CN109759590B

CN109759590B - 一种高效激光3D打印Fe基非晶构件的工艺

Info

Publication number: CN109759590B
Application number: CN201910240910.XA
Authority: CN
Inventors: 陈庆军; 谢飞; 高霁雯
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: CN109759590A

Abstract

本发明公开了一种高效激光3D打印Fe基非晶构件的工艺，属于合金的增材制造技术领域，包括以下步骤：将粒径为20μm~200μm的一种晶体粉末，在激光功率500 W~1000 W，扫描速度600 mm/min~3000 mm/min，激光光斑直径2 mm~4 mm，打印厚度2 mm~50 mm，打印环境含氧量低于10 ppm的条件下，利用同轴送粉激光3D打印的方法打印出晶体构件；待晶体构件冷却30 min~120 min，将粒径为20μm~200μm的一种Fe基非晶粉末，在激光功率800 W~1500 W，扫描速度为600 mm/min~3000 mm/min，打印层厚度0.3 mm~2 mm的参数下，在打印好的晶体表面打印Fe基非晶，最后得到Fe基非晶构件。本发明克服了非晶成型形状简单，非晶构件生产效率低和有裂纹的缺点，解决了非晶粉末价格高昂的问题。

Description

一种高效激光3D打印Fe基非晶构件的工艺

技术领域

本发明属于合金的增材制造技术领域，具体为一种高效激光3D打印Fe基非晶构件的工艺。

背景技术

非晶合金与传统的晶体材料相比在原子排列上具有长程无序短程有序的特征，正是这种独特的结构使得非晶合金不像晶体材料那样具有晶界、位错等组织缺陷。非晶合金的这种特殊结构使其具有比常规晶体材料更为优异的力学性能、耐腐蚀性能、磁学性能、导热性能、导电性能等物理和化学性质。这些优异的性能使非晶合金在很多领域具有广泛的应用前景。例如在航空领域用非晶材料做发动机叶片、在航海上利用非晶优异的耐腐蚀性能在船舶的表面涂上一层非晶、在医学领域利用非晶与人体的生物相容性用做人体骨骼、在电子产品、机器人、精密仪表、汽车、高铁、体育器材等领域非晶合金都有广泛的应用。在所有的非晶合金体系中，Fe基非晶合金由于其优异的力学性能、耐腐蚀性能、磁学性能受到了人们更为广泛的关注。然而，传统的铜模铸造法制备出的Fe基非晶合金的尺寸仅为厘米级，严重制约其在工程上的应用。另外，Fe基非晶合金存在严重的室温脆性问题，在室温下进行机械加工很容易断裂，因此难以获得形状复杂的非晶态构件。

激光3D打印技术是将金属粉末快速熔化然后凝固成型的一种增材制造技术。与传统的制造技术不同，激光3D打印技术是通过高能激光束使合金粉末快速熔化，同时通过激光束的快速移动实现熔化区域的快速冷却凝固，并最终通过逐层累积完成构件的制备。是制备大尺寸与复杂非晶合金结构的理想方案。因此，利用激光3D打印技术制备非晶合金构件，不仅能够获得比传统制备方法形状更加复杂的非晶构件，更是克服了传统铜模铸造非晶成型尺寸小的限制。然而，现有利用激光3D打印技术成型Fe基非晶构件普遍存在非晶含量低、有明显的裂纹和生产效率低等问题。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决现有利用激光3D打印技术成型Fe基非晶构件普遍存在非晶含量低、有明显的裂纹和生产效率低等问题，提供一种高效激光3D打印Fe基非晶构件的工艺。

本发明采用的技术方案如下：

一种高效激光3D打印Fe基非晶构件的工艺，包括以下步骤：

步骤S1，将粒径为20μm~200μm的一种晶体粉末，在激光功率500W~1000W，扫描速度600mm/min~3000mm/min，激光光斑直径2mm~4mm，打印层厚度2mm~50mm，打印环境含氧量低于10 ppm的条件下，利用同轴送粉激光3D打印的方法打印出晶体构件；

步骤S2,待晶体构件冷却30min~120min，将粒径为20μm~200μm的一种Fe基非晶粉末，在激光功率800 W~1500 W，扫描速度为600mm/min~3000 mm/min，打印层厚0.3mm~2mm的参数下，在打印好的晶体构件表面打印Fe基非晶，最后得到完全Fe基非晶构件。

其中，所述晶体金属粉末为316L不锈钢粉末、或430不锈钢粉末、或304L不锈钢粉末。

其中，所述Fe基非晶合金粉末与所述晶体金属粉末分别放置在同轴送粉激光3D打印机的送粉器的两个送粉桶中。

其中，所述晶体粉末打印在厚度为5 mm~30 mm 的普通钢或不锈钢基板上。

其中，所述打印Fe基非晶与打印晶体具有很好的结合性。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明通过在激光3D打印的晶体构件表面打印Fe基非晶，使得打印的Fe基非晶合金构件具有复杂的形状、更高的非晶含量和无裂纹等优点。同时，本发明还克服了非晶构件生产效率低，与激光3D打印全非晶粉末相比具有降低原材料成本等优点。

