区模型宽度的移动扫描为止，完成第二分区模型的第二层的熔凝成形。
重复上述移动扫描过程，并使重复中的奇数层与第一层的成形过程相同，偶数层与第二层的成形过程相同。
每完成一层粉末的熔凝成形，工作台下降一个铺粉层厚度，以实现逐层铺粉、逐层熔凝成形的过程，直至完成该样件的成形。
本发明在保证相邻激光分区有效熔合的同时，可消除成形件拼接界面处的表面起伏现象，避免了因拼接区域铺粉层厚不均造成的熔合不良缺陷，能够实现层间、两分区间的可靠熔合。同时本发明能够有效控制拼接区激光重复扫描过程中重熔的影响范围，，这也就避免了因层内重熔产生的拼接区的热循环过程与其他区域的差异，优化拼接区的热循环过程，有助于获得组织性能均一的大幅面零件。其具体拼接方式如图1所示，图中箭头所示为扫描方向。本发明根据单光束扫描区域的大小以及待成形件的形状设置不同的分区方法以及梳状交错拼接区宽度L，也可根据不同材料的成形需求改变激光功率、激光扫描速度、激光扫描线距离，以及铺粉层厚度。与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.在传统的重熔拼接方式中，由于拼接区经历大面积重复扫描，其样件表面拼接区与非拼接区分界线处存在约三倍层厚的高度起伏如图4。而本发明提出的层间梳状拼接方法，通过合理规划拼接区的扫描路径，能够实现不同扫描分区之间的可靠熔合，成形件表面平整、尺寸精度提升，拼接区与非拼接区分界线处表面无明显裂痕或起伏现象，如图5所示。
2.通过对传统重熔拼接样件纵截面的观察发现，拼接样件表面起伏现象是一个逐层累积的过程，由于第n层凝固后表面起伏的存在，使得在第n+1层铺粉时拼接界面附近下凹处粉末层厚增大，成形过程中易在此处产生由于层间熔合不良造成的规律性分布孔洞如图6，使重熔拼接部位成为成形件的薄弱环节。而本发明中，相邻的拼接界面彼此错开，成形样件表面平整，不会影响后续的铺粉、成形过程，拼接区附近无显著缺陷，如图7所示。表1所列是使用传统重熔拼接方式和本发明所述的层间梳状拼接方法成形的TC4钛合金样件的主要力学性能与成形特性指标，从表1中可以看出，采用本发明所述的层间梳状拼接方法制造的样件强度和塑性均有所提高，致密度也高于传统重熔拼接成形的样件。
表1不同拼接方法成形样件拉伸性能与致密度对比
Figure BDA0001713100500000071
3.本发明能够有效控制拼接区的激光重复扫描过程，避免拼接区的热循环过程以及其温度场分布规律与其他区域产生差异，保障了成形件各分区微观组织的均一性，如图7所示。
4.本发明对多种适用于增材制造的金属材料通过的多光束激光选区熔化成形，仅需根据不同材料所对应的熔池大小调整相邻分区模型接插部位分的重叠距离，即相邻分区的层间补偿量。均可根据不同材料的需求调整激光功率、激光扫描速度、激光扫描线距离，以及铺粉层厚度，不会影响拼接成形效果。
附图说明
图1是层间梳状拼接方法示意图；
图2是层间梳状拼接成形件一个分区模型的示意图；
图3是不同分区模型对接后的完整样件示意图；
图4是传统重熔拼接成形样件表面3D轮廓照片：
图5是层间梳状拼接成形样件表面3D轮廓图；
图6是传统重熔拼接成形样件纵截面光镜图，虚线内为拼接区，箭头所示为孔洞缺陷；
图7是层间梳状拼接成形样件纵截面光镜图，虚线内为拼接区；
图8是实施例二中层间梳状拼接成形的沉积态样件，虚线内为拼接区；
图9是实施例二中的断后拉伸试样，虚线内为拼接区；
图10是本发明的流程图。
图中：1.第一分区模型；2.第二分区模型。
具体实施方式
实施例一
本实施例是采用多光束激光选区熔化装置实施层间梳状拼接成形ZMnD-1J锰铜合金样件的方法。
步骤1，材料预处理。
所述的材料预处理包括对基板的清洗，以及粉末的烘干。
选用粒径为17～53μm的锰铜合金球形粉末作为原材料，对该球形粉末在120℃真空条件下烘干，以减少吸潮对粉末成形特性的影响。所述基板为不锈钢，规格为10mm×10mm×17mm，使用前用无水乙醇清洗干净。
本实施例中，所述锰铜合金球形粉末为ZMnD-1J球形粉末。
步骤2，建立样件的分区模型。
所述样件为矩形块状，采用激光选区熔化的方法加工而成。
