CN110144585A - 激光熔覆制备梯度功能材料的激光熔覆参数筛选方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用激光熔覆制备梯度功能材料时的激光熔覆参数筛选方法，其中在使用3D打印机制备不同激光参数的梯度功能材料试样后，通过横向搭接熔道检测和纵向搭接熔道检测，分别观察熔道截面的裂纹、熔道波动和熔道倾斜，以及试样表面的未融粉末，来筛选出最优的激光熔覆参数。该方法简单，针对不同梯度功能材料的激光熔覆加工，均可采用该方法予以筛选获得最优的激光熔覆参数。这为采用激光熔覆技术制备梯度功能材料时提供了系统的激光熔覆质量保证和评价体系，从而能够快读地获取激光熔覆加工时最优的激光熔覆参数。

Description

激光熔覆制备梯度功能材料的激光熔覆参数筛选方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种采用激光熔覆制备梯度功能材料时的激光熔覆参数筛选方法。
背景技术
梯度功能材料这个概念是1987年被日本的新野正之等人提出，是两种或多种材料复合且成分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料，是为满足在极限环境下能反复地正常工作而发展起来的一种新型功能材料。经过30多年的发展，梯度功能材料已经广泛应用于机械工程，材料工程，生物医药工程等众多高新技术领域。
目前制备梯度功能材料的方法有气相沉积法、等离子粉末喷涂法、粉末热喷涂法以及复合电沉积法。随着3D打印技术的发展，使用激光熔覆技术制备梯度功能材料的方法得到了应用。与传统的技术相比，激光熔覆具有较少的气孔和裂纹缺陷、组织致密、熔覆层与基体结合好、适合熔覆材料多、粉末颗粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广泛。然而，目前却没有一种系统的激光熔覆质量保证与评价体系。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用激光熔覆制备梯度功能材料时的激光熔覆参数筛选方法，以提供一种采用激光熔覆技术制备梯度功能材料时系统的激光熔覆质量保证和评价体系，从而快速地获取激光熔覆加工时最优的激光熔覆参数。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种激光熔覆制备梯度功能材料的激光熔覆参数筛选方法，包括如下步骤：
（1）配料送粉：将两种或两种以上的粉末按照预定比例混合均匀，获得混合粉末，并将混合粉末装入3D打印机的送粉料斗；
（2）制备纵向搭接试样和横向搭接试样：
在激光功率分别为A1、A2、…、 An时，各自以扫描速度分别为B1、B2、…、 Bm予以扫描加工，在第一基板上获得n*m条所述的纵向搭接试样，在第二基板上获得n*m条所述的横向搭接试样，其中，n、m均为正整数，所述的纵向搭接试样与所述横向搭接试样的长度相同而截面尺寸相异；
（3）切取试样：
连同所述第一基板，分别从各所述纵向搭接试样的中部切取一段，获得n*m个纵向实验试样；
连同所述第二基板，分别从各横向搭接试样的中部切取一段，获得n*m个横向实验试样；
（4）扫描获得背散射电子像：
将各个所述纵向实验试样、所述横向实验试样予以喷金处理，然后使用扫描电子显微镜对各试样表面进行扫描，获得各试样的背散射电子像；
（5）分析筛选：
5.1 针对各所述横向实验试样的背散射电子像，按照无裂纹、熔道表面无明显波动、无未融粉末的图像依次进行筛选，随后记录筛选后获得的图像所对应的激光熔覆参数；
5.2 针对各所述纵向实验试样的背散射电子像，筛选熔道未发生明显倾斜的图像，随后记录筛选后获得的图像所对应的激光熔覆参数；
5.3 结合5.1与5.2筛选的激光熔覆参数，筛选出无裂纹、熔道表面无明显波动、无未融粉末、熔道无明显倾斜的最优的激光熔覆参数。
优选地，所述步骤（1）中，所述的混合粉末由两种或两种以上的金属粉末均匀混合而成。
进一步地，所述的混合粉末由铁粉与镍粉按照质量比为1:1均匀混合而成。
