CN110414873A - 一种金属3d打印件内部缺陷的综合评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于金属3D打印技术领域，提供了一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法。本方法中，首先采用高低不同的体积能量密度，利用选区激光熔化方法制备金属3D打印拉伸件，测量金属3D打印拉伸件的相关参数，根据相关参数来计算缺陷影响因数；接着选择某一工艺参数，利用选区激光熔化方法制备金属3D打印件，计算所述金属3D打印件的缺陷面积占比；最后利用获得的缺陷影响因数和缺陷面积占比，计算金属3D打印件的内部缺陷综合评指标。采用本发明的方法，能可靠地、准确地评价金属3D打印件的内部缺陷对力学性能的综合影响，从而进一步评价选区激光熔化制备工艺参数的合理性。同时，本发明的综合评价方法中，考虑了金属3D打印件的主要内部缺陷类型和数目，并以内部缺陷综合指标来评价金属打印件的质量可靠性，能够缩短产品的加工周期。

Description

一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法
技术领域
本发明属于金属3D打印技术领域，尤其涉及一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法。
背景技术
现在的3D打印技术大体可分为SLS(选择性激光烧结)、SLM(选择性激光融化)、FDM(熔融沉积成型)、SLA(立体光固化成型)、EBM(电子束喷射成型)。
SLM技术是金属3D打印的一种重要方法，该方法的技术原理是：利用高能量的激光束照射金属粉末使其快速融化并冷却凝固成型，该方法可以达到如下技术效果：可以利用单一金属或混合金属粉末直接制造出金属零件，且制造出的金属零件致密性接近100％，加工出的零件精度高，力学性能好。在应用场景上，SLM技术已经在汽车、航空航天、医疗、军工等领域有了广泛的应用。
但是，选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)成形过程存在着传热、熔化、相变、气化和传质等现象，是一种复杂动态非平衡过程。SLM成形过程中，金属粉末的熔化与凝固过程小于几毫秒，激光源移动速度达2m/s以上，熔池急剧降温，冷却速度可达104K/s，成形过程中，激光束和温度场不稳定，因此，选区激光熔化过程中，产品极易产生球化、孔隙、气泡和裂纹等内部缺陷。
金属3D打印主要内部缺陷包括孔隙、气泡和裂纹等，内部缺陷直接影响着金属3D打印件的使用性能，良好的激光工艺参数能够降低金属打印件内部缺陷，因此，内部缺陷检测和评价是金属3D打印的关键环节。
当前行业中的普遍做法是，采用金相显微镜观察若干打印件横截面金相图，或工业CT扫描获得整体内部缺陷，观察金属3D打印件内部缺陷的种类、数目，结合操作人员的经验，在此基础上调整激光工艺参数，获得无裂纹、无气泡和少量孔隙的金属打印件。因此，在现有技术中，调整激光工艺参数时，融合了人的主观因素，目前还没有一套可以系统地对金属3D打印件的内部缺陷进行有效评价的方法，金属3D打印内部缺陷评价没有统一的标准。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，旨在解决现有技术中金属3D打印内部缺陷评价没有统一的标准的技术问题。
本发明采用统计学和转换法，提出一种高效、准确的金属3D打印件内部缺陷综合评价方法，通过分析打印件主要内部缺陷的数目和类型对力学性能的影响，计算不同内部缺陷影响系数，实现了不同内部缺陷之间的转换，获得金属3D打印的内部缺陷综合评价指标，实现了主要内部缺陷如孔隙、气泡和裂纹的对力学性能的综合评价。
本发明是这样实现的，一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：首先采用高低不同的体积能量密度，利用选区激光熔化方法制备金属3D打印拉伸件，测量金属3D打印拉伸件的相关参数，根据相关参数来计算缺陷影响因数；步骤2：选择某一工艺参数，利用选区激光熔化方法制备金属3D打印件，计算所述金属3D打印件的缺陷面积占比；步骤3：利用获得的缺陷影响因数和缺陷面积占比，计算金属3D打印件的内部缺陷综合评指标。
本发明还提供了一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，所述的高低不同的体积能量密度为：第一体积能量密度、第二体积能量密度、第三体积能量密度、第四体积能量密度，其中，所述的第一体积能量密度、第二体积能量密度、第三体积能量密度、第四体积能量密度的体积能量密度各不相同。
本发明还提供了一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，所述的第一体积能量密度、第二体积能量密度、第三体积能量密度、第四体积能量密度分别设置为较低的体积能量密度、高的体积能量密度、较高的体积能量密度、采用合适的体积能量密度。