通过CAD软件建立该样件的三维模型。在建立所述矩形块状样件的三维模型时，将该样件分为两部分，分别是第一分区模型1与第二分区模型2，并且所述第一分区模型与第二分区模型均为块状，一个端面为平面，另一个端面呈梳齿状。拼接时，将其中的第二分区模型翻转180°，将该第二分区模型2端面的梳齿逐个插入所述第一分区模型端面的梳齿间隙中，使二者拼接成为完整的矩形块状样件。在拼接时，需根据原材料成形过程中熔池直径大小设置相邻分区的层内补偿量△，该层内补偿量△为所述第一分区模型1与第二分区模型2接插部位的重叠量。所述层内补偿量△与原材料成形过程中熔池直径大小相同。本实施例中所述层内补偿量△为0.08mm。本实施例中，样件的外形尺寸的长宽高为14mm×8mm×8mm，所述第一分区模型1外形尺寸长宽高和第二分区模型2外形尺寸的长宽高均为8mm×8mm×8mm，其中梳状拼接区的宽度L＝2mm，梳齿的高度h＝60μm，各相邻的梳齿表面之间的间距d＝60μm。所述梳齿高度与相邻梳齿之间的距离均与铺粉层厚δ相同。
将该样件三维模型的数据导入多光束激光选区熔化装置中。
步骤3，设定成形工艺参数。
在确定所述锰铜合金球形粉末成形工艺参数时，根据该锰铜合金球形粉末的熔点与粒径确定各成形工艺参数。所述的成形工艺参数包括激光功率、激光扫描速度、激光扫描线距离，以及铺粉层厚度。所确定的激光功率为150～200W，激光扫描速度为800～1200mm/s，激光扫描线距离为0.08～0.105mm，铺粉层厚度为30～60μm。
本实施例中激光功率为199W，扫描速度为1200mm/s，扫描线距离l为0.08mm，铺粉层厚δ为60μm。
步骤4，建立坐标系。
以所述第一分区模型平面端下表面的任意一个直角处为该坐标系的原点0，以该样件的长度方向作为该坐标系的x方向，以该样件的高度方向作为该坐标系的z方向，以该样件的宽度方向作为该坐标系的y方向。
步骤5，安放基板。
将基板固定在多光束激光选区熔化装置加工室的工作台上，设定该基板上表面处于坐标系中z轴的0处。
步骤6，预热基板。
将基板预热至100℃。
步骤7，加工室中充入保护气。
给多光束激光选区熔化装置加工室中充入纯度为99.99％的高纯氩气作为保护气，当工作室中的氧含量低于1000ppm开始工作。
步骤8，成形样件。
按照设定的工艺参数开始成形样件。
本实施例通过两个激光器拼接，即使用1#激光器成形该样件的第一分区模型，使用2#激光器拼接成形该样件的第二分区模型。
拼接成形的具体过程是：
第一步，成形样件的第一层。
通过所述工作台带动基板向z轴的负方向移动一个铺粉层厚δ，本实施例中，铺粉层厚δ为60μm，即工作台带动基板向z轴的负方向移动60μm，使该基板下降60μm。将锰铜合金球形粉末通过刮刀铺覆在所述基板上表面；该锰铜合金球形粉末的铺覆厚度为60μm。所铺覆的锰铜合金球形粉末的上表面位于坐标系的xoy平面。
启动1#激光器成形第一分区模型的第一层。具体是使该1#激光器从坐标系原点开始，沿x轴的方向移动扫描，扫描距离为该第一分区模型长度－拼接区的宽度；本实施例中，该第一分区模型长度为8mm，拼接区的宽度为2mm，故扫描距离为6mm。然后使所述1#激光器返回坐标系原点并向y方向移动一个扫描线距离l，本实施例中，所述扫描线距离l为0.08mm，即所述1#激光器向y方向移动0.08mm。所述1#激光器继续沿x轴方向单向扫描，扫描距离为该第一分区模型长度－拼接区的宽度；本实施例中，扫描距离为6mm。重复所述1#激光器的移动扫描过程，直至1#激光器沿坐标系y轴完成对该第一分区模型宽度的移动扫描为止，完成第一分区模型的第一层的熔凝成形。
启动2#激光器成形第二分区模型的第一层。具体是使该2#激光器移动至所述1#激光器扫描停止位置－相邻分区的层内补偿量△处，并从该位置沿x轴的方向移动扫描；扫描距离为第二分区模型长度+相邻分区的层内补偿量△。本实施例中，所述1#激光器扫描停止位置为坐标系x轴6mm处，所述相邻分区的层内补偿量△为0.08mm，第二分区模型长度为8mm，故所述1#激光器扫描停止位置－相邻分区的层内补偿量处为坐标系x的6mm-0.08mm处，2#激光器的扫描距离为8mm+0.08mm。所述2#激光器返回坐标系的x方向所述1#激光器扫描停止位置－相邻分区的层内补偿量△处，并向坐标系y轴方向移动一个扫描线距离l，为0.08mm，并从该位置沿x轴的方向单向移动扫描，扫描距离为第二分区模型长度+相邻分区的层内补偿量△。本实施例中，2#激光器的移动扫描距离为8mm+0.08mm。重复所述2#激光器的移动扫描过程，直至2#激光器沿坐标系y轴完成对该第二分区模型宽度的移动扫描为止，完成第二分区模型的第一层的熔凝成形。
