CN110405204B - 异质金属件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种异质金属件的制备方法，包括如下步骤：建立三维模型，包括预设的基材层及沿远离预设的基材层方向依次排列的预设的第一连接层与预设的第二连接层；根据预设的基材层尺寸制作一基材层，基材层的材质为第一金属；对基材层的表面进行刻蚀以形成多个微孔；将三维模型导入3D打印成型设备中；在基材层表面及微孔中铺上粉末，粉末的材质为第二金属；以第一激光进行选择性激光熔化并按预设的第一连接层尺寸形成第一连接层；在第一连接层表面铺上粉末；以第二激光进行选择性激光熔化并按预设的第二连接层尺寸形成第二连接层，第二激光的能量大于第一激光的能量。通过本发明的异质金属件的制备方法能够得到结合强度较强的异质金属件。

Description

异质金属件的制备方法
技术领域
本发明涉及金属铸造领域，尤其涉及一种异质金属件的制备方法。
背景技术
近年来,采用异质金属结合的产品越来越多,然而异质金属的结合存在一定困难,尤其是对于一些线膨胀系数、热导率等等物理参数相差较大的异质金属，在焊接时会导致接头处变形严重，并存在很大焊接应力。再者，由于很多异质金属的晶体结构相差很大，导致相互之间固溶度很低，容易形成一系列硬而脆的化合物，降低结合处的塑性、韧性。此外，在焊接过程中，铝等金属表面容易形成氧化膜，且温度越高，氧化膜越厚，这种氧化膜会形成焊缝夹渣，还会影响焊缝金属的熔合，影响成品的质量。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种结合效果较好的异质金属件的制备方法。
一种异质金属件的制备方法，其包括如下步骤：建立所述异质金属件的三维模型，所述三维模型包括预设的基材层及沿远离预设的基材层方向依次排列的预设的第一连接层与预设的第二连接层；根据所述三维模型的预设的基材层尺寸制作一基材层，所述基材层的材质为第一金属；对所述基材层的表面进行刻蚀以形成多个微孔；将所述三维模型导入3D打印成型设备中；通过3D打印成型设备在所述基材层表面及微孔中铺上粉末，所述粉末的材质为第二金属；通过3D打印成型设备以第一激光进行选择性激光熔化并按预设的第一连接层尺寸形成第一连接层，所述第一连接层为第一金属与第二金属的合金；通过3D打印成型设备在所述第一连接层表面铺上所述粉末；通过3D打印成型设备以第二激光进行选择性激光熔化并按预设的第二连接层尺寸形成所述第二连接层，所述第二激光的能量大于所述第一激光的能量，且所述第二连接层为第一金属与第二金属的合金。
本发明的异质金属件的制备方法通过采用不同激光能量加工形成第一连接层与第二连接层。加工第一连接层的第一激光能量较低以减小热应力，加工第二连接层的第二激光能量较第一激光的能量有所提高以增加结合强度。
附图说明
图1是本发明实施方式的异质金属件的制备方法的流程图。
图2是本发明实施方式的异质金属件的剖面示意图。
图3是本发明实施方式的基材层刻蚀形成微孔及铺上第二金属件粉末步骤流程的剖面示意图。
图4是本发明实施方式第一激光的扫描路径。
图5是本发明实施方式第二激光的扫描路径。
图6是本发明实施方式第三激光的扫描路径。
主要元件符号说明
异质金属件 100
微孔 11
粉末 20
基材层 101
第一连接层 102
第二连接层 103
第三连接层 104
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中设置的元件。当一个元件被认为是“设置在”另一个元件，它可以是直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中设置的元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1至图3，本发明一实施例提供一种异质金属件的制备方法用以形成一异质金属件100。异质金属件100由第一金属与第二金属结合形成。在本实施例中，第一金属为铝，第二金属为钢，但不限于此，在其它实施例中，第一金属与第二金属还可以是其它需要结合的金属，例如，生铁、铜等。在本实施例中，异质金属件100为钢铝合金管，但不限于此。
异质金属件的制备方法包括以下步骤：
S101：建立异质金属件100的三维模型。
