CN109465445B - 一种基于铝基复合材料的弱化3d打印件残余应力的方法 - Google Patents

一种基于铝基复合材料的弱化3d打印件残余应力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于铝基复合材料的弱化3D打印件残余应力的方法，主要包括离散预约束点扫描、分区岛状去热应力整体扫描、零件切面轮廓勾边扫描的步骤。本发明利用均匀分布的离散点极大程度上降低了应力水平，同时使得应力的分布更加均匀合理，显著降低了在零件和基板结合处的应力集中现象，从而消除了在激光3D打印铝基材料中极易出现的翘曲和变形现象，大大降低零件的报废率。本发明通过扫描方法的改进实现弱化成形过程中构件翘曲开裂现象，保证最终成形零件残余内应力水平极低且分布更加合理，尺寸精度、表面质量、机械性能和疲劳性能显著提升。

Description

一种基于铝基复合材料的弱化3D打印件残余应力的方法
技术领域
本发明属于金属加工的技术领域，具体涉及一种基于铝基复合材料的弱化3D打印件残余应力的方法。
背景技术
基于金属粉末床技术的3D打印技术因其能最大限度地不受零件复杂形状限制，能高效且低成本地制备出精度极高的复杂金属功能整体零件。3D打印金属构件的翘曲和开裂现象始终是SLM工艺的一个难题，这是由于激光3D打印熔化金属粉末过程中的成形特性导致的，由于移动的激光点热源对粉床的不均衡加热，形成大的温度梯度，导致材料体系收缩的不一致，因此在3D打印金属零件中往往存在着较大的残余内应力。这种残余内应力不仅会降低零件的机械性能和疲劳寿命，甚至可能引起翘曲和开裂现象，进而导致零件报废。此外，残余应力对零件服役行为存在显著影响，还可能会影响材料的尺寸精度、诱发应力腐蚀。
特别的，沿着激光扫描方向，最大应力位置总是出现在成形道末端，表现为显著的应力累积作用。随着激光扫描熔化道冷却至室温，成形道表面主要呈现残余拉应力状态，且成形道中部位置的残余应力要明显高于起始位置的残余应力。考虑到成形道起始位置的冷却速率比中间部分快，中间部分材料在最后的冷却过程中受到起始位置材料明显的拉伸约束作用。因此，在成形道和基板的界面结合处出现应力集中现象，导致该处极易发生翘曲变形甚至开裂。
影响激光3D打印金属材料残余应力的主要因素包括：(1)材料物性。材料物性是影响激光3D打印金属材料残余应力的主要影响因素，特别是材料的屈服强度、硬化率等物性参数。(2)激光扫描策略。在激光增材制造金属材料过程中，激光多层多道扫描熔化粉末床，粉床逐层凝固堆积形成最终成形件。激光的扫描策略包括对成形面的扫描顺序和扫描方式，这对于最终成形件的内应力水平和分布情况有着至关重要的影响。
现有的激光3D打印金属粉末多是合金粉末，在成形过程中组织易形成粗大的柱状晶，因此容易沿晶界开裂产生裂纹并且造成较大的残余内应力；此外，现有的激光扫描策略多为单一的“S型正交”策略和“轮廓型”策略，这种扫描策略容易造成激光增材制造过程中的热量累积，造成较大的残余应力，严重时会导致翘曲和开裂现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于铝基复合材料的弱化3D打印件残余应力的方法，本发明通过扫描方法的改进实现弱化成形过程中构件翘曲开裂现象，保证最终成形零件残余内应力水平极低且分布更加合理，尺寸精度、表面质量、机械性能和疲劳性能显著提升。
本发明主要通过以下技术方案实现：一种基于铝基复合材料的弱化3D打印件残余应力的方法，主要包括以下步骤：
步骤S100：离散预约束点扫描：在成形面预先成形若干离散点；预扫描离散点使熔化凝固并与成形部分牢固结合形成钉扎点；
步骤S200：分区岛状去热应力整体扫描：对于平面内离散点外的区域采用分区岛状扫描，单个扫描区域内激光扫描矢量数为N、扫描间距为l，则其单个分区的边长为
Figure GDA0002658646390000021
步骤S300：零件切面轮廓勾边扫描：设定光斑补偿R值，在分区扫描完成后在轮廓处再扫描一周，弥补材料收缩造成的精度误差；以零件切面最外侧轮廓线为基准，勾边扫描线应向内侧偏移△S＝D/2的距离，其中D为激光光斑直径。
为了更好的实现本发明，进一步的，所述步骤S100中在平面内预先扫描若干个直径为Φ的圆点，所述圆点在成形面内均匀离散分布，且相邻的圆点之间的圆心距离为d。
