CN110216287B - 一种基于异质粉末slm打印工艺的金属材料高通量制备方法 - Google Patents

一种基于异质粉末slm打印工艺的金属材料高通量制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于异质粉末SLM打印工艺的金属材料高通量制备方法，所述制备方法通过计算建模的手段获取打印工艺参数对成型件均匀性的影响规律，基于以上规律系统建立打印工艺参数变化组合的打印路线；然后通过调节具有多个喷粉头的可编程机械臂的位移和喷粉速率将异质粉末即不同元素的纯单质粉或特定合金粉末分别喷入微米级网格落粉器实现精确成分配比的均匀机械混合，网格落粉器将混合粉层层铺至打印基板上，根据以上高通量制备路线通过激光选区熔融技术进行熔融凝固混合粉实现样品的快速成型，从而快速筛选出新材料成分与其制备工艺的最优组合，大幅缩短材料从成分设计、原料配比到工艺设计的时间进程及冶金能耗，加速材料研发的按需设计进程。

Description

一种基于异质粉末SLM打印工艺的金属材料高通量制备方法
技术领域
本发明属于激光选区熔融技术与高通量实验相结合筛选新材料领域，具体涉及一种基于异质粉末SLM打印工艺的金属材料高通量制备方法。
背景技术
金属3D打印技术的研发和广泛应用为我国制造业快速升级转型提供了一个难得的机会，对未来传统制造业的发展更会产生一系列革命性的突破，然而3D打印技术现阶段主要应用在航空航天、医疗、汽车模具等高附加值行业，解决传统方法难加工材料的生产问题。限制激光选区熔融技术(SLM)应用领域扩展的材料学因素之一是原料粉末来源受限。目前SLM打印原料粉均采用微米级球形均质粉，即粉末生产工艺需经过冶炼、铸造、雾化或电极法等一系列环节，且多局限于不锈钢、模具钢等高合金材料，因此生产周期长，想采购定制化的粉末难度极大，应用领域严重受制，成本是传统工艺的100～1000倍。
材料高通量实验是在短时间内完成大量样品的制备与表征。一般分为“组合”与“成相”两个步骤，首先将多个元素系统性的进行混合，以获得所需的材料成分组合，然后通过扩散或热力学过程形成晶相或非晶相材料，即成相。具有代表性的制备方法包括有：基于薄膜沉积工艺的组合材料制备方法、“喷印”合成法、多元体材扩散法、微机电结构法、微流体结构法和激光增材法。适用的材料形态从最初的薄膜形态扩展至液体、胶体、块体等多种形态，并取得了一些列商业上的成功。然而对于金属材料的高通量制备，通常采用扩散多元节的方法制备成分逐渐变化的样品，这种方法无法制备加工工艺梯度变化的材料，且成品成分变化不可控，成型件尺寸形状受限。
发明内容
为了解决以上的技术问题本发明提供一种基于异质粉末SLM打印工艺的金属材料高通量制备方法，通过扩散动力学计算建模的手段获取打印工艺参数对成型件均匀性的影响规律，基于以上规律系统的建立打印工艺参数变化组合的打印路线；然后通过调节可编程的机械臂控制多个喷粉头的位移和喷粉速率将异质粉末即不同元素的纯单质粉或特定合金粉末分别喷入微米级网格落粉器实现精确成分配比的均匀机械混合，网格落粉器通过上下位移运动将混合粉层层铺至打印基板上，根据以上高通量制备路线通过高能激光器融化凝固混合粉实现样品的快速成型。
本发明的目的是提供一种基于异质粉末SLM打印工艺的金属材料高通量制备方法。
本发明可一次性制备若干个任意成分配比、打印工艺连续变化的小金属块体材料或是打印工艺和成分连续变化高通量块体材料，高通量样品的微区之间可实现四个自变量：成分、激光光斑直径、激光功率和扫描速率。对于激光选区熔融技术(SLM)制备新型金属材料的选材和工艺制定、优化具有重大意义。
本发明提供的基于异质粉末SLM打印工艺的金属材料高通量制备方法，包括以下步骤：
(1)通过扩散动力学方法建立异质粉末扩散均匀化模型，所述异质粉末扩散均匀化模型为半径不同的同心球体，异质粉末包括质量小的元素粉末和质量大的基体元素粉末，质量小的元素粉末位于球心，其半径为r，质量大的基体元素粉末包裹在质量小的合金元素粉末的球心外，其半径为R，在高温熔融过程中，同心圆中的质量小的元素逐渐向基体元素内扩散，最终两者趋近于均匀；根据异质粉末的质量比确定同心球体的半径比r/R；