第二步，成形样件的第二层。
通过所述工作台带动基板向z轴的负方向移动一个铺粉层厚δ，本实施例中，铺粉层厚δ为60μm，即工作台带动基板向z轴的负方向移动60μm，使该基板下降60μm。将ZMnD-1J球形粉末通过刮刀铺覆在所述熔凝成形后的样件第一层的上表面；该锰铜合金球形粉末的铺覆厚度为60μm。所铺覆的锰铜合金球形粉末的上表面位于坐标系的xoy平面。
启动1#激光器成形第一分区模型的第二层。具体是使该1#激光器从坐标系原点开始，沿x轴的方向移动扫描，扫描距离为该第一分区模型长度；本实施例中，该第一分区模型长度为8mm，故扫描距离为6mm。然后使所述1#激光器返回坐标系原点并向y方向移动一个扫描线距离l，本实施例中，所述扫描线距离l为0.08mm，即所述1#激光器向y方向移动0.08mm。所述1#激光器继续沿x轴方向单向扫描，扫描距离为该第一分区模型长度，为8mm。重复所述1#激光器的移动扫描过程，直至1#激光器沿坐标系y轴完成对该第一分区模型宽度的移动扫描为止，完成第一分区模型的第二层的熔凝成形。
启动2#激光器成形第二分区模型的第二层。具体是使该2#激光器移动至所述1#激光器扫描停止位置－相邻分区的层内补偿量△处，并从该位置沿x轴的方向移动扫描；扫描距离为第二分区模型长度－拼接区的宽度L+相邻分区的层内补偿量△。本实施例中，所述1#激光器扫描停止位置为坐标系x轴8mm处，所述相邻分区的层内补偿量△为0.08mm，第二分区模型长度为8mm，故所述1#激光器扫描停止位置－相邻分区的层内补偿量△处为坐标系x的8mm-0.08mm处，2#激光器的扫描距离为8mm-2mm+0.08mm。所述2#激光器返回坐标系的x方向所述1#激光器扫描停止位置－相邻分区的层内补偿量△处，并向坐标系y轴方向移动一个扫描线距离l，为0.08mm，并从该位置沿x轴的方向单向移动扫描，扫描距离为第二分区模型长度－拼接区的宽度L+相邻分区的层内补偿量△。本实施例中，2#激光器的移动扫描距离为8mm-2mm+0.08mm。重复所述2#激光器的移动扫描过程，直至2#激光器沿坐标系y轴完成对该第二分区模型宽度的移动扫描为止，完成第二分区模型的第二层的熔凝成形。
重复上述移动扫描过程，并使重复中的奇数层与第一层的成形过程相同，偶数层与第二层的成形过程相同；通过两个激光器熔化分别处于各分区的锰铜合金球形粉末。
每完成一层粉末的熔凝成形，工作台下降一个铺粉层厚度，以实现逐层铺粉、逐层熔凝成形的过程，完成该样件的成形。该沉积态样件表面3D轮廓图如图5所示，其表面平整，拼接界面处熔合良好，无裂痕出现，无表面起伏现象。说明本实施例能够实现层间、相邻分区间的可靠熔合，成形件的表面质量及尺寸精度得到了保证。
实施例二：
本实施例是采用多光束激光选区熔化装置实施层间梳状拼接成形TC4钛合金样件的方法。
步骤1，材料预处理。
所述的材料预处理包括对基板的清洗，以及粉末的烘干。
选用粒径为15～45μm的TC4球形粉末作为原材料，对该球形粉末在120℃真空条件下烘干，以减少吸潮对粉末成形特性的影响。所述基板为TC4基板，规格为10mm×10mm×14mm，使用前用无水乙醇清洗干净。
本实施例中，所述的钛合金球形粉为TC4球形粉末。
步骤2，建立样件的分区模型。
所述TC4钛合金样件为矩形块状，采用激光选区熔化的方法加工而成。
