CN109175361B - 一种同步热处理的增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造技术领域，并具体公开了一种同步热处理的增材制造方法，其包括如下步骤：S1铺设粉末，激光按预设的扫描路径对粉末进行扫描，完成当前层的激光扫描加工；S2间隔一定时间后，以低功率激光对加工完成的当前层重新进行加热；S3重复步骤S1和S2，完成所有层的激光扫描加工，获得所需的致密零件。本发明降低了成形时材料冷却速度，增加熔池存在时间，减少了裂纹和孔洞的形成，可用于金属及金属陶瓷复合材料的激光增材制造。

Description

一种同步热处理的增材制造方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种同步热处理的增材制造方法。

背景技术

金属/金属陶瓷已广泛应用于航空航天领域，其传统制备工艺复杂，且制造周期较长。激光增材制造技术作为一种快速成形加工方法，现已应用于各类领域，能实现复杂零件的短周期快速成形。在激光增材制造过程中，由于冷却速度极快，在成形零件内部产生很大的温度梯度和内应力，造成零件翘曲变形甚至开裂，使得加工过程失败。此外，熔池存在时间短，金属溶液的流动性不足，难以实现致密的成形。

国内外对此进行了大量的研究，常用的方法主要有两种，一种是预热，通过预热来降低制造过程中的温度梯度，从而降低零件成形过程中的内应力，该方法十分有效，但是设备复杂。例如专利CN106623919A公开的一种用于激光选区熔化设备粉末预热装置及其预热方法，其通过预热粉体来达到成形过程中预热和缓冷的作用，但实际加工过程中，从铺粉到加工，间隔时间较长，粉末易冷却，减弱了预热效果；专利CN106799493A公开的一种用于激光选区熔化送粉的粉末预热装置及应用，其同样是对粉末进行预热。另一种是采用合适的扫描策略，如采用短线段扫描等方式，使温度场均匀，达到减少内应力的目的，该方法对软件和计算机的要求较高，且对前期工艺研究的要求较高，至今没有统一定论。例如专利CN105598488B公开的一种金属材料激光3D打印原位预热温度的控制方法，通过控制金属材料3D打印过程中的边界条件、激光功率、激光扫描速度、激光光斑大小、激光开光间歇时间，实现金属材料的激光成形过程中的原位预热，但是其预热范围很小，预热效果较小，且对阈值的计算非常复杂，阈值难以确定。此外，在激光选区熔化成形过程中，常用的表面重熔是为了提高成形致密度和表面质量，所用的能量较高，如刘睿诚在论文“激光选区熔化成形零件表面粗糙度研究及在免组装机构中的应用”中提到，采用表面重熔提高表面质量，同样卢建斌在论文“个性化精密金属零件选区激光熔化直接成型设计优化及工艺研究”也提出用激光重熔，可提高成形实体致密度。激光重熔所使用的工艺与实体工艺相近，对实体进行了重新熔化，效率较低，能量损耗大，且重熔会增大实体中陶瓷相或合金元素的烧损。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种同步热处理的增材制造方法，其通过在成形完一层实体后，以低能量密度激光对成形实体进行后热处理，降低了成形时材料的冷却速度，增加熔池存在时间，减少了裂纹和孔洞的形成，可用于金属及金属陶瓷复合材料的激光增材制造。

为实现上述目的，本发明提出了一种同步热处理的增材制造方法，其包括如下步骤：

S1铺设粉末，激光按预设的扫描路径对粉末进行扫描，完成当前层的激光扫描加工；

S2间隔一定时间后，以低功率激光对加工完成的当前层重新进行加热；

S3重复步骤S1和S2，完成所有层的激光扫描加工，获得所需的致密零件。

作为进一步优选的，步骤S1中激光的能量密度高于步骤S2中激光的能量密度。

作为进一步优选的，步骤S1中激光功率为200W-5000W，扫描速度为200mm/s-5000mm/s，扫描间距为0.05mm-0.14mm。

作为进一步优选的，粉末铺设厚度优选为10μm-60μm，进一步优选为40μm。

作为进一步优选的，步骤S2中激光的功率为20W-1000W，扫描速度为50mm/s-3000mm/s，扫描间距为0.05mm-0.14mm。

作为进一步优选的，步骤S2中间隔的时间为0-1s。

作为进一步优选的，步骤S1中激光功率与扫描速度的比值高于步骤S2中激光功率与扫描速度的比值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过在每层实体成形后进行同步激光后热处理，以使成形过程中冷却速度减慢，保证液相金属流动的时间足够，减少孔洞的产生，降低应力，同时该后热处理也可以对后一层粉体进行预热，进一步保证产品的性能。

