CN110434332B - 一种金属增材制造的在线热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

一种金属增材制造的在线热处理工艺，先通过计算机CAD软件三维建模，利用增材制造系统专用切片分层软件模型进行分层和路径规划；然后开始增材制造过程，进行第一层材料在基板上的堆叠和凝固；再对第一层材料进行激光冲击强化并确保冲击影响层深度大于单层堆积层的厚度；然后进行下一层材料的堆叠和凝固，通过调节增材制造过程参数及打印层层厚，使得堆叠过程中产生的热量对前述打印层进行实现在线热处理；再次进行激光冲击强化；重复打印及激光冲击强化直至零件制备完毕；本发明将激光冲击强化和增材制造技术相结合，实时热处理改善构件微观组织，并且改善增材制造部件的内应力情况。

Description

一种金属增材制造的在线热处理工艺
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种金属增材制造的在线热处理工艺。
背景技术
激光冲击强化技术(Laser shock peening,简称LSP，又称作激光喷丸技术)，是一种表面工艺，利用高功率的激光对材料表面进行冲击，赋予材料表面及一定深度区域内很强的残余压应力并且增加该区域内部的位错密度，在后续的热处理过程中促使内部晶粒发生再结晶。LSP对构件表面造成的冲击压力能够达到GPa量级，远远高于一般的机械冲压的压力，能够更加显著的提升试件性能。
增材制造(Additive manufacturing，简称AM)是一种基于离散-堆积原理，并由三维数据驱动，进而直接成形零件的先进制造技术。电弧丝材增材制造技术(Wire arcadditive manufacturing，简称WAAM)由于其制造效率和材料利用率相较于传统制造工艺更高而在世界范围内受到了大量研究。激光选区熔化(Selective laser melting，简称SLM)，也由于其较高的制造精度和制造精密复杂零件的能力而被广泛关注。另外两种常见的金属增材制造工艺包括电子束熔化(Electron Beam Melting，简称EBM)和激光近净成型(Laser engineered net shaping，简称LENS；又名激光熔覆，Laser cladding，简称LC)，也都在目前的科研和生产实践中表现独到的优势和潜力。
目前，直接通过增材制造生产的金属工件往往会由于内部以及表面残余的拉应力导致边缘翘曲、开裂等问题，其疲劳寿命一般较低。在以钛合金为代表的增材制造过程中，由于粗大晶粒的持续外延生长，将会在试样内部沿堆积方向形成粗大的柱状晶体以及较强的织构，严重影响增材制造零部件的各项机械性能。
申请号201710477283.2的中国专利公开了一种用于调控/降低激光增材制造零件内应力的方法，这种方法通过对层层堆积的激光熔覆层进行激光冲击，实现对其内部残余应力的调控。申请号201710273048.3的中国专利公开了一种激光热力逐层交互增材制造的组合装置，通过对增材制造试样的逐层冲击，解决了增材制造过程中内应力导致的变形开裂以及疲劳性能较差等问题。
可以看到，现有方法大都集中在对增材制造试样的内应力的调控以及内应力导致的缺陷的避免，并未涉及更深层次的微观组织和织构的调控。并且，现有方法都集中在激光增材制造领域，对于电弧丝材增材制造、电子束熔化等同样被大量研究的增材制造技术不具有普适性。由于微观组织对增材制造试样的性能的影响十分巨大，其特点直接决定了所生产出试样的物理性能和加工性能，因此，发展一种对各种增材制造技术具有普适性并且能对构件进行在线热处理的方法是十分有必要的。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种金属增材制造的在线热处理工艺，将激光冲击强化和增材制造技术相结合，实时热处理改善构件微观组织，并且改善增材制造部件的内应力情况。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种金属增材制造的在线热处理工艺，包括以下步骤：
1)通过计算机CAD软件三维建模，利用增材制造系统专用切片分层软件模型进行分层和路径规划；
2)开始增材制造过程，进行第一层材料在基板上的堆叠和凝固；
3)对第一层材料进行激光冲击强化并确保冲击影响层深度大于单层堆积层的厚度；
4)进行下一层材料的堆叠和凝固，通过调节增材制造过程参数及打印层层厚，使得堆叠过程中产生的热量对前述打印层进行实现在线热处理，其热处理区域包括重熔区和再结晶区，当热量足够高时就能够使得之前具有较多位错的部位再结晶形成较小的等轴晶，而重熔区则由于再次凝固产生局部粗晶；
5)再次进行激光冲击强化并确保影响层深度超过步骤4)中打印层厚度及该过程中释放热量对前一打印层造成的熔融区以及再结晶区域深度之合；
6)重复步骤4)和步骤5)直至零件制备完毕，整个工件内部的微观组织和残余应力得到改善，当再次进行下一层材料堆叠时，已有的最后一层中也会产生再结晶，并且根据需求通过控制输入热量来决定所要产生的再结晶区域的大小。