优选地，所述步骤（2）中，所述第一基板与所述第二基板的厚度相同，或者，所述第一基板与所述第二基板为同一基板。
优选地，所述第一基板与所述第二基板均采用45号钢基板。
优选地，所述步骤（3）后且所述步骤（4）前，还包括对各个所述纵向实验试样、所述横向实验试样预处理的步骤，该预处理步骤包括将各个实验试样的横截面向下放入冷镶嵌模具中，使用环氧树脂冷凝的步骤，以及将冷凝好的包有实验试样的环氧树脂放置在打磨机上抛光打磨处理的打磨步骤。
进一步地，所述打磨步骤中，依次采用500cw、1000cw、1500cw、2000cw砂纸打磨，最后再使用抛光剂在毛毡上打磨出镜面效果。
优选地，所述步骤5.1中，按照熔道表面无明显波动的要求予以筛选时，观察各横向实验试样熔道的上下表面，若呈S型波纹，则在图像测量软件上测量波峰到波谷的垂直距离d，若该垂直距离d大于预设值，则表明熔道表面有着明显的波纹；反之，则表明熔道表面无明显的波纹。
优选地，所述步骤5.2中，观察所述纵向实验试样的背散射电子像，使用图像测量软件，测量所述纵向实验试样横截面轴线与所述第一基板的角度ａ，若89°≤ａ≤91°，则表明熔道未发生明显倾斜。
优选地，所述步骤（1）中，采用球磨机将所述的两种或两种以上的粉末予以混合至少一小时。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明提供的采用激光熔覆制备梯度功能材料时的激光熔覆参数筛选方法，在使用3D打印机制备不同激光参数的梯度功能材料试样后，通过横向搭接熔道检测和纵向搭接熔道检测，分别观察熔道截面的裂纹、熔道波动和熔道倾斜，以及试样表面的未融粉末，来筛选出最优的激光熔覆参数。该方法简单，针对不同梯度功能材料的激光熔覆加工，均可采用该方法予以筛选获得最优的激光熔覆参数。这为采用激光熔覆技术制备梯度功能材料时提供了系统的激光熔覆质量保证和评价体系，从而能够快读地获取激光熔覆加工时最优的激光熔覆参数。
附图说明
附图1为本发明制备样品时示意图；
附图2为本发明中熔道波动判定的示意图；
附图3为本发明中熔道倾斜判定的示意图；
附图4为本发明制样后的基板简图。
其中：1、送粉料斗；2、粉管；3、预设轨迹；4、混合粉末；5、基板。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
实施例1
本实施例的激光熔覆制备梯度功能材料的激光熔覆参数筛选方法，包括以下步骤：
步骤一、配料送粉：
将铁镍粉末按照预定比例均匀混合，获得混合粉末。并将混合粉末装入3D打印机的送粉料斗；该步骤中，铁镍粉末使用球磨机均匀混合一小时左右，以实现充分地均匀混合。
具体地，采用精度为0.01g的电子天平分别对IN625镍粉和304L铁粉，按照1:1质量比（各1000g）进行称重，随后利用超声波清洗器和干燥箱分别对其清洗与烘干，再将称重、清洗、烘干后的两种粉末放入球磨机中混合60分钟，待混粉结束后，取出并装入3D打印机的送粉料斗1中，如图1所示。
步骤二、制备纵向搭接试样和横向搭接试样：
打开激光3D打印机，调整激光喷头到基板上的距离为20cm（此处基板采用45号钢，其厚度为长宽高为200mm*200mm*10mm），在该同一基板上制备纵向搭接试样与横向搭接试样，具体为：
设定激光功率为A1W，扫描速度分别为B1mm/s、B2mm/s、B3mm/s、B4mm/s；
设定激光功率为A2W，扫描速度分别为B1mm/s、B2mm/s、B3mm/s、B4mm/s；
设定激光功率为A3W，扫描速度分别为B1mm/s、B2mm/s、B3mm/s、B4mm/s；
设定激光功率为A4W，扫描速度分别为B1mm/s、B2mm/s、B3mm/s、B4mm/s；
在基板上制备出16条长宽高为40mm*3mm*8mm的纵向搭接铁镍合金试样长条，作为纵向搭接试样；在基板上制备16条长宽高为40mm*10mm*1mm的横向搭接铁镍合金试样长条，作为横向搭接试样。