请参阅图3，异质金属件100的三维模型包括预设的基材层101，以及沿远离基材层101方向依次排列的预设的第一连接层102、预设的第二连接层103及预设的第三连接层104。预设的基材层101的尺寸可以按需要设置。在本实施例中，预设的第一连接层102的厚度范围为0.5mm至1.0mm、预设的第二连接层103的厚度范围为1.0至2.0mm、预设的第三连接层104用于满足异质金属件100的整体尺寸要求。异质金属件100的三维模型可以在计算机上使用UG、PRO/ENGINEER等软件进行构建。
S102：根据预设的基材层101尺寸制作一基材层101，基材层101的材质为第一金属。
基材层101可由第一金属的坯料通过机械加工、铸造的方式形成。在本实施例中，形成基材层101后，还将基材层101浸渍于含脱脂剂的水溶液中。脱脂剂可为常见的金属脱脂剂，脱脂剂的浓度范围可为90g/L至150g/L。浸渍时，脱脂剂的水溶液的温度范围优选在20℃至30℃。浸渍的时间范围优选为1分钟至6分钟。优选地，脱脂处理后对基材层101进行水洗以去除脱脂剂。
S103：对基材层101的表面进行刻蚀以形成多个微孔11。
请参阅图2，对基材层101的刻蚀可以采用通用的干法或湿法刻蚀。在本实施例中，采用湿法刻蚀。具体地，采用磷酸、硝酸及醋酸的混合水溶液对基材层101进行刻蚀。刻蚀后形成的微孔11开口端的孔径小于其内部的孔径。可以理解，在其它实施例中，可以采用干法刻蚀，例如采用离子束刻蚀等。
S104：通过3D打印成型设备对基材层101进行预热。
通过对基材层101的预热以减少加工时第一金属和第二金属之间的温度差，从而减少热应力。对基材层101的预热可以采用通用的预热温度，例如：100℃至200℃。预热的温度可以根据金属的种类及其他需要设定。在本实施例中，将基材层101预热至180℃。可以理解，在其它实施例中，步骤S104还可以省略。
S105：将异质金属件100的三维模型导入3D打印成型设备中。
S106：通过3D打印成型设备在基材层101表面及微孔11中铺上粉末20，粉末20的材质为第二金属。
S107：通过3D打印成型设备以第一激光进行选择性激光熔化(SLM，Selectivelaser melting)并按预设的第一连接层102尺寸形成第一连接层102，第一连接层102为第一金属与第二金属的合金。
第一激光的能量使粉末处于部分熔融状态(即半熔融状态)，基材层101的表层处于熔融状态。部分熔融的粉末与处于熔融状态的基材层101表层部分在微孔11中冷却后紧密结合在一起。由于微孔11开口端的孔径小于其内部的孔径，凝固后的合金与基材层101形成稳固的铆合结构。
请一并参阅图4，具体地，加工第一连接层102的第一激光的功率范围优选为60W至100W，扫描速度范围优选为1800mm/s至2200mm/s，扫描间距范围优选为0.2mm至0.3mm。在本实施例中，第一激光的扫描方式优选为棋盘式。即将待扫描区域划分为多个较小长方形，并逐个进行扫描。棋盘式的扫描方式能够减少残留热应力，并使热应力均匀分布。
S108：通过3D打印成型设备在第一连接层102表面铺上粉末。
S109：通过3D打印成型设备以第二激光进行选择性激光熔化并按预设的第二连接层103尺寸形成第二连接层103，第二连接层103为第一金属与第二金属的合金。
第二激光的能量高于加工第一激光的能量，使粉末20及基材层101的表面全部熔化以形成冶金结合，从而提高结合强度。
请一并参阅图5，具体地，第二激光的功率范围优选为101W至140W，扫描速度范围优选为1400mm/s至1600mm/s，扫描间距范围优选为0.15mm至0.2mm。在本实施例中，第二激光的扫描方式为光栅式，即扫描路径为贯穿整个待扫描区域的多个平行线段。光栅式的扫描方式能够增加扫描效率并同时控制热应力。
S110：通过3D打印成型设备在第二连接层103表面铺上粉末。
S111：通过3D打印成型设备以第三激光进行选择性激光熔化并按预设的第三连接层104尺寸形成第三连接层104。
第三激光的能量最高以形成较高的致密度从而满足异质金属件的外观需求。
请一并参阅图6，第三激光功率范围优选为141W至200W，扫描速度范围优选为800mm/s至1100mm/s，扫描间距范围优选为0.1mm至0.15mm。在本实施例中，第三激光的扫描方式为条带式，即将扫描区域划分为多个长方形条带，并在每个条带中分别进行扫描，扫描路径为垂直该条带纵向方向的多个平行线段。