为了更好的实现本发明，进一步的，所述步骤S200中将整个平面分成若干个区域的组合，在激光扫描过程中优化各个区域的先后扫描顺序。
为了更好的实现本发明，进一步的，所述步骤S200中l＝0.06mm，N＝100，L＝4.243mm。
为了更好的实现本发明，进一步的，采用铝基复合材料进行3D打印，所述铝基复合材料主要包括质量比为80:20的AlSi10Mg粉末和SiC粉末；所述AlSi10Mg粉末的纯度≥99.7％，SiC粉末的纯度≥99.5％；采用高能球磨法将AlSi10Mg粉末和SiC粉末混合。
在激光3D专用新型纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料粉末与激光的作用过程中，加入的陶瓷颗粒会与基体发生原位热焓释放反应：
4Al+4SiC→Al4SiC4+3Si；进而生成纳米SiC陶瓷颗粒增强和Al4SiC4相复合增强铝基复合材料，形成的纳米SiC陶瓷颗粒相会作为异质形核点显著提高熔池凝固中液相的结晶形核率，进而细化晶粒形成细晶强化，而纳米SiC陶瓷颗粒和Al4SiC4相在凝固结束后弥散分布在基体AlSi10Mg中，形成弥散强化。在细晶强化和弥散强化的复合强化作用下，材料的屈服强度和塑性显著提高，为降低激光3D打印铝基零件残余内应力水平提供材料基础。
本发明将陶瓷颗粒SiC引入激光3D打印铝基金属的制造中，利用球磨方法制备出激光3D打印专用纳米颗粒增强铝基复合材料粉末。这种方法相对于传统的强化方法，不仅绿色、环保、经济，其成形效果也相较于传统的铝合金增材制造有显著提升。本发明利用铝合金和陶瓷颗粒相SiC的原位热焓释放反应来完成对原始基体的增强，这极大程度上降低了能源的损耗，降低了加工成本，在一定程度上省去了繁琐的后处理过程。
为了更好的实现本发明，进一步的，所述高能球磨法的工艺参数为：采用Ar气保护气氛，球磨20min，空冷10min的间歇式球磨方法，球料比为1:1，转速为r＝350r/min，球磨时间为t＝4h。
本发明利用球磨制备的原位陶瓷颗粒相对基体材料实现强化，生成的SiC颗粒不仅可以作为基体凝固形核的异质形核点，大大降低结晶形核功，从而显著提升凝固过程中的形核率，使得最终的组织为细化的等轴晶，实现细晶强化，同时SiC颗粒和Al4SiC4相弥散分布在基体中的纳米颗粒还可以作为位错的钉扎点，形成第二相弥散强化，使最终成形零件的强度和韧性协同提升。
对于给定的激光扫描面，本方法将激光扫描分为三个步骤：
(1)离散预约束点扫描。在平面内预先扫描若干个直径为Φ的圆点，圆点在平面内均匀离散分布，其相邻圆点之间圆心距离为d。其目的是在当前成形面预先成形一些离散点，这些预扫描的离散点首先熔化凝固与已成形部分牢固结合形成“钉扎点”，这些离散点在后续加工过程中起到钉扎形变的作用，逐层降低内应力水平，调控内应力分布状态，消除最终零件的翘曲和变形现象。
(2)分区岛状去热应力整体扫描。对于平面内圆点外的其他区域，采用分区岛状扫描。其中单个扫描区域内激光扫描矢量数为N，扫描间距为l，其特征是将整个平面分成若干个区域的组合，在激光扫描时优化各分区的先后扫描顺序，最大程度上降低热量的累积效应，降低因热量输入过多造成的热应力，从而降低最终成形件的整体内应力水平。
(3)零件切面轮廓勾边扫描。特征是设定合适的光斑补偿R值，在分区扫描完成后在轮廓处再扫描一周，其目的是弥补材料收缩造成的精度误差，提高最终成形件的成形精度和表面质量。
本发明提出了一种创新的离散预约束激光扫描策略，在保证加工效率的同时，利用均匀分布的离散点极大程度上降低了应力水平，同时使得应力的分布更加均匀合理，显著降低了在零件和基板结合处的应力集中现象，从而消除了在激光3D打印铝基材料中极易出现的翘曲和变形现象，大大降低零件的报废率。本发明将分区岛状扫描策略和轮廓勾边策略相结合，在最大限度上降低了最终成型的激光3D打印铝基零件的内应力水平，同时保证了零件的尺寸精度和表面质量，零件表面具有良好的金属光泽，使零件的实用性和适用性显著提升。本发明可以在降低加工成本，保证加工效率的前提下，有效提升3D打印铝基零件的机械性能和疲劳寿命，提高零件的服役性能。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过扫描方法的改进实现弱化成形过程中构件翘曲开裂现象，保证最终成形零件残余内应力水平极低且分布更加合理，尺寸精度、表面质量、机械性能和疲劳性能显著提升。