(2)根据边界扩散浓度比来计算关键打印参数连续化变化对高通量块体材料扩散均匀度的影响规律，打印参数包括激光功率、扫描速率、光斑直径；
其中边界扩散浓度比的计算公式为：
Figure GDA0002949144940000021
Figure GDA0002949144940000022
其中，BDC为边界扩散浓度比，质量大的基体元素粉末为A，质量小的元素粉末为B，mA、mB表示元素A、B的质量，X(R)为球体扩散模型边界R处粉末B的质量分数，X0为粉末B在球体内达到平衡的浓度；
(3)根据步骤(2)计算结果设置打印参数，按照成分在一定范围内连续变化的方式设定激光功率、扫描速率和光斑直径三个变量参数，系统的确定高通量样件的打印工艺模型，筛选有效工艺；
(4)按照预打印件材质要求的质量比取异质粉末，将质量比换算为体积比，根据异质粉末的平均粒径确定并调节网格落粉器的最小边长；所述网格落粉器为由多个上下贯通的长方体格子按照矩阵排列组成的长方体形盒体；
(5)建立高通量块体材料的打印形状模型；然后进行切片处理，层片的厚与步骤(4)得到的网格落粉器的最小边长相同；
(6)利用计算机编程控制多喷粉头机械臂做平面运动，网格落粉器做垂直于平面的竖直运动，进行精确落粉混合，然后铺至打印基板上，利用激光选区熔融技术进行熔融凝固，通过多次落粉、熔融凝固完成打样；
(7)打印样件成型完成后，将样品与基板分离，获得多个成分、工艺连续变化组合的高通量块体材料。
本发明提供的制备方法通过计算建模的手段获取打印工艺参数对成型件均匀性的影响规律，基于以上规律系统发建立打印工艺参数变化组合的打印路线；然后通过调节可编程机械臂控制多个多喷粉头的位移和喷粉速率将异质粉末即不同元素的纯单质粉或特定合金粉末分别喷入网格落粉器中实现精确成分配比的均匀机械混合，网格落粉器通过上下位移运动将混合粉层层铺至打印基板上，根据以上高通量制备路线通过激光选区熔融技术进行熔融凝固混合粉实现样品的快速成型。
优选地，步骤(1)中，所述异质粉末的纯度大于99.99％，粉体的球形度大于92％，球形率大于97％，粉末的氧含量小于150ppm。
优选地，步骤(1)中，所述异质粉末的粒径范围为15～100μm。
优选地，步骤(1)中，异质粉末的粒径范围为15～50μm，D50为23μm。
优选地，步骤(1)中，异质粉末的粒径范围为50～100μm，D50为75μm。
异质粉末即不同元素种类的单质粉末或特定合金粉末，其形貌特征在于粒度为15～100微米的高纯球形粉。将不同种类的异质粉末分别装入独立的粉盒内，按照预打印合金成分配比换算成粉末体积配比后，通过调节可编程控制的机械臂上喷粉头的位移距离和喷射速度，实现喷射粉末数量位置的精确控制。机械臂上的多个喷粉头按照程序设定将特定数量的粉磨分别送入微米尺度的网格落粉器中实现异质粉末的精确混合，网格落粉器将均匀混合粉末层层铺至打印基板上，采用高能激光按照预设的高通量块体材料打印工艺模型打印成型。
优选地，其特征在于，步骤(1)中，同心球体半径比r/R满足：
0.95R0<r/R<1.05R0，
Figure GDA0002949144940000041
其中R0为半径比理论值，质量大的基体元素粉末为A，质量小的元素粉末为B，r为粉末B的球体半径，R为粉末A和粉末B球体共同构成的球体的半径；VA、VB表示元素A、B所占体积，mA、mB表示元素A、B的质量，ρA、ρB表示元素A、B的单质密度。由于异质粉末粒径并不能达到高度的统一，无论是市购还是自制，异质粉末的粒径都是在一定的范围内波动，因此建立异质粉末扩散均匀化模型时根据实际需要确定异质粉末的质量比，而其半径比为半径比的理论值的0.95～1.05倍之间都是合理的模型。
优选地，步骤(2)中，边界扩散浓度比在1～99％之间，当边界扩散浓度比在95％以上为扩散均匀。
优选地，步骤(4)中，根据重量比计算异质粉末的体积比，然后根据体积小的粉末计算异质粉体的最小体积，根据异质粉体的最小体积计算网格落粉器的最小边长；
根据异质粉体的质量比换算体积比的计算公式为：
