CN110860797A - 一种电弧-激光复合增材制造方法 - Google Patents

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蒋鹏
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Abstract

一种电弧‑激光复合增材制造方法，包括以下步骤：将待加工金属零件的表面进行机械打磨、清洗去除油污、干燥，并测量好尺寸后置于工作台上用夹具固定好，备用；建立待加工金属零件的三维模型，获得三维模型文件，对该文件进行切片处理，获得电弧增材的加工路径，并设定电弧增材的工艺参数，在惰性气体环境下对待加工零件采用电弧熔丝进行逐层沉积；根据加工金属零件的材质和待打印层的有效壁厚，通过对温度场的模拟，选用相应的激光扫描轨迹、扫描功率和扫描速度，对打印的熔覆层进行激光热处理；本发明的方法可改善成形件中的粗大柱状晶，减少马氏体组织以及位错，显著降低增材制造的各向异性，有效控制成形精度。

Description

一种电弧-激光复合增材制造方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，具体的说是一种电弧-激光复合增材制造方法。
背景技术
金属零件增材制造技术是20世纪90年代末在快速原形制造技术基础上发展起来的，用于直接制备全致密金属零件的先进制造技术。它结合了快速原型制造技术、高功率热源熔化沉积技术与先进材料制备技术，采用数字化离散/堆积成形的增材制造思想，通过高功率热源熔化沉积同步输送的金属粉末或者丝材，在沉积基板上逐层堆积，从而实现具有复杂外形、组织细小、成分均匀的高性能全致密金属零件“近净成形制造”。利用金属零件增材制造技术制备出的金属材料有高温合金、钛合金、奥氏体不锈钢、低合金钢、超高强度钢等，钛合金具有良好的耐蚀性、透声性和高的比强度等优点，被称为“海洋合金”，随着海洋装备的快速发展，钛合金在船舶领域、海洋工程装备等方面的应用需求越来越大。船舶结构、深潜器等大型设备中采用了大量的钛合金复杂结构件，如果采用传统的加工方法，材料利用率低，工期长，成本高，部分复杂构件无法制造等。电弧-激光复合增材制造作为一种快速制造方法，有望为船舶及海洋工程装备的大型复杂钛合金构件的快速制造提供一种技术途径。
目前，现有的复合增材制造方法主要是热源方式的复合，如电弧和激光的复合热源做为丝材熔化的热源，进行逐层的堆积，虽然效率有所提高，但仍然出现晶粒粗大，内应力大等不足；表面清理和电弧增材的复合制造的增材方法则是以一种成形过程中仍然是电弧增材，只是增加了一种焊丝表面的清理方法，对成形过程没用改变；激光诱导电弧增材制造方法是利用的激光和电弧热源复合，从而形成复合热源熔化丝材进行增材制造，对成形组织及应力分布没有改善作用。针对上述方法的不足，本申请提出一种电弧-激光复合增材制造方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题的不足，本发明提出一种电弧-激光复合增材制造方法，通过电弧熔丝进行增材制造，激光随行热处理退火调整成形件温度分布规律，改善成形件中的粗大柱状晶，减少马氏体组织以及位错，显著降低增材制造的各向异性，有效控制成形精度。
本发明为解决上述技术问题的不足而采用的技术方案是：
一种电弧-激光复合增材制造方法，包括以下步骤：
(1)清洗：将待加工金属零件的表面进行机械打磨，分别用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用，然后将清洗过的待加工金属零件测量好尺寸后置于工作台上，用夹具固定好，备用；
(2)电弧增材制造：建立待加工金属零件的三维模型，获得三维模型文件，对该文件进行切片处理，获得电弧增材的加工路径，并设定电弧增材的工艺参数，在惰性气体环境下对待加工零件采用电弧熔丝进行逐层沉积；
(3)激光热处理：根据加工金属零件的材质和待打印层的有效壁厚，通过对温度场的模拟，选用相应的激光扫描轨迹、扫描功率和扫描速度，对打印的熔覆层进行激光热处理，降低成形组织的内应力和各向异性，改善粗大晶粒和马氏体，控制变形，提高成形精度，具体方法如下：