激光冲击强化和增材制造参数的选择，必须达到一定的要求才能实现实时热处理，最终使得整个试件的微观组织和残余应力得到改善；由于在进行下一层材料的堆叠时会产生大量的热量，此时就会对上一层或是上几层的凝固后的材料造成影响，其影响区域分为熔融区和再结晶区，其中晶粒形貌和织构在熔融区和再结晶区域中得到改善；通过综合调控增材制造过程参数(例如SLM中的激光能量密度、堆积层厚等)和激光冲击强化参数，使得激光冲击影响层深度大于最新堆积层及其释放热量造成的热处理区厚度之和，以保证热处理区域能被后续激光冲击强化并获得残余压应力；步骤4)和步骤5)中，通过调节激光冲击强化参数和增材制造能量输入，能够达到完全再结晶的效果；同时，该方法在一定条件下也可实现多层打印后激光冲击强化，以及同一区域多次冲击强化和选择性冲击强化关键区域等。在整个工艺过程中，对于一些上表面难以冲击的构件，也可通过冲击其侧面来达到同样的效果。
所述的激光冲击强化产生的影响层深度是指产生位错和残余压应力的影响深度。
所述的激光冲击强化应用了Q-switched技术的Nd:YAG脉冲激光，激光冲击强化参数为：光斑直径0.1～20mm，波长1064nm或532nm，纵向重叠率0～90％，横向重叠率0～90％，脉冲能量0.1～50J，脉宽3～30ns，频率0.5～10Hz。
所述的一种金属增材制造的在线热处理工艺，适用于电弧丝材增材制造(WAAM)、激光选区熔化(SLM)、电子束熔化(EBM)以及多能束、多工艺复合的增材制造技术；对于超声波增材制造(UAM)这类不利用外部热源使得材料熔化并层层堆叠的增材制造技术则能够起到增加内部残余压应力，提升其疲劳强度和机械性能的作用，并且通过后续再结晶热处理改善其微观组织。
本发明和现有技术相比，其有益效果为：
1、与常规增材制造技术相比，本专利利用激光冲击强化在工件内部产生残余压应力和位错，其产生的残余压应力能够提升工件的疲劳寿命、强度，避免在增材过程中由于表面拉应力而导致的形变和翘曲、开裂等现象，避免工件由于应力腐蚀而导致的开裂，同时提升其硬度和抗电化学腐蚀能力；在冲击过程中产生的位错一方面起到了强化的作用，另一方面为下一步热处理中触发试件再结晶做好准备。
2、与常规增材制造技术相比，本专利工艺能够实现在加工的过程中实时热处理，简化了整个加工过程，同时由于激光冲击强化产生的大量位错提高了构件内部存储能，在后续堆积层材料所释放的热量中起到热处理的作用从而触发再结晶；因此，通过本专利工艺就能够避免传统增材制造过程中由于粗大柱状晶而导致的各向异性以及机械性能(例如强度、疲劳寿命、硬度等)较差的情况出现。
3、与常规增材制造技术相比，本专利工艺具有更强的灵活性，对于不同的增材制造工艺和不同的性能要求，能够实现灵活定制。通过综合调整激光冲击强化参数和增材制造过程参数以及冲击方向，能够实现对增材制造构件内部的微观组织定制化制造，选择性得到完全再结晶或是内部含有大量位错能够通过后续热处理改善组织性能的试样。
附图说明
图1为本发明工艺的流程图。
图2为本发明工艺过程中的微观组织演变示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
如图1所示，一种金属增材制造的在线热处理工艺，包括以下步骤：
1)用计算机CAD软件建模出尺寸为20mm*20mm*7mm的试样模型，利用增材制造系统专用切片分层软件模型进行分层和路径规划；
2)开始增材制造过程，选用TC4钛合金粉末为原料，如图2(a)所示，进行第一层材料在基板上的堆叠和凝固，现阶段其内部由于增材制造过程中较高的热梯度产生了大量的粗大的柱状晶；
进行第一层铺粉与激光选区熔化过程，激光以连续模式工作，功率为125W，光斑直径90μm，扫描速度600mm/s，单层堆积层厚0.03mm；
3)如图2(b)所示，对第一层材料进行激光冲击强化并确保冲击影响层深度大于单层堆积层的厚度，在第一层凝固组织内部产生了大量位错；
本实施例通过运动系统将连带着第一层增材制造材料的基板传递至激光冲击强化工位，并在传递的过程中吹去多余的粉末；以K9玻璃作为激光冲击约束层，由运动机构携带的100μm厚的铝箔胶带作为保护层，对已经凝固的第一层材料进行激光冲击，激光脉冲能量0.4j，脉冲频率5Hz，光斑直径1mm，光斑重叠率80％；
4)如图2(c)所示，进行下一层材料的堆叠和凝固，通过调节增材制造过程参数及打印层层厚，使得堆叠过程中产生的热量对前述打印层进行实现在线热处理，其热处理区域包括重熔区和再结晶区，当热量足够高时就能够使得之前具有较多位错的部位再结晶形成较小的等轴晶，而重熔区则由于再次凝固产生局部粗晶；
本实施例通过运动系统回到增材制造工位，进行第下一层材料的堆叠，堆叠的过程中，后面一层材料熔化时所释放的热量对上一层起到实时热处理作用；
5)如图2(d)所示，再次进行激光冲击强化并确保影响层深度超过步骤4)中打印层厚度及该过程中释放热量对前一打印层造成的熔融区以及再结晶区域深度之合，由于激光冲击强化效果随深度逐渐被削弱，新产生的位错密度沿深度方向逐渐下降；
本实施例通过运动系统再次将增材制造基板传递至激光冲击强化工位，进行下一次激光冲击；
6)重复步骤4)和步骤5)直至零件制备完毕，整个工件内部的微观组织和残余应力得到改善，如图2(e)所示，当再次进行下一层材料堆叠时，已有的最后一层中也会产生类似于图2(c)中的再结晶，并且根据需求通过控制输入热量来决定所要产生的再结晶区域的大小。