Figure GDA0002949144940000051
k为异质粉体的体积比；
粉末B的体积为：
Figure GDA0002949144940000052
其中
Figure GDA0002949144940000053
为粉末的平均粒径；
网格落粉器的边长a＝na0，n为正整数，
Figure GDA0002949144940000054
ai为正整数，a0为ai的最小值，从而确定网格落粉器的最小边长为a0。
进一步优选地，步骤(6)中，具体步骤为：利用计算机编程机械臂控制多个喷粉头做X、Y平面移动运动，喷粉头沿X、Y平面做360度旋转运动，调节网格落粉器的正方形网格尺寸并做垂直于X、Y平面的Z向的上下运动；通过调节机械臂控制喷粉头的位移距离和喷射速度实现网格落粉器网格中粉末数量的精确控制；具有多个喷粉头的机械臂按照程序设定将特定数量的异质粉末分别送入网格落粉器中实现异质粉末的精确混合，网格落粉器沿Z轴向下运动将均匀混合粉末铺至打印基板上，然后再向上返回二次接收机械臂送粉，利用激光选区熔融技术按照预设的打印工艺将此层熔融凝固，网格落粉器再下降在上一层的基础上铺粉，再利用激光选区熔融技术熔融凝固，循环数次，最终形成打印样件。
进一步优选地，步骤(6)中，所述打印工艺过程中打印在惰性气体保护下进行。
进一步优选地，步骤(6)中，网格落粉器沿Z轴向下运动，第n次运动的距离为Sn，Sn＝Sn-1-a0，S0为网格落粉器所在机械臂送粉的位置与打印基板的距离，a0为网格落粉器的最小边长。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供的制备方法，首先通过扩散动力学建立异质粉末扩散均匀化模型，通过从最初状态到混合均匀的最终状态，确定工艺参数对最终结果的影响，从工艺制定阶段即可筛选掉多个无效组合工艺，从而代替多炉熔炼，快速筛选出新材料成分与其制备工艺的最优组合，大幅缩短材料从成分设计、原料配比到工艺设计的时间进程及冶金能耗，加速材料研发的按需设计进程。
2.本发明提供的制备方法效率高，制备时间短；制备出的异质粉体高通量块体材料具备成型性好，样品形状厚度可调，致密度高，组织均匀性好。
3.本发明提供的制备方法解决了高通量材料的成分精确控制问题，通过调节喷粉头的位移和速度控制精确控制异质粉进入网格落粉器的数量，简化后续样品的性能表征过程，再通过网格落粉器实现异质粉末的均匀混合及铺粉，精确控制微区成分，减少原料用量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例1和2中异质粉末扩散均匀化模型示意图；
图2是实施例1和2中扩散均匀化模型SLM过程的扩散计算结果示意图；
图3是实施例2中铁镍质量比为99：1时打印参数连续化变化对高通量块体材料扩散均匀度的优劣影响规律示意图；
图4是实施例2中铁镍质量比为95：5时打印参数连续化变化对高通量块体材料扩散均匀度的优劣影响规律示意图；
图5是实施例2中铁镍质量比为90：10时打印参数连续化变化对高通量块体材料扩散均匀度的优劣影响规律示意图；
图6是实施例2中网格落粉器铺两层粉后的局部三维结构示意图；
图7是实施例1和2中打印流程示意图；
图8为实施例2中网格落粉器的结构示意图。
其中1、机械臂；2、喷粉头；3、网格落粉器；4、打印基板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
一种基于异质粉末SLM打印工艺的金属材料高通量制备方法，包括以下步骤：
(1)通过扩散动力学方法建立异质粉末扩散均匀化模型，如图1所示，所述异质粉末扩散均匀化模型为半径不同的同心球体，质量小的元素粉末位于球心，其半径为r，质量大的基体元素粉末包裹在质量小的元素粉末的球心外，其半径为R，在高温熔融过程中，同心圆中的质量小的元素逐渐向基体元素内扩散，最终两者趋近于均匀；根据异质粉末的质量比确定同心球体的半径比r/R；所述异质粉末的扩散均匀化模型如图1所示，以考虑质量大的基体元素A和质量小的元素B两种粉末为例，两者在初始状态时均匀混，粉末粒径为平均粒径，在熔融过程中，出现质量大的粉末A包裹质量小的粉末B的中间状态，由于两种粉末的质量比以及平均粒径是已知的，异质粉末根据质量比计算同心球体的半径比；同心球体半径比r/R满足：
