CN109967739A - 一种基于增材制造技术制备梯度结构金属件的方法 - Google Patents

一种基于增材制造技术制备梯度结构金属件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于增材制造技术制备梯度结构金属件的方法，属于金属增材制造技术领域。包括如下步骤：对欲增材制造的成形件进行三维建模并对建立好的三维模型进行切片分层处理，划分具体打印层数；将分层加工信息导入增材制造设备的控制系统，以金属粉末为原料，使用连续激光器打印第一层；使用丙酮清洗已打印的层表面；将每个打印层划分成处理区域和非处理区域，根据区域划分设定脉冲激光器的激光参数，进行呈梯度分布的选区激光喷丸处理；使用丙酮清洗已打印的层表面后，打印下一层；重复直至打印完成，获得梯度结构金属件。本发明能够有效降低金属材料表面残余拉应力和金属材料在极冷条件下产生的内应力，提高了最终成型件的塑性和韧性。

Description

一种基于增材制造技术制备梯度结构金属件的方法
技术领域
本发明涉及一种基于增材制造技术制备梯度结构金属件的方法，属于金属增材制造技术领域。
背景技术
增材制造技术又名3D打印技术，是以高能束熔融粉末并逐层堆积为思路的实体零件制造技术，可以用于个性化生产和大规模自动化地生产精密件或复杂件，在航空航天领域和汽车发动机领域等具有广泛的应用需求。但由于激光增材制造过程中的冷却速度可高达104～106K/s，其成形件往往会带有一定的翘曲变形、裂纹和热应力的问题，需要在打印完成后进行各种后处理，限制了其在工业领域上的应用。同时，在得到整体成形件后进行后处理，则错失了对材料内部进行区域化显微组织调控的机会，除此以外增材制造过程中通常难以得到完全致密的成形件件，打印过程中存在的孔隙率等问题也限制了成形件获得更优良的机械性能。
梯度结构是一种成分、组织或相逐渐向另一成分、组织或相过渡的结构。这种结构不仅能有效避免尺寸突变引起的性能突变，还能使材料具有不同特征尺寸的结构相互协调，使材料的整体性能和使役性能得到极大优化和提升，具有良好的韧性、耐磨性、耐腐蚀性、高疲劳强度等性能。
因此，如何使用增材制造技术制备梯度结构的金属件，从而进一步提升成金属形件件的机械性能，以更好地满足其工业化的应用值得进行研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于增材制造技术制备梯度结构金属件的方法，能获得粗细晶交替分布的梯度结构金属件，提升成形件整体的机械性能。技术方案如下：
一种基于增材制造技术制备梯度结构金属件的方法，包括如下步骤：
步骤S1：对欲增材制造的成形件进行三维建模并对建立好的三维模型进行切片分层处理，划分具体打印层数；
步骤S2：将分层加工信息导入增材制造设备的控制系统，以金属粉末为原料，使用连续激光器打印第一层；
步骤S3：使用丙酮清洗已打印的层表面；
步骤S4：将每个打印层划分成处理区域和非处理区域，根据区域划分设定脉冲激光器的激光参数，进行呈梯度分布的选区激光喷丸处理；
步骤S5：使用丙酮清洗已打印的层表面后，打印下一层；
步骤S6：重复步骤S3至步骤S5直至打印完成，获得梯度结构金属件。
进一步地，增材制造设备选自LENS增材制造设备、SLM制造设备、EBM制造设备中的任意一种。
进一步地，金属粉末选自钛合金粉末、铝合金粉末、铜合金粉末、不锈钢粉末、镍基合金粉末、钛基复合材料粉末中的至少一种。
进一步地，脉冲激光器为二氧化碳或光纤激光器。
进一步地，每个打印层划分的处理区域呈梯度分布。
有益效果：
1)本发明突破了直接打印完成的成形件无法选择性改良内部晶粒结构的局限，使金属材料的显微组织呈现梯度分布，能够有效降低金属材料表面残余拉应力和金属材料在极冷条件下产生的内应力，有利于降低材料内部裂纹和微孔的产生，提高了最终成型件的塑性和韧性，使其在承载较大载荷后不致开裂。
2)本发明在金属成型件的打印过程中进行激光喷丸处理，能提高最终成型件的力学性能，极大地扩展了金属材料的应用领域。
附图说明
图1为本发明的整体流程图；
图2为使用本发明制备梯度结构金属件的示意图；
其中：1为增材制造第一个打印层；2为打印层上激光喷丸影响区；3为激光喷丸处理区域；4为增材制造第二个打印层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
如图1所示一种基于增材制造技术制备梯度结构金属件的方法，包括如下步骤：
步骤S1：对欲增材制造的成形件进行三维建模并对建立好的三维模型进行切片分层处理，划分具体打印层数；
步骤S2：将分层加工信息导入增材制造设备的控制系统，以金属粉末为原料，使用连续激光器打印第一层，工艺参数为：激光器的功率为100～1000W，光斑直径为50～200μm，扫描速度为50～2000mm/s；
步骤S3：使用丙酮清洗已打印的层表面；
步骤S4：将每个打印层划分成处理区域和非处理区域，根据区域划分设定脉冲激光器的激光参数，进行呈梯度分布的选区激光喷丸处理，脉冲激光器的工艺参数为：激光功率密度为1～10GW/cm2，激光脉宽为5～40ns，光斑直径为1～10mm，搭接率为20％～80％；
步骤S5：使用丙酮清洗已打印的层表面后，打印下一层；
步骤S6：重复步骤S3至步骤S5直至打印完成，获得梯度结构金属件。
增材制造设备选自LENS增材制造设备、SLM制造设备、EBM制造设备中的任意一种。
金属粉末选自钛合金粉末、铝合金粉末、铜合金粉末、不锈钢粉末、镍基合金粉末、钛基复合材料粉末中的至少一种。
脉冲激光器为二氧化碳或光纤激光器。
每个打印层划分的处理区域呈梯度分布。
实施例1：使用LENS增材制造设备，步骤1：对增材制造成形件进行三维建模并对建立好的三维模型进行切片分层处理，同时划分具体打印层数，对梯度材料的各层依次进行分层。
步骤2：将加工信息导入SLM增材制造设备的控制系统，以金属钛合金粉末为原料，逐层打印成形件至第一个激光喷丸区，此过程中，设定连续光纤激光器的激光功率为180W，光斑直径为60μm，扫描速度为800mm/s。
步骤3：使用丙酮清洗上一步骤中工件的表面。
步骤4：设定纳秒脉冲激光器的激光参数为功率密度6GW/cm2，脉冲宽度18ns，脉冲能量15J,光斑直径4mm，启动激光加工系统在工件表面按200mm/s的速度，50％的重叠率进行激光喷丸强化处理。
步骤5：使用丙酮清洗处理后工件的表面，在处理后的工件表面上继续增材制造，打印下一个设定层数的工件。
步骤6：重复步骤3、4、5直至成形件整体完成，获得最终的梯度材料。
实施例2：使用SLM制造设备，步骤1：对增材制造成形件进行三维建模并对建立好的三维模型进行切片分层处理，同时划分具体打印层数，对梯度材料的各层依次进行分层。
步骤2：将加工信息导入LENS增材制造设备的控制系统，以不锈钢粉末为原料，逐层打印成形件至所需的处理面，获得设定层数的工件。此过程中，设定连续光纤激光器的激光功率为100W，光斑直径为70μm，扫描速度为400mm/s。
步骤3：使用丙酮清洗上一步骤中工件的表面。
步骤4：设定纳秒脉冲激光器的激光参数为功率密度8GW/cm2，脉冲宽度18ns，脉冲能量8J,光斑直径3mm，启动激光加工系统在处理面上按100mm/s的速度，70％的重叠率进行激光喷丸强化处理。
步骤5：使用丙酮清洗处理后工件的表面，在处理后的工件表面上继续增材制造，打印下一个设定层数的工件。
步骤6：重复步骤3、4、5直至成形件整体完成，获得最终的梯度材料。
实施例3：使用EBM增材制造设备，步骤1：对增材制造成形件进行三维建模并对建立好的三维模型进行切片分层处理，同时划分具体打印层数，对梯度材料的各层依次进行分层。
步骤2：将加工信息导入EBM增材制造设备的控制系统，以金属钛合金粉末为原料，逐层打印成形件至第一个激光喷丸区，获得设定层数的工件。此过程中，电子枪的电子束流为15mA，扫描速度为500mm/s，电子束光斑直径为80μm。
步骤3：使用丙酮清洗上一步骤中工件的表面。
步骤4：设定纳秒脉冲激光器的激光参数为功率密度6GW/cm2，脉冲宽度18ns，脉冲能量15J,光斑直径4mm，启动激光加工系统在工件表面按200mm/s的速度，50％的重叠率进行激光喷丸强化处理。
步骤5：使用丙酮清洗处理后工件的表面，在处理后的工件表面上继续增材制造，打印下一个设定层数的工件。
步骤6：重复步骤3、4、5直至成形件整体完成，获得最终的梯度材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则和精神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 (5)