(2)步骤S100：离散预约束点扫描：在成形面预先成形若干离散点；预扫描离散点使熔化凝固并与成形部分牢固结合形成钉扎点。本发明利用均匀分布的离散点极大程度上降低了应力水平，同时使得应力的分布更加均匀合理，显著降低了在零件和基板结合处的应力集中现象，从而消除了在激光3D打印铝基材料中极易出现的翘曲和变形现象，大大降低零件的报废率。
(3)本发明将分区岛状扫描策略和轮廓勾边策略相结合，在最大限度上降低了最终成型的激光3D打印铝基零件的内应力水平，同时保证了零件的尺寸精度和表面质量，零件表面具有良好的金属光泽，使零件的实用性和适用性显著提升。本发明可以在降低加工成本，保证加工效率的前提下，有效提升3D打印铝基零件的机械性能和疲劳寿命，提高零件的服役性能。
(4)所述步骤S200中l＝0.06mm，N＝100，L＝4.243mm。本发明通过数值模拟仿真技术获得该优化参数；热应力维持在较低水平且分布较合理，产品性能较好。
(5)所述铝基复合材料为纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料粉末，在激光打印过程中纳米陶瓷颗粒相会作为异质形核点显著提高凝固结晶形核率，进而细化晶粒形成细晶强化，为消除构件残余内应力提供材料基础，具有较好的实用性。
附图说明
图1为铝基复合材料粉末的扫描图；
图2为离散预约束扫描方法示意图；
图3为离散预约束扫描方法中钉扎结构示意图；
图4为零件残余应力的分布图；
图5为传统扫描方法制备的零件实体结构示意图；
图6为本发明制备的零件实体结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
一种基于铝基复合材料的弱化3D打印件残余应力的方法，主要包括以下步骤：
步骤S100：离散预约束点扫描：如图3所示，在成形面预先成形若干离散点，预扫描离散点使熔化凝固并与成形部分牢固结合形成钉扎点；
步骤S200：分区岛状去热应力整体扫描：如图2所示，对于平面内离散点外的区域采用分区岛状扫描，单个扫描区域内激光扫描矢量数为N、扫描间距为l，则其单个分区的边长为
Figure GDA0002658646390000051
步骤S300：零件切面轮廓勾边扫描：设定光斑补偿R值，在分区扫描完成后在轮廓处再扫描一周，弥补材料收缩造成的精度误差；以零件切面最外侧轮廓线为基准，勾边扫描线应向内侧偏移△S＝D/2的距离，其中D为激光光斑直径。
如图3所示，本发明利用均匀分布的离散点极大程度上降低了应力水平，同时使得应力的分布更加均匀合理，显著降低了在零件和基板结合处的应力集中现象，从而消除了在激光3D打印铝基材料中极易出现的翘曲和变形现象，大大降低零件的报废率。
如图2所示，本发明将分区岛状扫描策略和轮廓勾边策略相结合，在最大限度上降低了最终成型的激光3D打印铝基零件的内应力水平，同时保证了零件的尺寸精度和表面质量，零件表面具有良好的金属光泽，使零件的实用性和适用性显著提升。本发明可以在降低加工成本，保证加工效率的前提下，有效提升3D打印铝基零件的机械性能和疲劳寿命，提高零件的服役性能。
本发明通过扫描方法的改进实现弱化成形过程中构件翘曲开裂现象，保证最终成形零件残余内应力水平极低且分布更加合理，尺寸精度、表面质量、机械性能和疲劳性能显著提升。
实施例2：
本实施例是在实施例1的基础上进行优化，所述步骤S100中在平面内预先扫描若干个直径为Φ的圆点，所述圆点在成形面内均匀离散分布，且相邻的圆点之间的圆心距离为d。所述步骤S200中将整个平面分成若干个区域，在激光扫描过程中优化各个区域的先后扫描顺序。如图2所示，具体的激光扫描路径如图2所示。
本发明提出了一种创新的离散预约束激光扫描策略，在保证加工效率的同时，利用均匀分布的离散点极大程度上降低了应力水平，同时使得应力的分布更加均匀合理，显著降低了在零件和基板结合处的应力集中现象，从而消除了在激光3D打印铝基材料中极易出现的翘曲和变形现象，大大降低零件的报废率。本发明将分区岛状扫描策略和轮廓勾边策略相结合，在最大限度上降低了最终成型的激光3D打印铝基零件的内应力水平，同时保证了零件的尺寸精度和表面质量，零件表面具有良好的金属光泽，使零件的实用性和适用性显著提升。本发明可以在降低加工成本，保证加工效率的前提下，有效提升3D打印铝基零件的机械性能和疲劳寿命，提高零件的服役性能。