0.95R0<r/R<1.05R0，
Figure GDA0002949144940000071
其中R0为半径比理论值，质量大的基体元素粉末为A，质量小的元素粉末为B，r为粉末B的球体半径，R为粉末A和粉末B球体共同构成的球体的半径；VA、VB表示元素A、B所占体积，mA、mB表示元素A、B的质量，ρA、ρB表示元素A、B的单质密度。；
所述异质粉末的纯度大于99.99％，粉体的球形度大于92％，球形率大于97％，粉末的氧含量小于150ppm；所述异质粉末的粒径范围为15～100μm；
(2)根据边界扩散浓度比(BDC)来计算关键打印参数连续化变化对高通量块体材料扩散均匀度的影响规律，打印参数包括激光功率、扫描速率、光斑直径；
步骤(1)所述的同心球体扩散均匀化模型SLM过程的扩散结果如图2所示，X轴表示上述球体均匀化模型中粉末到球体中心的距离，Y轴表示粉末B的质量分数；粉末B在球体内的浓度呈梯度分布，时间足够长时，达到平衡浓度X0；
其中边界扩散浓度比的计算公式为：
Figure GDA0002949144940000081
Figure GDA0002949144940000082
其中，X(R)为球体扩散模型边界R处质量小的元素的质量分数，X0为质量小的元素粉末在球体内达到平衡的浓度；质量大的基体元素粉末为A，质量小的元素粉末为B，mA、mB表示元素A、B的质量；
(3)根据步骤(2)计算结果设置打印参数，按照成分在一定范围内连续变化的方式设定激光功率、扫描速率和光斑直径三个变量参数，系统的确定高通量样件的打印工艺模型，筛选有效工艺；当BDC为1时为异质粉体混合均匀的理想状态，本发明选取BDC接近1即95％以上时的对应的打印参数，从而确定打印参数；
(4)按照预打印件材质要求的质量比取两种异质粉末，将质量比换算为体积比，根据异质粉末的平均粒径确定并调节网格落粉器的最小边长；
根据异质粉体的质量比换算体积比的计算公式为：
Figure GDA0002949144940000091
k为异质粉体的体积比；
粉末B的体积为：
Figure GDA0002949144940000092
其中
Figure GDA0002949144940000093
为粉末的平均粒径；
网格落粉器的边长a＝na0，n为正整数，
Figure GDA0002949144940000094
ai为正整数，a0为ai的最小值，从而确定网格落粉器的最小边长为a0；
(5)建立高通量块体材料的打印形状模型；然后进行切片处理，层片的厚与步骤(4)得到的网格落粉器的最小边长相同；
(6)打印流程如图7所示，利用计算机编程机械臂1控制多个喷粉头2做X、Y平面移动运动，喷粉头2沿X、Y平面做360度旋转运动，调节网格落粉器3的正方形网格尺寸并做垂直于X、Y平面的Z向的上下运动；通过调节机械臂1控制喷粉头2的位移距离和喷射速度实现网格落粉器3网格中粉末数量的精确控制；具有多个喷粉头2的机械臂1按照程序设定将特定数量的异质粉末分别送入网格落粉器3中实现异质粉末的精确混合，网格落粉器3沿Z轴向下运动将均匀混合粉末铺至打印基板4上，网格落粉器3沿Z轴向下运动，第n次运动的距离为Sn，Sn＝Sn-1-a0，S0为网格落粉器3所在机械臂1送粉的位置与打印基板4的距离，a0为网格落粉器3的最小边长；然后再向上返回二次接收机械臂1送粉，在惰性气体保护下利用激光选区熔融技术按照预设的打印工艺将此层熔融凝固，网格落粉器3再下降在上一层的基础上铺粉，再利用激光选区熔融技术熔融凝固，循环数次，最终形成打印样件；
(7)打印样件成型完成后，采用线切割方式将样品与基板分离，获得多个成分、工艺连续变化组合的高通量块体材料；用于后续高通量表征及性能测试。
实施例2