本实施例中，参见图1所示，在制备上述纵向搭接试样时，对装有3D打印激光喷头的工业机械臂编程，设定移动轨迹的长度为40mm，调整送粉率为8g/min，设定激光功率和扫描速度，激光喷头与45号钢基板5的垂直距离（喷射距离）为18.5mm（不超过20mm），随后打开氩气与送粉器料斗1，打开激光器，按预设轨迹3移动，混合粉末经粉管2喷射到基板5上，在基板5上制备出长宽高为40mm*3mm*8mm的纵向搭接铁镍合金试样长条。根据设定的16组激光功率和扫描功率的组合，制备出16条纵向搭接铁镍合金试样长条。类似地，也制备出16条长宽高为40mm*10mm*1mm的横向搭接铁镍合金试样长条。
本实施例中，设定激光功率分别为600W、800W、1000W、1200W，扫描速度分别为4mm/s、6mm/s、8mm/s、10mm/s。
步骤三、切取试样：
将制备好的纵向搭接试样的基板固定在线切割机上，如图4所示，取纵向搭接铁镍合金试样长条的中部位置，切取出长宽高为5mm*3mm*18mm的铁镍合金试样，作为纵向实验试样，共获取16组纵向实验试样；
将制备好的横向搭接试样的基板固定在线切割机上，如图4所示，取横向搭接铁镍合金试样长条的中部位置，切取出长宽高为5mm*10mm*11mm的铁镍合金试样，作为横向实验试样，共获取16组横向实验试样。
本实施例中，在切取时，使用HONGZHIXIN牌SPARKHD50B型线切割机，设定线切割机的加工参数：工作电压为90V，脉冲幅度开关接通级数为6级，切削最快速度为100步/s予以切取。
在获取上述16组纵向实验试样与16组横向实验试样后，对各实验试样进行预处理操作再进行下一步骤，该预处理的步骤包括将各个实验试样进行冷凝及进行打磨的步骤，本实施例中具体操作为：在切取下上述32个实验试样的样块后，将各实验样块的横截面向下放入冷镶嵌模具中，使用环氧树脂冷凝8小时，将冷凝好的包有实验试样的环氧树脂放置在打磨机上，依次采用500cw、1000cw、1500cw、2000cw砂纸打磨，最后再使用抛光剂在毛毡上打磨出镜面效果。
步骤四、扫描获得背散射电子像：
打开扫描电子显微镜，依次将各实验试样放置在扫描电子显微镜的样品基板上，对各实验试样予以喷金处理后，使用扫描电子显微镜对样品表面进行扫描，获得各试样的背散射电子像。
步骤五、分析筛选：
5.1 针对各横向实验试样的背散射电子像，按照无裂纹、熔道表面无明显波动、无未融粉末的图像依次进行筛选，随后记录筛选后获得的图像所对应的激光熔覆参数；
具体为：对比观察横向实验试样的背散射电子像，选出无明显裂纹的图像，进行下一步筛选；
进一步地，观察横向实验试样的背散射电子像中铁镍合金熔道的上下表面，若呈S型波纹，则在图像测量软件上测量波峰到波谷的垂直距离d，该图像测量软件为Digmizer或其他测量软件，如图2所示。若d大于预设值0.1mm，则表明熔道表面有着明显的波纹，反之则表明熔道表面无明显的波纹，选出铁镍合金熔道上下表面均无明显波动的图像进行下一步筛选；
再进一步地，观察横向实验试样的背散射电子像中铁镍合金上表面，若有球状颗粒物，则表面次参数下制备铁镍合金表面有未融粉末，选出无未融粉末的图像，即可将符合无裂纹、熔道表面无明显波动、无未融粉末的图像筛选出来，随后记录这些图像对应的激光熔覆参数。
5.2针对各纵向实验试样的背散射电子像，筛选熔道未发生明显倾斜的图像，随后记录筛选后获得的图像所对应的激光熔覆参数；
具体为，对比观察纵向实验试样的背散射电子像，使用图像测量软件，测量纵向实验试样横截面轴线与基板的角度ａ，该图像测量软件为Digmizer或其他测量软件。如图3所示，若89°≤ａ≤91°，则表明熔道未发生明显倾斜。记录下未发生明显倾斜的图像所对应的激光熔覆参数。
5.3 结合5.1与5.2筛选的激光熔覆参数，筛选出无裂纹、熔道表面无明显波动、无未融粉末、熔道无明显倾斜的最优的激光熔覆参数。该参数即为激光熔覆制备铁镍合金梯度功能材料的最优激光熔覆参数。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光熔覆制备梯度功能材料的激光熔覆参数筛选方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）配料送粉：将两种或两种以上的粉末按照预定比例混合均匀，获得混合粉末，并将混合粉末装入3D打印机的送粉料斗；