通过CAD软件建立该样件的三维模型。在建立所述矩形块状样件的三维模型时，将该TC4钛合金样件分为两部分，分别是第一分区模型1与第二分区模型2，并且所述第一分区模型1与第二分区模型2均为块状，一个端面为平面，另一个端面呈梳齿状。拼接时，将其中的第二分区模型翻转180°，将该第二分区模型端面的梳齿逐个插入所述第一分区模型端面的梳齿间隙中，使二者拼接成为完整的矩形样件。在拼接时，需根据原材料成形过程中熔池直径大小设置相邻分区的层内补偿量△，该层内补偿量△为所述第一分区模型1与第二分区模型2接插部位的重叠量。所述层内补偿量△与原材料成形过程中熔池直径大小相同。本实施例中所述层内补偿量△为0.1mm。本实施例中，所述TC4钛合金样件的外形尺寸的长宽高为62mm×10mm×10mm，所述第一分区模型1外形尺寸的长宽高和第二分区模型2外形尺寸的长宽高均为32mm×10mm×10mm，其中梳状拼接区的宽度L＝2mm，梳齿的高度h＝30μm，各相邻的梳齿表面之间的间距d＝30μm。所述梳齿高度与相邻梳齿之间的距离均与铺粉层厚δ相同。
将所述TC4钛合金样件三维模型的数据导入多光束激光选区熔化装置中。
步骤3，设定成形工艺参数。
在确定所述钛合金球形粉末成形工艺参数时，根据该钛合金球形粉末的熔点与粒径确定各成形工艺参数。所述的成形工艺参数包括激光功率、激光扫描速度、激光扫描线距离，以及铺粉层厚度。所确定的激光功率为120～200W，激光扫描速度为600～1200mm/s，激光扫描线距离为0.08～0.2mm，铺粉层厚度为30～60μm。
本实施例中激光功率为200W，扫描速度为1100mm/s，扫描线距离l为0.105mm，铺粉层厚δ为30μm。为避免应力集中，本实施例中需采用90°的扫描线层间偏转角度。
步骤4，建立坐标系。
以所述第一分区模型平面端下表面的任意一个直角处为该坐标系的原点0，以该样件的长度方向作为该坐标系的x方向，以该TC4钛合金样件的高度方向作为该坐标系的z方向，以该TC4钛合金样件的宽度方向作为该坐标系的y方向。
步骤5，安放基板。
将基板固定在多光束激光选区熔化装置加工室的工作台上，设定该基板上表面处于坐标系中z轴的0处。
步骤6，预热基板。
将基板预热至100℃。
步骤7，加工室中充入保护气。
给多光束激光选区熔化装置加工室中充入纯度为99.99％的高纯氩气作为保护气，当工作室中的氧含量低于1000ppm开始工作。
步骤8，成形样件。
按照设定的工艺参数开始成形样件。
本实施例以两个激光器拼接为例，即使用1#激光器成形该TC4钛合金样件的第一分区模型，使用2#激光器拼接成形该TC4钛合金样件的第二分区模型。
拼接成形的具体过程是：
第一步，成形样件的第一层。
通过所述工作台带动基板向z轴的负方向移动一个铺粉层厚δ，本实施例中，铺粉层厚δ为30μm，即工作台带动基板向z轴的负方向移动30μm，使该基板下降30μm。将TC4球形粉末通过刮刀铺覆在所述基板上表面；该TC4球形粉末的铺覆厚度为30μm。所铺覆的TC4球形粉末的上表面位于坐标系的xoy平面。
启动1#激光器成形第一分区模型的第一层。具体是使该1#激光器从坐标系原点开始，沿x轴的方向移动扫描，扫描距离为该第一分区模型长度－拼接区的宽度；本实施例中，该第一分区模型长度为32mm，拼接区的宽度为2mm，故扫描距离为30mm。然后使所述1#激光器返回坐标系原点并向y方向移动一个扫描线距离l，本实施例中，所述扫描线距离l为0.105mm，即所述1#激光器向y方向移动0.105mm。所述1#激光器继续沿x轴方向单向扫描，扫描距离为该第一分区模型长度－拼接区的宽度；本实施例中，扫描距离为30mm。重复所述1#激光器的移动扫描过程，直至1#激光器沿坐标系y轴完成对该第一分区模型宽度的移动扫描为止，完成第一分区模型的第一层的熔凝成形。
启动2#激光器成形第二分区模型的第一层。具体是使该2#激光器移动至所述1#激光器扫描停止位置－相邻分区的层内补偿量△处，并从该位置沿x轴的方向移动扫描；扫描距离为第二分区模型长度+相邻分区的层内补偿量△。本实施例中，所述1#激光器扫描停止位置为坐标系x轴30mm处，所述相邻分区的层内补偿量△为0.1mm，第二分区模型长度为32mm，故2#激光器的扫描距离为32mm+0.1mm。所述2#激光器返回坐标系的x方向所述1#激光器扫描停止位置－相邻分区的层内补偿量△处，并向坐标系y轴方向移动一个扫描线距离l为0.105mm并从该位置沿x轴的方向单向移动扫描，扫描距离为第二分区模型长度+相邻分区的层内补偿量△。本实施例中，2#激光器的移动扫描距离为32mm+0.1mm。重复所述2#激光器的移动扫描过程，直至2#激光器沿坐标系y轴完成对该第二分区模型宽度的移动扫描为止，完成第二分区模型的第一层的熔凝成形。