利用SLM打印工艺一次制备50组成分Ni质量分数从1～10％变化的铁镍二元合金高通量样品；其中50组中共有10大组不同的组分，每个大组中有5个组分相同的平行小组，每个大组中Ni质量分数分别为1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％，余量为铁；
铁镍二元合金高通量样品的制备包括以下步骤：
(1)通过扩散动力学方法建立异质粉末扩散均匀化模型，模型与图1相同；异质粉末包括质量较大的基体元素Fe和质量较小的元素Ni，铁粉质量大，镍粉质量小，因此镍粉为B，铁粉为A，在还未进行混合的时，理想的状态是B位于球体的中间，A包裹在B外面，由于A和B的质量比确定，可以确定同心球体的半径比；由于每大组铁镍的质量比不同，因此建立10个如图1所示的模型；
每个同心球体半径比r/R满足：
0.95R0<r/R<1.05R0，
其中
其中质量大的基体元素粉末为A，质量小的元素粉末为B，r为粉末B的球体半径，R为粉末A和粉末B球体共同构成的球体的半径；VA、VB表示元素A、B所占体积，mA、mB表示元素A、B的质量，ρA、ρB表示元素A、B的单质密度；
所述铁粉和镍粉的纯度均大于99.99％，粉体的球形度大于92％，球形率大于97％，粉末的氧含量小于150ppm；所述镍粉的粒径范围为1～50μm，D50为23μm；
(2)根据边界扩散浓度比(BDC)来计算关键打印参数连续化变化对高通量块体材料扩散均匀度的影响规律，确定激光功率、扫描速率、光斑直径；
步骤(1)所述的同心球体扩散均匀化模型SLM过程的扩散结果如图2所示，X轴表示上述球体均匀化模型中粉末到球体中心的距离，Y轴表示粉末B的质量分数；粉末B在球体内的浓度呈梯度分布，时间足够长时，达到平衡浓度X0；
其中边界扩散浓度比的计算公式为：
Figure GDA0002949144940000111
Figure GDA0002949144940000112
其中，X(R)为球体扩散模型边界R处B的质量分数，X0为粉末B在球体内达到平衡的浓度；
(3)根据BDC的计算结果来确定关键的打印参数连续化变化对高通量块体材料扩散均匀度的优劣影响规律；分别以铁镍质量比为99:1、95:5、90:10这三个模型异质粉末扩散均匀度的影响因素来确定打印参数，图3为铁镍质量比为99:1时打印参数连续化变化对高通量块体材料扩散均匀度的优劣影响规律示意图；图4为铁镍质量比为95:5时打印参数连续化变化对高通量块体材料扩散均匀度的优劣影响规律示意图；图5为铁镍质量比为90:10时打印参数连续化变化对高通量块体材料扩散均匀度的优劣影响规律示意图；
结果如图3-5所示，其中峰值脉冲温度T：即主脉冲的峰值温度，主要由SLM工艺的激光功率、激光光斑直径与激光扫描速率决定；熔态时长t：即脉冲温度在Fe熔点以上的时间间隔，主要由SLM工艺的激光功率、激光光斑直径与激光扫描速率影响；当BDC为1时为异质粉体混合均匀的理想状态，本发明选取BCD的结果在95％以上时作为混合均匀状态，从图3-5中均可以看出融态时长越大，峰值脉冲温度越高，BCD的值越高，而激光功率越大、激光光斑直径越大、激光扫描速率越小，则融态时长越大，峰值脉冲温度越高；根据以上模型及粉末成分，采用扩散动力学相关软件计算不同打印工艺参数变化的边界扩散浓度比，从而确定当前体系下工艺对与高通量样品的均匀性的影响规律为激光功率越大，扫描速率越慢，光斑直径越大则扩散均匀性越好，而在传统的打印行业内激光功率的范围为0～250w，扫描速率为500-5000mm/s，光斑直径为0～90mm，当BDC为1时为异质粉体混合均匀的理想状态，本发明选取BDC接近1即95％以上时的对应的打印参数，从而确定打印参数；激光功率为150～250w，扫描速率为850～950mm/s，激光光斑直径为80～90μm；
(4)按照异质粉末的质量比取两种粉末，将质量比换算为体积比，根据异质粉体的平均粒径调节网格落粉器的最小边长；以铁镍质量比为99:1为例，
根据异质粉体的质量比换算体积比的计算公式为：
Figure GDA0002949144940000121
k为异质粉体的体积比；k＝112.4；
粉末B的体积为：
Figure GDA0002949144940000122
其中