（2）制备纵向搭接试样和横向搭接试样：
在激光功率分别为A1、A2、…、 An时，各自以扫描速度分别为B1、B2、…、 Bm予以扫描加工，在第一基板上获得n*m条所述的纵向搭接试样，在第二基板上获得n*m条所述的横向搭接试样，其中，n、m均为正整数，所述的纵向搭接试样与所述横向搭接试样的长度相同而截面尺寸相异；
（3）切取试样：
连同所述第一基板，分别从各所述纵向搭接试样的中部切取一段，获得n*m个纵向实验试样；
连同所述第二基板，分别从各横向搭接试样的中部切取一段，获得n*m个横向实验试样；
（4）扫描获得背散射电子像：
将各个所述纵向实验试样、所述横向实验试样予以喷金处理，然后使用扫描电子显微镜对各试样表面进行扫描，获得各试样的背散射电子像；
（5）分析筛选：
5.1 针对各所述横向实验试样的背散射电子像，按照无裂纹、熔道表面无明显波动、无未融粉末的图像依次进行筛选，随后记录筛选后获得的图像所对应的激光熔覆参数；
5.2 针对各所述纵向实验试样的背散射电子像，筛选熔道未发生明显倾斜的图像，随后记录筛选后获得的图像所对应的激光熔覆参数；
5.3 结合5.1与5.2筛选的激光熔覆参数，筛选出无裂纹、熔道表面无明显波动、无未融粉末、熔道无明显倾斜的最优的激光熔覆参数。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆制备梯度功能材料的激光熔覆参数筛选方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所述的混合粉末由两种或两种以上的金属粉末均匀混合而成。
3.根据权利要求2所述的激光熔覆制备梯度功能材料的激光熔覆参数筛选方法，其特征在于：所述的混合粉末由铁粉与镍粉按照质量比为1:1均匀混合而成。
4.根据权利要求1所述的激光熔覆制备梯度功能材料的激光熔覆参数筛选方法，其特征在于：所述步骤（2）中，所述第一基板与所述第二基板的厚度相同，或者，所述第一基板与所述第二基板为同一基板。
5.根据权利要求1所述的激光熔覆制备梯度功能材料的激光熔覆参数筛选方法，其特征在于：所述第一基板与所述第二基板均采用45号钢基板。
6.根据权利要求1所述的激光熔覆制备梯度功能材料的激光熔覆参数筛选方法，其特征在于：所述步骤（3）后且所述步骤（4）前，还包括对各个所述纵向实验试样、所述横向实验试样预处理的步骤，该预处理步骤包括将各个实验试样的横截面向下放入冷镶嵌模具中，使用环氧树脂冷凝的步骤，以及将冷凝好的包有实验试样的环氧树脂放置在打磨机上抛光打磨处理的打磨步骤。
7.根据权利要求6所述的激光熔覆制备梯度功能材料的激光熔覆参数筛选方法，其特征在于：所述打磨步骤中，依次采用500cw、1000cw、1500cw、2000cw砂纸打磨，最后再使用抛光剂在毛毡上打磨出镜面效果。
8.根据权利要求1所述的激光熔覆制备梯度功能材料的激光熔覆参数筛选方法，其特征在于：
所述步骤5.1中，按照熔道表面无明显波动的要求予以筛选时，观察各横向实验试样熔道的上下表面，若呈S型波纹，则在图像测量软件上测量波峰到波谷的垂直距离d，若该垂直距离d大于预设值，则表明熔道表面有着明显的波纹；反之，则表明熔道表面无明显的波纹。
9.根据权利要求1所述的激光熔覆制备梯度功能材料的激光熔覆参数筛选方法，其特征在于：所述步骤5.2中，观察所述纵向实验试样的背散射电子像，使用图像测量软件，测量所述纵向实验试样横截面轴线与所述第一基板的角度ａ，若89°≤ａ≤91°，则表明熔道未发生明显倾斜。
10.根据权利要求1所述的激光熔覆制备梯度功能材料的激光熔覆参数筛选方法，其特征在于：所述步骤（1）中，采用球磨机将所述的两种或两种以上的粉末予以混合至少一小时。
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Application publication date: 20190820