第二步，成形样件的第二层。
通过所述工作台带动基板向z轴的负方向移动一个铺粉层厚δ，本实施例中，铺粉层厚δ为30μm，故工作台带动基板向z轴的负方向移动30μm，使该基板下降30μm。将TC4球形粉末通过刮刀铺覆在所述熔凝成形后的样件第一层的上表面；该TC4球形粉末的铺覆厚度为30μm。所铺覆的TC4球形粉末的上表面位于坐标系的xoy平面。
启动1#激光器成形第一分区模型的第二层。具体是使该1#激光器从坐标系原点开始，沿y轴的方向移动扫描，移动扫描距离为第一分区的宽度；本实施例中第一分区的宽度为10mm。所述1#激光器返回坐标系原点并向坐标系x轴方向移动一个扫描线距离l，本实施例中，所述扫描线距离l为0.105mm。1#激光器继续沿坐标系y轴方向单向扫描，移动扫描距离为第一分区的宽度。重复所述1#激光器的移动扫描过程，直至1#激光器沿坐标系x轴完成对该第一分区模型长度的移动扫描为止，完成第一分区模型的第二层的熔凝成形。
启动2#激光器成形第二分区模型的第二层。具体是使该2#激光器移动至所述1#激光器扫描停止位置－相邻分区的层内补偿量△处，并从该位置沿y轴的方向移动扫描；扫描距离为第二分区模型宽度。本实施例中，所述1#激光器扫描停止位置为坐标系x轴32mm处，所述相邻分区的层内补偿量△为0.1mm，第二分区模型宽度为10mm，即2#激光器的扫描距离为10mm。所述2#激光器返回坐标系的x方向所述1#激光器扫描停止位置－相邻分区的层内补偿量△处，并向坐标系x轴方向移动一个扫描线距离l，并从该位置沿y轴的方向单向移动扫描，扫描距离为第二分区模型宽度。本实施例中，2#激光器的移动扫描距离为10mm。重复所述2#激光器的移动扫描过程，直至2#激光器沿坐标系x轴完成对该第二分区模型长度－拼接区的宽度的移动扫描为止，完成第二分区模型第二层的熔凝成形。
重复上述移动扫描过程，并使重复中的奇数层与第一层的成形过程相同，偶数层与第二层的成形过程相同；通过两个激光器熔化分别处于各分区的TC4球形粉末。
每完成一层粉末的熔凝成形，工作台下降一个铺粉层厚度，以实现逐层铺粉、逐层熔凝成形的过程，完成该TC4钛合金样件的成形，得到沉积态TC4钛合金样件。
得到的沉积态TC4钛合金样件的照片如图8所示，其表面平整，拼接界面处熔合良好，无裂痕出现，无表面起伏现象。
为验证本实施例的效果，对所得到的沉积态TC4钛合金样件进行拉伸实验。具体是，通过车加工的方式获得棒状拉伸试样。使用INSTRON-3382型万能材料试验机完成室温拉伸实验，试样断裂位置均不在拼接区内，断裂后试样照片如图9所示，抗拉强度1088MPa，延伸率9.46％，说明本实施例能够实现可靠拼接，拼接区域未构成成形件的薄弱环节，成形件的均一性得到了保证。
实施例三：
本实施例是一种采用多光束激光选区熔化装置实施层间梳状拼接的方法。
选用粒径为15～53μm的铝合金球形粉末，以2024铝合金板作为基板。本实施例中，所述铝合金球形粉末为ALSi10Mg球形粉末。
本实施例的成形过程与所述实施例1的成形过程相同。
在确定相邻分区的层内补偿量△时，与原材料成形过程中熔池直径大小相同。本实施例中相邻分区的层内补偿量△为0.15mm。
在确定所述铝合金球形粉末成形工艺参数时，根据该铝合金球形粉末的熔点与粒径确定各成形工艺参数。所述的成形工艺参数包括激光功率、激光扫描速度、激光扫描线距离，以及铺粉层厚度。所确定的激光功率为150～200W，激光扫描速度为600～1000mm/s，激光扫描线距离为0.105～0.2mm，铺粉层厚度为25～50μm。
本实施例中，激光功率为180W，扫描速度为786mm/s，扫描线距离为0.13mm，铺粉层厚为25μm。
实施例四：
本实施例是一种采用多光束激光选区熔化装置实施层间梳状拼接的方法。
本实施例选用粒径为5～25μm的纯钨球形粉末，以TC4板作为基板。
本实施例的成形过程与所述实施例1的成形过程相同。
在确定相邻分区的层内补偿量△时，与原材料成形过程中熔池直径大小相同。本实施例中相邻分区的层内补偿量△为0.1mm。