1.一种基于增材制造技术制备梯度结构金属件的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1：对欲增材制造的成形件进行三维建模并对建立好的三维模型进行切片分层处理，划分具体打印层数；
步骤S2：将分层加工信息导入增材制造设备的控制系统，以金属粉末为原料，使用连续激光器打印第一层；
步骤S3：使用丙酮清洗已打印的层表面；
步骤S4：将每个打印层划分成处理区域和非处理区域，根据区域划分设定脉冲激光器的激光参数，进行呈梯度分布的选区激光喷丸处理；
步骤S5：使用丙酮清洗已打印的层表面后，打印下一层；
步骤S6：重复步骤S3至步骤S5直至打印完成，获得梯度结构金属件。
2.如权利要求1所述的基于增材制造技术制备梯度结构金属件的方法，其特征在于：所述的增材制造设备选自LENS增材制造设备、SLM制造设备、EBM制造设备中的任意一种。
3.如权利要求1所述的基于增材制造技术制备梯度结构金属件的方法，其特征在于：所述的金属粉末选自钛合金粉末、铝合金粉末、铜合金粉末、不锈钢粉末、镍基合金粉末、钛基复合材料粉末中的至少一种。
4.如权利要求1所述的基于增材制造技术制备梯度结构金属件的方法，其特征在于：所述的脉冲激光器为二氧化碳或光纤激光器。
5.如权利要求1所述的基于增材制造技术制备梯度结构金属件的方法，其特征在于：所述的每个打印层划分的处理区域呈梯度分布。
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