Figure GDA0002949144940000123
为粉末的平均粒径；VB＝20569.09μm3；
网格落粉器的边长a＝na0，n为正整数，
Figure GDA0002949144940000124
ai为正整数，a0为ai的最小值，从而确定网格落粉器的最小边长为a0；ai≥132.6μm，a0＝133μm；即落粉器的网格调节为最小边长a0的整数倍，即网格内混合粉的体积为na3(n为正整数)；由于每个大组的铁镍质量比不同，因此，逐一计算确定每个组对应的网格落粉器的最小边长；网格落粉器铺两层粉后的局部示意图如图6所示；
(5)建立高通量块体材料的打印数据模型；然后进行切片处理，层片的厚与步骤(4)得到的网格落粉器的最小边长相同即当铁镍质量比为99:1时网格落粉器的最小边长为133μm；样品整体形状为100mm×50mm×5mm，划分为10mm×10mm×5mm的50个网格，其中激光功率和成分沿X轴变化，扫描速率按照Y轴变化；筛选有效工艺和有效成分；
(6)如图7-8所示，利用计算机编程机械臂1控制多个喷粉头2做X、Y平面移动运动，喷粉头2沿X、Y平面做360度旋转运动，调节网格落粉器3的正方形网格尺寸并做垂直于X、Y平面的Z向的上下运动；通过调节机械臂1控制喷粉头2的位移距离和喷射速度实现网格落粉器3网格中粉末数量的精确控制；具有多个喷粉头2的机械臂1按照程序设定将特定数量的异质粉末分别送入网格落粉器3中实现异质粉末的精确混合，网格落粉器3沿Z轴向下运动将均匀混合粉末铺至打印基板4上，网格落粉器3沿Z轴向下运动，第n次运动的距离为Sn，Sn＝Sn-1-a0，S0为网格落粉器3所在机械臂1送粉的位置与打印基板4的距离，a0为网格落粉器3的最小边长；由于每个大组的网格落粉器3的最小边长不同，因此网格落粉器3沿Z轴向下运动距离根据每个组的实际计算所得的网格落粉器3的最小边长确定；然后再向上返回二次接收机械臂1送粉，利用激光选区熔融技术按照预设的打印工艺将此层熔融凝固，网格落粉器3再下降在上一层的基础上铺粉，再利用激光选区熔融技术熔融凝固，循环数次，最终形成打印样件；
(7)打印样件成型完成后，将样品与基板分离，获得多个成分、工艺连续变化组合的高通量块体材料。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于异质粉末SLM打印工艺的金属材料高通量制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过扩散动力学方法建立异质粉末扩散均匀化模型，所述异质粉末扩散均匀化模型为半径不同的同心球体，异质粉末包括质量小的元素粉末和质量大的基体元素粉末，质量小的元素粉末位于球心，其半径为r，质量大的基体元素粉末包裹在质量小的合金元素粉末的球心外，其半径为R，在高温熔融过程中，同心圆中的质量小的元素逐渐向基体元素内扩散，最终两者趋近于均匀；根据异质粉末的质量比确定同心球体的半径比r/R；
(2)根据边界扩散浓度比来计算关键打印参数连续化变化对高通量块体材料扩散均匀度的影响规律，打印参数包括激光功率、扫描速率、光斑直径；
其中边界扩散浓度比的计算公式为：
Figure FDA0002949144930000011
Figure FDA0002949144930000012
其中，BDC为边界扩散浓度比，质量大的基体元素粉末为A，质量小的元素粉末为B，mA、mB表示元素A、B的质量；X(R)为球体扩散模型边界R处粉末B的质量分数，X0为粉末B在球体内达到平衡的浓度；
(3)根据步骤(2)计算结果设置打印参数，按照成分在一定范围内连续变化的方式设定激光功率、扫描速率和光斑直径三个变量参数，系统的确定高通量样件的打印工艺模型，筛选有效工艺；
(4)按照预打印件材质要求的质量比取异质粉末，将质量比换算为体积比，根据异质粉末的平均粒径确定并调节网格落粉器的最小边长；所述网格落粉器为由多个上下贯通的长方体格子按照矩阵排列组成的长方体形盒体；
(5)建立高通量块体材料的打印形状模型，然后进行切片处理，层片的厚与步骤(4)得到的网格落粉器的最小边长相同；