在确定所述纯钨球形粉末成形工艺参数时，根据该纯钨球形粉末的熔点与粒径确定各成形工艺参数。所述的成形工艺参数包括激光功率、激光扫描速度、激光扫描线距离，以及铺粉层厚度。所确定的激光功率为300～400W，激光扫描速度为800～1200mm/s，激光扫描线距离为0.08～0.105mm，铺粉层厚度为25～50μm。
本实施例中激光功率为400W，扫描速度为1000mm/s，扫描线距离为0.1mm，铺粉层厚为45μm。
实施例五：
本实施例是一种采用多光束激光选区熔化装置实施层间梳状拼接的方法。
选用粒径为15～45μm的高温合金球形粉末，以不锈钢板作为基板。本实施例中，所述高温合金球形粉末为Inconel718球形粉末。
本实施例的成形过程与所述实施例1的成形过程相同。
在确定相邻分区的层内补偿量△时，与原材料成形过程中熔池直径大小相同。本实施例中相邻分区的层内补偿量△为0.085mm。
在确定所述高温合金球形粉末成形工艺参数时，根据该高温合金球形粉末的熔点与粒径确定各成形工艺参数。所述的成形工艺参数包括激光功率、激光扫描速度、激光扫描线距离，以及铺粉层厚度。所确定的激光功率为120～200W，激光扫描速度为200～800mm/s，激光扫描线距离为0.08～0.105mm，铺粉层厚度为30～60μm。
本实施例中激光功率为130W，扫描速度为400mm/s，扫描线距离为0.08mm，铺粉层厚为30μm。
实施例六：
本实施例是一种采用多光束激光选区熔化装置实施层间梳状拼接的方法。
选用粒径为3～40μm的不锈钢球形粉末，以不锈钢板作为基板。本实施例中，所述不锈钢球形粉末为316L不锈钢球形粉末。
本实施例的成形过程与所述实施例的成形过程相同。
在确定相邻分区的层内补偿量△时，与原材料成形过程中熔池直径大小相同。本实施例中相邻分区的层内补偿量△为0.09mm。
在确定所述不锈钢球形粉末成形工艺参数时，根据该不锈钢球形粉末的熔点与粒径确定各成形工艺参数。所述的成形工艺参数包括激光功率、激光扫描速度、激光扫描线距离，以及铺粉层厚度。所确定的激光功率为150～200W，激光扫描速度为800～1100mm/s，激光扫描线距离为0.08～0.105mm，铺粉层厚度为20～50μm。
本实施例中激光功率为200W，扫描速度为600mm/s，扫描线距离为0.095mm，铺粉层厚为50μm。
实施例七：
本实施例是一种采用多光束激光选区熔化装置实施层间梳状拼接的方法。
本实施例选用粒径为35～75μm的Ti-Ni合金粉末，以不锈钢板作为基板。
本实施例的成形过程与所述实施例2的成形过程相同。
在确定相邻分区的层内补偿量△时，与原材料成形过程中熔池直径大小相同。本实施例中相邻分区的层内补偿量△为0.205mm。
在确定所述钛镍合金粉末成形工艺参数时，根据该钛镍合金粉末的熔点与粒径确定各成形工艺参数。所述的成形工艺参数包括激光功率、激光扫描速度、激光扫描线距离，以及铺粉层厚度。所确定的激光功率为90～120W，激光扫描速度为500～1000mm/s，激光扫描线距离为0.205～0.225mm，铺粉层厚度为30～60μm。
本实施例中激光功率为100W，激光扫描速度为616mm/s，激光扫描线距离为0.215mm，铺粉层厚度为40μm。

Claims (8)

1.一种用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法，其特征在于，具体过程是：
步骤1，材料预处理；
步骤2，建立样件的分区模型；
所述样件为矩形块状，采用激光选区熔化的方法加工而成；
通过CAD软件建立该样件的三维模型；在建立该样件的三维模型时，将该样件分为两部分，分别是第一分区模型(1)与第二分区模型(2)，并且所述第一分区模型与第二分区模型均为块状，均一个端面为平面，另一个端面呈梳齿状；拼接时，将其中的第二分区模型翻转180°，将该第二分区模型(2)端面的梳齿逐个插入所述第一分区模型端面的梳齿间隙中，使二者拼接成为完整的矩形样件；在拼接时，需根据原材料成形过程中熔池直径设置相邻分区的层内补偿量Δ，该层内补偿量Δ为所述第一分区模型(1)与第二分区模型(2)接插部位的重叠量；所述层内补偿量Δ与原材料成形过程中熔池的直径相同；将该样件三维模型的数据导入多光束激光选区熔化装置中；