本发明还提供了一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，在所述的步骤1中，测量的金属3D打印拉伸件的相关参数，包括孔隙缺陷面积、密度、抗拉强度、断后延伸率。
本发明还提供了一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，第一体积能量密度下，金属3D打印拉伸件的内部缺陷几乎为全孔隙；第二体积能量密度下，金属3D打印拉伸件的内部缺陷几乎为全气泡；第三体积能量密度下，金属3D打印拉伸件的内部缺陷几乎为全裂纹；第四体积能量密度下，金属3D打印拉伸件的内部无裂纹、无气泡、具有少量孔隙。
本发明还提供了一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，第一体积能量密度、第二体积能量密度、第三体积能量密度、第四体积能量密度下制备的金属3D打印拉伸件，测得的横截面上孔隙缺陷面积分别为s1、s2、s3、s4，金属3D打印拉伸件的密度分别为ρ1、ρ2、ρ3、ρ4，抗拉强度分别为σb1、σb2、σb3、σb4和断后延伸率分别为A1、A2、A3、A4。
本发明还提供了一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，以s4、ρ4、σb4和A4为基准，计算孔隙的缺陷影响因数、气泡的缺陷影响因数和裂纹的缺陷影响因数：
孔隙缺陷的影响因数η1＝(ρ1/ρ4)×[(σb1/σb4)+(A1/A4)]×(s4/s1)/2
气泡缺陷的影响因数η2＝(ρ2/ρ4)×[(σb2/σb4)+(A1/A4)]×(s4/s2)/2
裂纹缺陷的影响因数η3＝(ρ3/ρ4)×[(σb3/σb4)+(A1/A4)]×(s4/s3)/2。
本发明还提供了一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，在步骤2中，制备金属3D打印件后，选择金属3D打印件的打印方向上的多个横截面，计算每个横截面上的相应缺陷的面积占整个横截面的比例，并对上述比例取平均值，得到孔隙缺陷面积占比D1，气泡缺陷面积占比D2，裂纹缺陷面积占比D3。
本发明还提供了一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，计算每个横截面上的相应缺陷的面积占整个横截面的比例时，可对选择的横截面进行金相抛光，获得每个横截面的金相图，根据金相图，计算每个横截面上的缺陷数目求平均值，其中孔隙缺陷的数目为n1，气泡缺陷的数目为n2，裂纹缺陷的数目为n3，利用孔隙缺陷的数目n1、气泡缺陷的数目n2、裂纹缺陷的数目n3，计算上述的每个横截面上的相应缺陷的面积占整个横截面的比例。
本发明还提供了一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，在步骤3中，利用步骤1中获得的孔隙的缺陷影响因数η1、气泡的缺陷影响因数η2和裂纹的缺陷影响因数η2和步骤2中获得的孔隙缺陷面积占比D1、气泡缺陷面积占比D2、裂纹缺陷面积占比D3，可计算得出金属3D打印件内部缺陷综合指标为:
内部缺陷综合指标＝η1×D1+η2×D2+η3×D3。
本发明相对于现有技术的技术效果是：
(1)采用本发明的技术方案，能可靠地、准确地评价金属3D打印件的内部缺陷对力学性能的综合影响，从而进一步评价选区激光熔化制备工艺参数的合理性。
(2)本发明的综合评价方法中，考虑了金属3D打印件的主要内部缺陷类型和数目，并以内部缺陷综合指标来评价金属打印件的质量可靠性，能够缩短产品的加工周期。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明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，下面所描述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是本发明实施例提供的内部缺陷的综合评价方法的整体流程；
图2是本发明实施例提供的第一体积能量密度下获得的金属3D打印拉伸件的金相图；
图3是本发明实施例提供的第二体积能量密度下获得的金属3D打印拉伸件的金相图；
图4是本发明实施例提供的第三体积能量密度下获得的金属3D打印拉伸件的金相图；
图5是本发明实施例提供的第四体积能量密度下获得的金属3D打印拉伸件的金相图。
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。
如图1所示为本发明中的一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法的整体流程图，包括如下步骤：