(6)利用计算机编程控制多喷粉头机械臂做平面运动，网格落粉器做垂直于平面的竖直运动，进行精确落粉混合，然后铺至打印基板上，利用激光选区熔融技术进行熔融凝固，通过多次落粉、熔融凝固完成打样；
(7)打印样件成型完成后，将样品与打印基板分离，获得多个成分、工艺连续变化组合的高通量块体材料。
2.根据权利要求1所述的基于异质粉末SLM打印工艺的金属材料高通量制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述异质粉末的纯度大于99.99％，粉体的球形度大于92％，球形率大于97％，粉末的氧含量小于150ppm。
3.根据权利要求2所述的基于异质粉末SLM打印工艺的金属材料高通量制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述异质粉末的粒径范围为15～100μm。
4.根据权利要求3所述的基于异质粉末SLM打印工艺的金属材料高通量制备方法，其特征在于，步骤(1)中，异质粉末的粒径范围为15～50μm，D50为23μm。
5.根据权利要求1所述的基于异质粉末SLM打印工艺的金属材料高通量制备方法，其特征在于，步骤(1)中，同心球体半径比r/R满足：
0.95R0<r/R<1.05R0，
Figure FDA0002949144930000021
其中R0为异质粉末半径比理论值，质量大的基体元素粉末为A，质量小的元素粉末为B，r为粉末B的球体半径，R为粉末A和粉末B球体共同构成的球体的半径；VA、VB表示元素A、B所占体积，mA、mB表示元素A、B的质量，ρA、ρB表示元素A、B的单质密度。
6.根据权利要求1所述的基于异质粉末SLM打印工艺的金属材料高通量制备方法，其特征在于，步骤(2)中边界扩散浓度比在95％以上为扩散均匀。
7.根据权利要求1所述的基于异质粉末SLM打印工艺的金属材料高通量制备方法，其特征在于，步骤(4)中，根据重量比计算异质粉末的体积比，然后根据体积小的粉末计算异质粉体的最小体积，根据异质粉体的最小体积计算网格落粉器的最小边长；
根据异质粉体的质量比换算体积比的计算公式为：
Figure FDA0002949144930000031
k为异质粉体的体积比；
粉末B的体积为：
Figure FDA0002949144930000032
其中
Figure FDA0002949144930000033
为粉末的平均粒径；
网格落粉器的边长a＝na0，n为正整数，
Figure FDA0002949144930000034
ai为正整数，a0为ai的最小值，从而确定网格落粉器的最小边长为a0。
8.根据权利要求7所述的基于异质粉末SLM打印工艺的金属材料高通量制备方法，其特征在于，步骤(6)中，具体步骤为：利用计算机编程机械臂控制多个喷粉头做X、Y平面移动运动，喷粉头沿X、Y平面做360度旋转运动，调节网格落粉器的正方形网格尺寸并做垂直于X、Y平面的Z向的上下运动；通过调节机械臂控制喷粉头的位移距离和喷射速度实现网格落粉器网格中粉末数量的精确控制；具有多个喷粉头的机械臂按照程序设定将特定数量的异质粉末分别送入网格落粉器中实现异质粉末的精确混合，网格落粉器沿Z轴向下运动将均匀混合粉末铺至打印基板上，然后再向上返回二次接收机械臂送粉，利用激光选区熔融技术按照预设的打印工艺将此层熔融凝固，网格落粉器再下降在上一层的基础上铺粉，再利用激光选区熔融技术熔融凝固，循环数次，最终形成打印样件。
9.根据权利要求8所述的基于异质粉末SLM打印工艺的金属材料高通量制备方法，其特征在于，步骤(6)中所述的打印工艺过程中打印在惰性气体保护下进行。
10.根据权利要求9所述的基于异质粉末SLM打印工艺的金属材料高通量制备方法，其特征在于，步骤(6)中，网格落粉器沿Z轴向下运动，第n次运动的距离为Sn，Sn＝Sn-1-a0，S0为网格落粉器所在机械臂送粉的位置与打印基板的距离，a0为网格落粉器的最小边长。
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