电弧增材每打印出1层或者多层时，对最新打印成形的1层或者多层，进行层内及相邻层间的激光扫描热处理，直到零件制作成形；
对最后打印出的1层或者多层的零件表面在厚度范围进行最后的激光扫描，改善最后1层或者多层零件表面的组织形态，同时消除或减小成形零件厚度中的每层内以及相邻层间的应力，从而完成成形零件的制作。
进一步的，所述待加工金属零件为钛合金、钢、铝合金中的任一种。
进一步的，步骤(2)中的送丝速度为5.5-8m/min，成形速度为0.3-0.5m/min，保护气流量为15-20L/min。
进一步的，步骤(3)中的激光功率为0.5-1.0kw，激光扫描速度为0.3-0.8m/min。
进一步的，所述待加工金属零件为钛合金，成形后的钛合金工件的力学性能高于同级别锻件，且各向异性≤2％。
本发明的有益效果是：
本发明的电弧-激光复合制备增材方法是将基于CMT的高效电弧增材制造技术与激光加工技术相结合的新型复合增材制造技术，在电弧熔丝增材的同时，对构件堆积层进行激光随行退火，可达到以下目的：
(1)可以调整成形件温度分布规律，从而降低快速冷却过程中产生的大量的内应力，有效控制成形精度；
(2)选择电弧熔丝进行增材制造，激光随行热处理可以改善成形件中的粗大柱状晶，减少马氏体组织，减少组织中的位错，显著降低增材制造的各向异性，进一步提高增材制造零件的尺寸精度和组织性能，为大型零件电弧增材制造的工程化应用提供技术支撑；
(3)通过对每次打印出的1层或多层结构表面进行激光扫描，能够对成形件的表面粗糙度进行改善。
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为电弧-激光复合增材制造的钛合金低倍组织的示意图。
具体实施方式
下面给出具体实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整、详细地说明。本实施例是以本发明技术方案为前提的最佳实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种电弧-激光复合增材制造方法，包括以下步骤：
(1)清洗：将待加工金属零件的表面进行机械打磨，分别用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用，然后将清洗过的待加工金属零件测量好尺寸后置于工作台上，用夹具固定好，备用；
(2)电弧增材制造：建立待加工金属零件的三维模型，获得三维模型文件，对该文件进行切片处理，获得电弧增材的加工路径，并设定电弧增材的工艺参数，在惰性气体环境下对待加工零件采用电弧熔丝进行逐层沉积；
(3)激光热处理：根据加工金属零件的材质和待打印层的有效壁厚，通过对温度场的模拟，选用相应的激光扫描轨迹、扫描功率和扫描速度，对打印的熔覆层进行激光热处理，降低成形组织的内应力和各向异性，改善粗大晶粒和马氏体，控制变形，提高成形精度，具体方法如下：
电弧增材每打印出1层或者多层时，对最新打印成形的1层或者多层，进行层内及相邻层间的激光扫描热处理，直到零件制作成形；
对最后打印出的1层或者多层的零件表面在厚度范围进行最后的激光扫描，改善最后1层或者多层零件表面的组织形态，同时消除或减小成形零件厚度中的每层内以及相邻层间的应力，从而完成成形零件的制作。
本发明的电弧-激光复合制备增材方法是将基于CMT的高效电弧增材制造技术与激光加工技术相结合的新型复合增材制造技术，在电弧熔丝增材的同时，对构件堆积层进行激光随行退火，可达到以下目的：可以调整成形件温度分布规律，从而降低快速冷却过程中产生的大量的内应力，有效控制成形精度；选择电弧熔丝进行增材制造，激光随行热处理可以改善成形件中的粗大柱状晶，减少马氏体组织，减少组织中的位错，显著降低增材制造的各向异性，进一步提高增材制造零件的尺寸精度和组织性能，为大型零件电弧增材制造的工程化应用提供技术支撑；通过对每次打印出的1层或多层结构表面进行激光扫描，能够对成形件的表面粗糙度进行改善。
进一步的，所述待加工金属零件为钛合金、钢、铝合金中的任一种。
进一步的，所述步骤(2)中的送丝速度为5.5-8m/min，成形速度为0.3-0.5m/min，保护气流量为15-20L/min。