步骤1：首先采用高低不同的体积能量密度，利用选区激光熔化方法制备金属3D打印拉伸件，测量金属3D打印拉伸件的相关参数，根据相关参数来计算缺陷影响因数；
步骤2：选择某一工艺参数，利用选区激光熔化方法制备金属3D打印件，计算所述金属3D打印件的缺陷面积占比；
步骤3：利用获得的缺陷影响因数和缺陷面积占比，计算金属3D打印件的内部缺陷综合评指标。
利用该方法，实现了金属3D打印件内部缺陷的标准化评估。
在上述方法的步骤1中，高低不同的体积能量密度优先为四种：第一体积能量密度、第二体积能量密度、第三体积能量密度、第四体积能量密度，其中，所述的第一体积能量密度、第二体积能量密度、第三体积能量密度、第四体积能量密度的体积能量密度各不相同。
利用高低不同的体积能量密度制备的金属3D打印拉伸件的数量需要一定数值，优先地设置为100个以上。
在上述方法的步骤1中，测量的金属3D打印拉伸件的相关参数，包括孔隙缺陷面积、密度、抗拉强度、断后延伸率。具体，在测量时，可以通过如下方式测量：利用金相显微镜获得金相图，并计算横截面上孔隙缺陷面积，利用密度测试仪测量打印件密度，利用万能试验机进行拉伸试验获得抗拉强度和断后延伸率。值得说明的是，上述测量方式仅仅是一种示例，通过其他测量方式获得上述相关参数，亦是本发明的保护范围。
优选地，第一体积能量密度、第二体积能量密度、第三体积能量密度、第四体积能量密度的大小顺序为第一体积能量密度<第四体积能量密度<第三体积能量密度<第二体积能量密度，具体地，第一体积能量密度、第二体积能量密度、第三体积能量密度、第四体积能量密度分别设置为较低的体积能量密度、高的体积能量密度、较高的体积能量密度、采用合适的体积能量密度。
其中，第一体积能量密度下制备的金属3D打印拉伸件的内部缺陷几乎为全孔隙；利用金相显微镜获得金相图，如图2，并计算横截面上孔隙缺陷面积s1，利用密度测试仪测量打印件密度ρ1，利用万能试验机进行拉伸试验获得抗拉强度σb1和断后延伸率A1；
第二体积能量密度下制备的金属3D打印拉伸件的内部缺陷几乎为全气泡，利用金相显微镜获得金相图，如图3，并计算横截面上气泡缺陷面积s2，利用密度测试仪测量打印件密度ρ2，利用万能试验机进行拉伸试验获得抗拉强度σb2和断后延伸率A2。
第三体积能量密度下制备的金属3D打印拉伸件的内部缺陷几乎为全裂纹，利用金相显微镜获得金相图，如图4，并计算横截面上裂纹缺陷面积s3，利用密度测试仪测量打印件密度ρ3，利用万能试验机进行拉伸试验获得抗拉强度σb3和断后延伸率A3。
第四体积能量密度下制备的金属3D打印拉伸件的内部无裂纹、无气泡、具有少量孔隙，利用金相显微镜获得金相图，如图5，并计算横截面上面积s4，利用密度测试仪测量打印件密度ρ4，利用万能试验机进行拉伸试验获得抗拉强度σb4和断后延伸率A4。
值得说明的是，上述表述方式中的“几乎”一词表述的是行业中对内部缺陷的常规用语，对本领域技术人员而言，不存在不能理解的情况。
步骤1中的计算缺陷影响因数的方法为：
以s4、ρ4、σb4和A4为基准，计算孔隙的缺陷影响因数、气泡的缺陷影响因数和裂纹的缺陷影响因数，具体地，
孔隙缺陷的影响因数η1＝(ρ1/ρ4)×[(σb1/σb4)+(A1/A4)]×(s4/s1)/2
气泡缺陷的影响因数η2＝(ρ2/ρ4)×[(σb2/σb4)+(A1/A4)]×(s4/s2)/2
裂纹缺陷的影响因数η3＝(ρ3/ρ4)×[(σb3/σb4)+(A1/A4)]×(s4/s3)/2
在步骤2中，制备金属3D打印件后，选择金属3D打印件的打印方向上的多个横截面，计算每个横截面上的相应缺陷的面积占整个横截面的比例，并对上述比例取平均值，得到孔隙缺陷面积占比D1，气泡缺陷面积占比D2，裂纹缺陷面积占比D3；
具体地，首先，可对选择的横截面进行金相抛光，获得每个横截面的金相图，根据金相图，计算每个横截面上的缺陷数目求平均值，其中孔隙缺陷的数目为n1，气泡缺陷的数目为n2，裂纹缺陷的数目为n3，利用孔隙缺陷的数目n1、气泡缺陷的数目n2、裂纹缺陷的数目n3，计算上述的每个横截面上的相应缺陷的面积占整个横截面的比例。
在步骤3中，利用步骤1中获得的孔隙的缺陷影响因数η1、气泡的缺陷影响因数η2和裂纹的缺陷影响因数η2和步骤2中获得的孔隙缺陷面积占比D1、气泡缺陷面积占比D2、裂纹缺陷面积占比D3，可计算得出金属3D打印件内部缺陷综合指标为:
内部缺陷综合指标＝η1×D1+η2×D2+η3×D3。
上述的内部缺陷综合指标代表了金属3D打印件的缺陷对力学性能的影响，越接近1，则内部缺陷综合影响越小。
利用上述的内部缺陷综合指标，能可靠地、准确地评价金属3D打印件的内部缺陷，以及内部缺陷对力学性能的综合影响，从而进一步评价选区激光熔化制备工艺参数的合理性。
上述的内部缺陷综合指标考虑了金属3D打印件的主要缺陷类型和数目，并以内部缺陷综合指标来评价金属打印件的质量可靠性，能够缩短产品的加工周期。