步骤3，设定成形工艺参数；
根据原材料的熔点与粒径确定各成形工艺参数；所述的成形工艺参数包括激光功率、激光扫描速度、激光扫描线距离，以及铺粉层厚度；
步骤4，建立坐标系；
以所述第一分区模型平面端下表面的任意一个直角处为该坐标系的原点0，以该样件的长度方向作为该坐标系的x方向，以该样件的高度方向作为该坐标系的z方向，以该样件的宽度方向作为该坐标系的y方向；
步骤5，安放基板；
将基板固定在多光束激光选区熔化装置加工室的工作台上，设定该基板上表面处于坐标系中z轴的0处；
步骤6，预热基板；
步骤7，加工室中充入保护气；
步骤8，成形样件；
按照设定的工艺参数，通过1#激光器成形该样件的第一分区模型，使用2#激光器拼接成形该样件的第二分区模型；
拼接成形的具体过程是：
第一步，成形样件的第一层；
通过所述工作台带动基板向z轴的负方向移动一个铺粉层厚δ；将原材料的球形粉末通过刮刀铺覆在所述基板上表面；所铺覆的原材料球形粉末的上表面位于坐标系的xoy平面；
启动1#激光器成形第一分区模型的第一层；
启动2#激光器成形第二分区模型的第一层；
第二步，成形样件的第二层；
通过所述工作台带动基板向z轴的负方向移动一个铺粉层厚δ；将原材料球形粉末通过刮刀铺覆在熔凝成形后的样件第一层的上表面；所铺覆的原材料球形粉末的上表面位于坐标系的xoy平面；
启动1#激光器成形第一分区模型的第二层；
启动2#激光器成形第二分区模型的第二层；
重复上述移动扫描过程，并使重复中的奇数层与第一层的成形过程相同，偶数层与第二层的成形过程相同；
每完成一层粉末的熔凝成形，工作台下降一个铺粉层厚度，以实现逐层铺粉、逐层熔凝成形的过程，直至完成该样件的成形。
2.如权利要求1所述用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法，其特征在于，当选用锰铜合金球形粉末作为原材料时，该锰铜合金球形粉末的粒径为17～53μm；当选用钛合金球形粉末作为原材料时，该钛合金球形粉末的粒径为15～45μm；当选用铝合金球形粉末作为原材料时，该铝合金球形粉末的粒径为15～53μm；当选用纯钨球形粉末作为原材料时，该纯钨球形粉末的粒径为5～25μm；当选用高温合金球形粉末作为原材料时，该高温合金球形粉末的粒径为15～45μm；当选用不锈钢球形粉末作为原材料时，该不锈钢球形粉末的粒径为3～40μm；当选用钛镍合金球形粉末作为原材料时，该钛镍合金球形粉末的粒径为35～75μm。
3.如权利要求1所述用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法，其特征在于：当选用锰铜合金球形粉末作为原材料时，相邻分区的层内补偿量Δ为0.08mm；当选用钛合金球形粉末作为原材料时，相邻分区的层内补偿量Δ为0.1mm；当选用铝合金球形粉末作为原材料时，相邻分区的层内补偿量Δ为0.15mm；当选用纯钨球形粉末作为原材料时，相邻分区的层内补偿量Δ为0.1mm；当选用高温合金球形粉末作为原材料时，相邻分区的层内补偿量Δ为0.085mm；当选用不锈钢球形粉末作为原材料时，相邻分区的层内补偿量Δ为0.09mm；当选用钛镍合金球形粉末作为原材料时，相邻分区的层内补偿量Δ为0.205mm。
4.如权利要求1所述用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法，其特征在于：当选用锰铜合金球形粉末作为原材料时，该锰铜合金球形粉末的的激光功率为150～200W，激光扫描速度为800～1200mm/s，激光扫描线距离为0.08～0.105mm，铺粉层厚度为30～60μm；
当选用钛合金球形粉末作为原材料时，该钛合金球形粉末的激光功率为120～200W，激光扫描速度为600～1200mm/s，激光扫描线距离为0.08～0.2mm，铺粉层厚度为30～60μm；
当选用铝合金球形粉末作为原材料时，该铝合金球形粉末的激光功率为150～200W，激光扫描速度为600～1000mm/s，激光扫描线距离为0.105～0.2mm，铺粉层厚度为25～50μm；