Claims (4)

1.一种金属增材制造的在线热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1）通过计算机CAD软件三维建模，利用增材制造系统专用切片分层软件模型进行分层和路径规划；
2）开始增材制造过程，进行第一层材料在基板上的堆叠和凝固；
3）对第一层材料进行激光冲击强化并确保冲击影响层深度大于单层堆积层的厚度；
4）进行下一层材料的堆叠和凝固，通过调节增材制造过程参数及打印层层厚，使得堆叠过程中产生的热量对前述打印层进行实现在线热处理，其热处理区域包括重熔区和再结晶区，当热量足够高时就能够使得之前具有较多位错的部位再结晶形成较小的等轴晶，而重熔区则由于再次凝固产生局部粗晶 ；
5）再次进行激光冲击强化并确保影响层深度超过步骤4）中打印层厚度及该过程中释放热量对前一打印层造成的熔融区以及再结晶区域深度之和；
6）重复步骤4）和步骤5）直至零件制备完毕，整个工件内部的微观组织和残余应力得到改善，当再次进行下一层材料堆叠时，已有的最后一层中也会产生再结晶，并且通过控制输入热量来决定所要产生的再结晶区域的大小；
所述的步骤3）激光冲击强化过程使用约束层和保护层，约束层为K9玻璃，保护层为铝箔胶带；
所述的步骤4)和步骤5)中，通过调节激光冲击强化参数和增材制造能量输入，能够达到完全再结晶的效果；
在整个工艺过程中，对于一些上表面难以冲击的构件，通过冲击其侧面来达到同样的效果。
2.根据权利要求1所述的一种金属增材制造的在线热处理工艺，其特征在于：所述的激光冲击强化产生的影响层深度是指产生位错和残余压应力的影响深度。
3.根据权利要求1所述的一种金属增材制造的在线热处理工艺，其特征在于：所述的激光冲击强化应用了Q-switched技术的Nd:YAG脉冲激光，激光冲击强化参数为：光斑直径0.1~20mm，波长1064nm或532nm，纵向重叠率0~90%，横向重叠率0~90%，脉冲能量0.1~50J，脉宽3~30ns，频率0.5~10Hz。
4.根据权利要求1所述的一种金属增材制造的在线热处理工艺，其特征在于：适用于电弧丝材增材制造（WAAM）、激光选区熔化（SLM）或电子束熔化（EBM）。
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