2.本发明通过使用于扫描成形的激光能量密度高于后热处理的激光能量密度，以此在不重新熔化实体的情况下，以低能量密度对实体进行后热处理，降低冷却速度。

3.本发明还对激光扫描成形工艺进行了研究与设计，使得激光功率为200W-5000W，扫描速度为200mm/s-5000mm/s，扫描间距为0.05mm-0.14mm，铺粉层厚为10-60μm，以此保证良好的成形精度和质量。

4.本发明还对激光后热处理工艺进行了研究与设计，使得激光功率为20W-1000W，扫描速度为50mm/s-3000mm/s，扫描间距为0.05mm-0.14mm，以此在减少实体重熔的前提下，起到后热和预热的作用，降低冷却速度，获得应力小且致密的零件。

5.本发明还通过对激光扫描成形工艺与激光后热处理工艺的综合考虑与配合，使得激光扫描成形的激光功率与扫描速度的比值高于激光后热处理的激光功率与扫描速度的比值，进而保证激光扫描成形的激光能量密度高于激光后热处理的激光能量密度，以此保证粉末在激光扫描成形时能充分熔化，在后热处理时降低冷却速度，不重新熔化实体，保证实体凝固后成形为致密实体。

附图说明

图1(a)-(d)是本发明实施例提供的一种同步热处理的增材制造方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1(a)-(d)是本发明实施例提供的一种同步热处理的增材制造方法的流程图，该方法包括如下步骤：

S1铺设待成形零件的材料粉末，铺设时间为t2，激光以一定能量密度按预设的扫描路径对粉末熔化烧实，完成第一层实体的加工，如图1(a)所示，由于成形过程中有较大的温度梯度和内应力，会造成实体有微小的应力变形，甚至开裂；

S2间隔时间t1后，如图1(b)所示，以低激光功率密度对实体层重新加热，起到后热的作用，降低了SLM成形金属陶瓷材料时的冷却速度和提高熔池存在时间，减少了变形和开裂以及孔洞形成倾向，激光扫描的路径与步骤S1中的扫描路径相同；

S3重复步骤S1和S2，完成所有层的激光扫描加工，获得所需的致密零件，即在重新加热的第一层上铺粉，然后继续进行激光扫描加工，以成形第二层，如图1(c)所示，接着再重新加热第二层，继续铺粉-激光扫描，直至完成所有层的成形，最终获得边缘无开裂，且形状质量完好的致密零件，如图1(d)所示

对于步骤S1而言，根据待成形零件的三维形状和尺寸建立零件CAD模型，使用分层切片软件对CAD模型进行分层切片离散化处理，获得各层激光扫描路径。粉末可以是金属粉末或金属与陶瓷粉末的混合体，例如AlSi₁₀Mg粉末、Al₂O₃-AlSi₁₀Mg复合粉末等，第一层粉末具体铺设在基底上，该基底安装在三维移动平台上，可在三维移动平台的带动下进行三维运动，下一层粉末铺设在上一层粉末上，即第二层铺设在第一层上，第三层铺设在第二层上，以此类推，每层粉末铺设的厚度相同。激光功率为200W-5000W，扫描速度优选为200mm/s-5000mm/s，扫描间距优选为0.05mm-0.14mm，由此获得成型精度良好的致密实体。

对于每层的铺粉厚度而言，经过研究发现该铺粉厚度直接影响最终制备的产品的性能，当厚度过厚时，后热处理难以保证实体的有效后热，冷却速度降低效果不明显，而厚度过薄时，大大影响加工效率，发明人不断的研究与探索，获得了最佳厚度工艺，使铺粉厚度为10μm-60μm，尤其为40μm，并搭配本发明研究设计的激光扫描成形工艺及激光后热处理工艺，以制备获得应力小且致密达到99.9％以上的零件。

对于步骤S2而言，间隔时间t1为0-1s，以此起到减缓冷却速度的目的，间隔时间的选择与材料性质有关，材料中具有易挥发元素，应适当增大间隔时间，防止温度过高。激光功率优选为20W-1000W，扫描速度为50mm/s-3000mm/s，扫描间距优选为0.05mm-0.14mm，以此获得低能量密度的激光束。其中，步骤S1的激光能量密度高于步骤S2的激光能量密度，由此以高能量熔化成形实体，低能量进行热处理，激光能量密度ρ＝常数k×功率P/扫描速度v，常数k为与扫描间距、铺粉厚度有关的数，当k一定时，使步骤S1中激光功率与扫描速度的比值高于步骤S2中激光功率与扫描速度的比值，以保证步骤S1的激光能量密度高于步骤S2的激光能量密度。