本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例是在实施例2的基础上进行优化，改变分区边长，会对热应力的大小和分布产生重要影响。所述步骤S200中l＝0.06mm，N＝100，L＝4.243mm。如图4所示，图4(a)、图4(b)分别为优化前后加工获得零件残余应力分布，优化后构件残余应力水平明显下降，应力分布更加均匀合理。如图5、图6所示，优化后零件翘曲和开裂现象基本消除。本发明通过数值模拟仿真技术获得该优化参数；热应力维持在较低水平且分布较合理，产品性能较好，具有较好的实用性。
本实施例的其他部分与上述实施例2相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例是在实施例1-3任一项的基础上进行优化，采用铝基复合材料进行3D打印，如图1所示，所述铝基复合材料为纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料粉末；所述纳米陶瓷颗粒增强铝基金属复合材料的制备原料包括纳米级陶瓷粉末和微米级铝合金粉末，通过球磨方法将两种粉末机械混合，获得激光3D打印专用纳米颗粒增强金属基粉末。所述铝基复合材料主要包括质量比为80:20的AlSi10Mg粉末和SiC粉末；所述AlSi10Mg粉末的纯度≥99.7％，SiC粉末的纯度≥99.5％；采用高能球磨法将AlSi10Mg粉末和SiC粉末混合。所述高能球磨法的工艺参数为：采用Ar气保护气氛，球磨20min，空冷10min的间歇式球磨方法，球料比为1:1，转速为r＝350r/min，球磨时间为t＝4h。
所述铝基复合材料为纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料粉末，在激光打印过程中纳米陶瓷颗粒相会作为异质形核点显著提高凝固结晶形核率，进而细化晶粒形成细晶强化，为消除构件残余内应力提供材料基础，具有较好的实用性。
本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一个相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于铝基复合材料的弱化3D打印件残余应力的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
步骤S100：离散预约束点扫描：在成形面预先成形若干离散点；预扫描离散点使熔化凝固并与成形部分牢固结合形成钉扎点；
步骤S200：分区岛状去热应力整体扫描：对于平面内离散点外的区域采用分区岛状扫描，单个扫描区域内激光扫描矢量数为N、扫描间距为l，则其单个分区的边长为
Figure FDA0002677785040000011
步骤S300：零件切面轮廓勾边扫描：设定光斑补偿R值，在分区扫描完成后在轮廓处再扫描一周，弥补材料收缩造成的精度误差；以零件切面最外侧轮廓线为基准，勾边扫描线应向内侧偏移△S＝D/2的距离，其中D为激光光斑直径。
2.根据权利要求1所述的一种基于铝基复合材料的弱化3D打印件残余应力的方法，其特征在于，所述步骤S100中在平面内预先扫描若干个直径为Φ的圆点，所述圆点在成形面内均匀离散分布，且相邻的圆点之间的圆心距离为d。
3.根据权利要求2所述的一种基于铝基复合材料的弱化3D打印件残余应力的方法，其特征在于，所述步骤S200中将整个平面分成若干个区域，在激光扫描过程中优化各个区域的先后扫描顺序。
4.根据权利要求1所述的一种基于铝基复合材料的弱化3D打印件残余应力的方法，其特征在于，采用铝基复合材料进行3D打印，所述铝基复合材料主要包括质量比为80:20的AlSi10Mg粉末和SiC粉末；所述AlSi10Mg粉末的纯度≥99.7％，SiC粉末的纯度≥99.5％；采用高能球磨法将AlSi10Mg粉末和SiC粉末混合。
5.根据权利要求4所述的一种基于铝基复合材料的弱化3D打印件残余应力的方法，其特征在于，所述高能球磨法的工艺参数为：采用Ar气保护气氛，球磨20min，空冷10min的间歇式球磨方法，球料比为1:1，转速为r＝350r/min，球磨时间为t＝4h。
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