可以理解，在其它实施例中，如果对异质金属件100的外观的致密度、粗糙度等没有要求，则第三连接层104可以省略，预设的第二连接层103的厚度为预设的异质金属件100厚度与预设的第一连接层102及预设的基材层101的厚度之差。
可以理解，在其它实施例中，步骤S103可以省略，只要加工得到的异质金属件100的结合强度能够满足使用要求。
本发明的异质金属件的制备方法建立的异质金属件100的三维模型包括预设的基材层101，以及沿远离预设的基材层101方向依次排列的预设的第一连接层102及预设的第二连接层103。本发明还通过对基材层101进行刻蚀以形成多个微孔11，粉末能够进入微孔11中以增加接触面积，并能够形成铆合结构以提供结合效果。第一激光的能量较低以减小热应力，第二激光的能量较高以增加结合强度。本发明的异质金属件的制备方法还可以以最高的能量加工异质金属件100的最外层以形成第三连接层104。第三连接层104具有最高的致密度和最小的表面粗糙度，从而满足对异质金属件100外观的需求。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种异质金属件的制备方法，其包括如下步骤：
建立所述异质金属件的三维模型，所述三维模型包括预设的基材层及沿远离预设的基材层方向依次排列的预设的第一连接层与预设的第二连接层；
根据所述三维模型的预设的基材层尺寸制作一基材层，所述基材层的材质为第一金属；
对所述基材层的表面进行刻蚀以形成多个微孔；
将所述三维模型导入3D打印成型设备中；
通过3D打印成型设备在所述基材层表面及微孔中铺上粉末，所述粉末的材质为第二金属；
通过3D打印成型设备以第一激光进行选择性激光熔化并按预设的第一连接层尺寸形成第一连接层，所述第一激光的能量使所述粉末处于部分熔融状态，且所述基材层的表层处于熔融状态，所述第一连接层为第一金属与第二金属的合金；
通过3D打印成型设备在所述第一连接层表面铺上所述粉末；
通过3D打印成型设备以第二激光进行选择性激光熔化并按预设的第二连接层尺寸形成所述第二连接层，所述第二激光的能量大于所述第一激光的能量，且所述第二连接层为第一金属与第二金属的合金。
2.如权利要求1所述的异质金属件的制备方法，其特征在于：所述第二激光的能量使所述粉末及所述基材层的表层全部熔化以形成冶金结合。
3.如权利要求1所述的异质金属件的制备方法，其特征在于：所述微孔开口端的孔径小于其内部的孔径。
4.如权利要求1所述的异质金属件的制备方法，其特征在于：所述第一激光的激光功率范围为60W至100W，扫描速度范围为1800mm/s至2200mm/s，扫描间距范围为0.2mm至0.3mm。
5.如权利要求1所述的异质金属件的制备方法，其特征在于：所述第二激光的激光功率范围为101W～140W，扫描速度范围为1400mm/s至1600mm/s，扫描间距范围为0.15mm至0.2mm。
6.如权利要求1所述的异质金属件的制备方法，其特征在于：所述三维模型还包括预设的第三连接层，预设的第三连接层位于预设的第二连接层背离预设的基材层的一侧，在通过3D打印成型设备形成所述第二连接层后，通过3D打印成型设备在所述第二连接层表面铺上所述粉末；通过3D打印成型设备以第三激光进行选择性激光熔化并按预设的第三连接层尺寸形成所述第三连接层，所述第三激光的能量大于所述第二激光的能量，所述第二激光的能量使所述粉末及所述基材层的表层全部熔化以形成冶金结合。
7.如权利要求6所述的异质金属件的制备方法，其特征在于：所述第三激光的激光功率范围为141W至200W，扫描速度范围为800mm/s至1200mm/s，扫描间距范围为0.1mm至0.15mm。
8.如权利要求6所述的异质金属件的制备方法，其特征在于：预设的第一连接层的厚度范围为0.5mm至1.0mm，预设的第二连接层的厚度范围为1.0mm至2.0mm。
9.如权利要求6所述的异质金属件的制备方法，其特征在于：所述第一激光的扫描方式为棋盘式，所述第二激光的扫描方式为光栅式，所述第三激光的扫描方式为条带式。
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