附图说明

图1为本发明工艺流程图；

图2为实施例1中打印的Fe基非晶构件截面金相显微镜图；

图3实施例2中打印的Fe基非晶构件的透射电镜图；

图4为本发明430不锈钢与Fe基非晶构件的维氏硬度值。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1-4，一种高效激光3D打印Fe基非晶构件的工艺，包括以下步骤：

步骤S2,待晶体构件冷却30min~120min，将粒径为20μm~200μm的一种Fe基非晶粉末，在激光功率800W~1500W，扫描速度为600mm/min~3000mm/min，打印层厚0.3 mm~2 mm的参数下，在打印好的晶体构件表面打印Fe基非晶，最后得到完全Fe基非晶构件。

其中，晶体金属粉末为316L不锈钢粉末、或430不锈钢粉末、或304L不锈钢粉末。

其中，Fe基非晶合金粉末与所述晶体金属粉末分别放置在同轴送粉激光3D打印机的送粉器的两个送粉桶中。

其中，晶体粉末打印在厚度为5mm~30mm 的普通钢或不锈钢基板上。

其中，打印Fe基非晶与打印晶体具有很好的结合性。

实施例1

将粒径分别为20μm~200μm的430不锈钢粉末和Fe₄₁Co₇Cr₁₅Mo₁₄C₁₅B₆Y₂（原子百分数，at %）非晶合金粉末分别放置在同轴送粉激光3D打印机的两个送粉桶中。

利用同轴送粉激光3D打印设备将粒径为20μm~200μm的430不锈钢粉末，在激光功率600W，扫描速度600mm/min，激光光斑直径2mm，打印环境含氧量低于10ppm的条件下，在厚度为10mm的45#钢基板上打印出长40mm、宽10mm、高10mm的方形430不锈钢构件。

待上述430不锈钢构件在打印腔室内自然冷却30 min后，重新校准激光起始坐标。将另一送粉桶内的Fe₄₁Co₇Cr₁₅Mo₁₄C₁₅B₆Y₂非晶合金粉末在相同的气氛环境下使用激光功率800 W，扫描速度2400mm/min，激光光斑直径2mm 的工艺下在打印好的430不锈钢构件表面打印厚度为0.5mm的铁基非晶。完成后冷却至室温获得Fe基非晶构件。

图2为Fe基非晶构件截面的金相显微镜图，图中显示打印的Fe基非晶层与打印的430不锈钢相比无明显组织特征，说明打印的非晶层为全非晶态结构。打印的Fe基非晶构件也不存在裂纹，并且非晶与430不锈钢结合良好无明显的接合痕迹。

实施例2

本实施例与实施例1的不同点为：待430不锈钢构件在打印腔室内自然冷却60 min后，重新校准激光起始坐标。使用激光功率为900 W，扫描速度3000 mm/min的工艺参数打印Fe基非晶。其它与实施例1的相同。该工艺条件下可获得无裂纹的Fe基非晶打印构件，并且Fe基非晶与430不锈钢结合很好，无明显的结合痕迹。

图3为打印Fe基非晶构件的透射电镜图，从图中可以看出打印的Fe基非晶构件为无序状结构，电子衍射花样为典型的非晶衍射晕环，由此可以证明打印的非晶构件为全非晶态。图4为打印430不锈钢与Fe基非晶构件的维氏硬度图。从图中可以看出打印的Fe基非晶构件具有较高的硬度，与铸态Fe基非晶的硬度值相近。表明激光3D打印Fe基非晶构件保留了原有的铸态Fe基非晶优异的力学性能。。

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

1.一种高效激光3D打印Fe基非晶构件的工艺，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1，将粒径为20μm～200μm的一种晶体金属粉末，在激光功率500W～1000W，扫描速度600mm/min～3000mm/min，激光光斑直径2mm～4mm，打印层厚度2mm～50mm，打印环境含氧量低于10ppm的条件下，利用同轴送粉激光3D打印的方法打印出晶体构件；

步骤S2,待晶体构件冷却30min～120min，将粒径为20μm～200μm的一种Fe基非晶粉末，在激光功率800W～1500W，扫描速度为600mm/min～3000mm/min，打印层厚0.3mm～2mm的参数下，在打印好的晶体构件表面打印Fe基非晶，最后得到完全Fe基非晶构件；

所述晶体金属粉末为316L不锈钢粉末、或430不锈钢粉末、或304L不锈钢粉末。

2.如权利要求1所述的一种高效激光3D打印Fe基非晶构件的工艺，其特征在于：所述Fe基非晶粉末与所述晶体金属粉末分别放置在同轴送粉激光3D打印机的送粉器的两个送粉桶中。

3.如权利要求1所述的一种高效激光3D打印Fe基非晶构件的工艺，其特征在于：所述晶体金属粉末打印在厚度为5mm～30mm的不锈钢基板上。