以下为本发明的具体实施例：

实施例1

本实施例以成形AlSi10Mg/Al₂O₃复合材料为例进行说明，其包括如下步骤：

S1铺设厚度为20μm的AlSi₁₀Mg/Al₂O₃复合粉末，铺粉时间为10s，以200W激光功率、200mm/s扫描速度、0.12mm扫描间距对粉末进行熔化成形，完成一层的扫描加工，由于成形过程中有较大的温度梯度和内应力，会造成实体有微小的应力变形，甚至边缘开裂；

S2间隔1s后，以100W激光功率、1200mm/s扫描速度、0.12mm扫描间距对完成的层进行重新加热，起到后热的作用，以降低SLM成形金属陶瓷材料时的冷却速度，但不熔化已成形的层；

S3重复步骤S1和S2，最终成形实体边缘不至于因应力而开裂，获得形状质量完好的致密零件，致密度达到99.9％以上。

实施例2

本实施例以成形AlSi10Mg/SiC材料为例进行说明，其包括如下步骤：

S1铺设厚度为40μm的AlSi10Mg/SiC复合粉末，铺粉时间为5s，以2000W激光功率、3000mm/s扫描速度、0.08mm扫描间距对粉末进行熔化成形，完成一层的扫描加工，由于成形过程中有较大的温度梯度和内应力，会造成实体有微小的应力变形，甚至边缘开裂；

S2间隔0.2s后，以200W激光功率、2000mm/s扫描速度、0.12mm扫描间距对完成的层进行重新加热，起到后热的作用，降低SLM成形金属陶瓷材料时的冷却速度，但不熔化已成形的层；

S3重复步骤S1和S2，最终成形实体边缘不至于因应力而开裂，获得形状质量完好的致密零件，致密度达到99.9％以上。

实施例3

本实施例以成形IN718高温合金材料为例进行说明，其包括如下步骤：

S1铺设厚度为30μm的金属粉末，铺粉时间为8s，以390W激光功率、1000mm/s扫描速度、0.1mm扫描间距对粉末进行熔化成形，完成一层的扫描加工，由于成形过程中有较大的温度梯度和内应力，会造成实体有微小的应力变形，甚至边缘开裂；

S2：间隔0.5s后，以100W激光功率、3000mm/s扫描速度、0.1mm扫描间距对完成的层进行重新加热，起到后热的作用，但不熔化已成形的层；

S3重复步骤S1和S2，最终成形实体边缘无开裂，形状质量完好的致密零件，致密度达到99.9％以上。

实施例4

本实施例以成形Al-Cu-Mg材料为例进行说明，其包括如下步骤：

S1铺设厚度为10μm的金属粉末，铺粉时间为8s，以200W激光功率、200mm/s扫描速度、0.1mm扫描间距对粉末进行熔化成形，完成一层的扫描加工，由于成形过程中有较大的温度梯度和内应力，会造成实体有凝固裂纹；

S2：间隔0.5s后，以100W激光功率、2000mm/s扫描速度、0.1mm扫描间距对完成的层进行重新加热，起到后热的作用，但不熔化已成形的层；

S3重复步骤S1和S2，最终成形实体边缘无开裂，形状质量完好的无裂纹的全致密零件。

本发明通过在成形完一层实体，间隔一定时间后，以低能量密度对成形实体表面进行后热处理，同时也可对下一层粉体进行预热，降低了SLM成形金属/金属陶瓷复合材料时冷却速度过快产生的热应力，并可增加熔池存在时间，减少了裂纹和孔洞的形成，实现无缺陷的SLM快速成形金属/金属陶瓷复合材料。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种同步热处理的增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1铺设30μm-60μm厚度的粉末，激光按预设的扫描路径对粉末进行扫描，完成当前层的激光扫描加工，激光功率为200W-5000W，扫描速度为200mm/s-5000mm/s，扫描间距为0.05mm-0.14mm；

S2间隔一定时间后，以低功率激光对加工完成的当前层重新进行加热，以降低冷却速度，增加熔池存在时间，并对后一层粉体进行预热，激光的功率为20W-1000W，扫描速度为50mm/s-3000mm/s，扫描间距为0.05mm-0.14mm；

S3重复步骤S1和S2，完成所有层的激光扫描加工，获得致密度达99.9%以上的致密零件。

2.如权利要求1所述的同步热处理的增材制造方法，其特征在于，步骤S1中激光的能量密度高于步骤S2中激光的能量密度。

3.如权利要求1所述的同步热处理的增材制造方法，其特征在于，粉末铺设厚度为40μm。

4.如权利要求1所述的同步热处理的增材制造方法，其特征在于，步骤S2中间隔的时间为0-1s。