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 (10)

1.一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：首先采用高低不同的体积能量密度，利用选区激光熔化方法制备金属3D打印拉伸件，测量金属3D打印拉伸件的相关参数，根据相关参数来计算缺陷影响因数；
步骤2：选择某一工艺参数，利用选区激光熔化方法制备金属3D打印件，计算所述金属3D打印件的缺陷面积占比；
步骤3：利用获得的缺陷影响因数和缺陷面积占比，计算金属3D打印件的内部缺陷综合评指标。
2.如权利要求1所述的一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，其特征在于，高低不同的体积能量密度为：第一体积能量密度、第二体积能量密度、第三体积能量密度、第四体积能量密度，其中，所述的第一体积能量密度、第二体积能量密度、第三体积能量密度、第四体积能量密度的体积能量密度各不相同。
3.如权利要求1所述的一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，其特征在于，第一体积能量密度、第二体积能量密度、第三体积能量密度、第四体积能量密度分别设置为较低的体积能量密度、高的体积能量密度、较高的体积能量密度、采用合适的体积能量密度。
4.如权利要求1所述的一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，其特征在于，在所述的步骤1中，测量的金属3D打印拉伸件的相关参数，包括孔隙缺陷面积、密度、抗拉强度、断后延伸率。
5.如权利要求3所述的一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，其特征在于，第一体积能量密度下，金属3D打印拉伸件的内部缺陷几乎为全孔隙；第二体积能量密度下，金属3D打印拉伸件的内部缺陷几乎为全气泡；第三体积能量密度下，金属3D打印拉伸件的内部缺陷几乎为全裂纹；第四体积能量密度下，金属3D打印拉伸件的内部无裂纹、无气泡、具有少量孔隙。
6.如权利要求2所述的一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，其特征在于，第一体积能量密度、第二体积能量密度、第三体积能量密度、第四体积能量密度下制备的金属3D打印拉伸件，测得的横截面上孔隙缺陷面积分别为s1、s2、s3、s4，金属3D打印拉伸件的密度分别为ρ1、ρ2、ρ3、ρ4，抗拉强度分别为σb1、σb2、σb3、σb4和断后延伸率分别为A1、A2、A3、A4。
7.如权利要求6所述的一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，其特征在于，以s4、ρ4、σb4和A4为基准，计算孔隙的缺陷影响因数、气泡的缺陷影响因数和裂纹的缺陷影响因数：
孔隙缺陷的影响因数η1＝(ρ1/ρ4)×[(σb1/σb4)+(A1/A4)]×(s4/s1)/2
气泡缺陷的影响因数η2＝(ρ2/ρ4)×[(σb2/σb4)+(A1/A4)]×(s4/s2)/2
裂纹缺陷的影响因数η3＝(ρ3/ρ4)×[(σb3/σb4)+(A1/A4)]×(s4/s3)/2。
8.如权利要求7所述的一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，其特征在于，在步骤2中，制备金属3D打印件后，选择金属3D打印件的打印方向上的多个横截面，计算每个横截面上的相应缺陷的面积占整个横截面的比例，并对上述比例取平均值，得到孔隙缺陷面积占比D1，气泡缺陷面积占比D2，裂纹缺陷面积占比D3。
9.如权利要求8所述的一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，其特征在于，计算每个横截面上的相应缺陷的面积占整个横截面的比例时，可对选择的横截面进行金相抛光，获得每个横截面的金相图，根据金相图，计算每个横截面上的缺陷数目求平均值，其中孔隙缺陷的数目为n1，气泡缺陷的数目为n2，裂纹缺陷的数目为n3，利用孔隙缺陷的数目n1、气泡缺陷的数目n2、裂纹缺陷的数目n3，计算上述的每个横截面上的相应缺陷的面积占整个横截面的比例。
10.如权利要求9所述的一种金属3D打印件内部缺陷的综合评价方法，其特征在于，在步骤3中，利用步骤1中获得的孔隙的缺陷影响因数η1、气泡的缺陷影响因数η2和裂纹的缺陷影响因数η2和步骤2中获得的孔隙缺陷面积占比D1、气泡缺陷面积占比D2、裂纹缺陷面积占比D3，可计算得出金属3D打印件内部缺陷综合指标为:
内部缺陷综合指标＝η1×D1+η2×D2+η3×D3。
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