当选用纯钨球形粉末作为原材料时，该纯钨球形粉末的激光功率为300～400W，激光扫描速度为800～1200mm/s，激光扫描线距离为0.08～0.105mm，铺粉层厚度为25～50μm；
当选用高温合金球形粉末作为原材料时，该高温合金球形粉末的激光功率为120～200W，激光扫描速度为200～800mm/s，激光扫描线距离为0.08～0.105mm，铺粉层厚度为30～60μm；
当选用不锈钢球形粉末作为原材料时，该不锈钢球形粉末的激光功率为150～200W，激光扫描速度为800～1100mm/s，激光扫描线距离为0.08～0.105mm，铺粉层厚度为20～50μm；
当选用钛镍合金球形粉末作为原材料时，该钛镍合金粉末的激光功率为90～120W，激光扫描速度为500～1000mm/s，激光扫描线距离为0.115～0.225mm，铺粉层厚度为30～60μm。
5.如权利要求1所述用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法，其特征在于，所述启动1#激光器成形第一分区模型的第一层的具体过程是，使该1#激光器从坐标系原点开始，沿x轴的方向移动扫描，扫描距离为该第一分区模型长度－拼接区的宽度；然后使所述1#激光器返回坐标系原点并向y方向移动一个扫描线距离l；所述1#激光器继续沿x轴方向单向扫描，扫描距离为该第一分区模型长度－拼接区的宽度；重复所述1#激光器的移动扫描过程，直至1#激光器沿坐标系y轴完成对该第一分区模型宽度的移动扫描为止，完成第一分区模型的第一层的熔凝成形。
6.如权利要求1所述用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法，其特征在于，所述启动2#激光器成形第二分区模型的第一层的具体过程是，使该2#激光器移动至所述1#激光器扫描停止位置－相邻分区的层内补偿量Δ处，并从该位置沿x轴的方向移动扫描；扫描距离为第二分区模型长度+相邻分区的层内补偿量Δ；所述2#激光器返回坐标系的x方向所述1#激光器扫描停止位置－相邻分区的层内补偿量Δ处，并向坐标系y轴方向移动一个扫描线距离l，并从该位置沿x轴的方向单向移动扫描，扫描距离为第二分区模型长度+相邻分区的层内补偿量Δ；重复所述2#激光器的移动扫描过程，直至2#激光器沿坐标系y轴完成对该第二分区模型宽度的移动扫描为止，完成第二分区模型的第一层的熔凝成形。
7.如权利要求1所述用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法，其特征在于，所述启动1#激光器成形第一分区模型的第二层的具体过程是，使该1#激光器从坐标系原点开始，沿x轴的方向移动扫描，扫描距离为该第一分区模型长度；使所述1#激光器返回坐标系原点并向y方向移动一个扫描线距离l；所述1#激光器继续沿x轴方向单向扫描，扫描距离为该第一分区模型长度；重复所述1#激光器的移动扫描过程，直至1#激光器沿坐标系y轴完成对该第一分区模型宽度的移动扫描为止，完成第一分区模型的第二层的熔凝成形。
8.如权利要求1所述用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法，其特征在于，所述启动2#激光器成形第二分区模型的第二层的具体过程是，使该2#激光器移动至所述1#激光器扫描停止位置－相邻分区的层内补偿量Δ处，并从该位置沿x轴的方向移动扫描；扫描距离为第二分区模型长度－拼接区的宽度L+相邻分区的层内补偿量Δ；所述2#激光器返回坐标系的x方向所述1#激光器扫描停止位置－相邻分区的层内补偿量Δ处，并向坐标系y轴方向移动一个扫描线距离l，并从该位置沿x轴的方向单向移动扫描，扫描距离为第二分区模型长度－拼接区的宽度L+相邻分区的层内补偿量Δ；重复所述2#激光器的移动扫描过程，直至2#激光器沿坐标系y轴完成对该第二分区模型宽度的移动扫描为止，完成第二分区模型的第二层的熔凝成形。
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