进一步的，所述步骤(3)中的的激光功率为0.5-1.0kw，激光扫描速度为0.3-0.8m/min。
实施例2
作为本发明的另一个实施例：
所述待加工金属零件为钛合金，如Ti80钛合金基板，规格为
Figure BDA0002265514110000041
按质量分数，Ti80钛合金基板中包括以下化学成分：5.5～6.5％的Al、2.5～3.5％的Nb、1.5～2.5％的Zr、0.6～1.5％的Mo、0.25％的Fe、0.15％的Si、0.10％的C、0.05％的N、0.015％的H、0.15％的O，余量为Ti。
将Ti80钛合金基板表面进行机械打磨，分别用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用，然后将清洗过的待加工金属零件测量好尺寸后置于工作台上，用夹具固定好，备用；
建立待加工金属零件的三维模型，获得三维模型文件，对该文件进行切片处理，获得电弧增材的加工路径，并设定电弧增材的工艺参数，在惰性气体环境下对待加工零件采用电弧熔丝进行逐层沉积，保证成形件不发生氧化，成形构件表面为银白色；其中，送丝速度5.5-8m/min、成形速度0.3-0.5m/min、保护气流量15-20L/min；
电弧增材每打印出1层或者多层时，对最新打印成形的1层或者多层，进行层内及相邻层间的激光扫描热处理，直到零件制作成形；对最后打印出的1层或者多层的零件表面在厚度范围进行最后的激光扫描，改善最后1层或者多层零件表面的组织形态，同时消除或减小成形零件厚度中的每层内以及相邻层间的应力，从而完成成形零件的制作；其中，的激光功率为0.5-1.0kw，激光扫描速度为0.3-0.8m/min，成形后的钛合金工件的力学性能高于同级别锻件，且各向异性≤2％。
利用金相显微镜对接头组织进行分析，结果如图1所示：电弧激光复合增材制造的Ti6321合金宏观上表现为平行于堆积层面的层带状纹理(图a)，微观上表现为不规则的多边形原始β晶(prior-β)和晶界α(αGB)组织，这与激光、电子束和等离子束的熔丝成形组织不同。原始β晶(prior-β)的呈多边形而不是贯穿多层的柱状晶，能有效降低组织的各向异性。此外，如图c所示，组织中的晶界α(αGB)相很细，能进一步降低各各向异性。
利用电子万能实验机进行焊接接头拉伸试验测试，采用摆锤式冲击试验机对接头进行冲击韧性测试，测试结果与现有锻件进行性能对比，各个性能测试数据取三次试验结果的平均值，本发明采用公式(1)对材料性能的各向异性进行描述：
Figure BDA0002265514110000051
式中：σx为X向强度，σz为Z向强度；
具体性能对比结果如表1所示：
表1实施例2与现有锻件的性能对比情况
Figure BDA0002265514110000061
从表1可以得出，本发明利用电弧-激光复合制备的钛合金增材与同级别的锻件相比，具有更高的抗拉强度，在冲击载荷作用下具有更好的吸收塑性变形功和断裂功的能力，且具有较低的各向异性系数。
对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种电弧-激光复合增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）清洗：将待加工金属零件的表面进行机械打磨，分别用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用，然后将清洗过的待加工金属零件测量好尺寸后置于工作台上，用夹具固定好，备用；
（2）电弧增材制造：建立待加工金属零件的三维模型，获得三维模型文件，对该文件进行切片处理，获得电弧增材的加工路径，并设定电弧增材的工艺参数，在惰性气体环境下对待加工零件采用电弧熔丝进行逐层沉积；
（3）激光热处理：根据加工金属零件的材质和待打印层的有效壁厚，通过对温度场的模拟，选用相应的激光扫描轨迹、扫描功率和扫描速度，对打印的熔覆层进行激光热处理，降低成形组织的内应力和各向异性，改善粗大晶粒和马氏体，控制变形，提高成形精度，具体方法如下：
电弧增材每打印出1层或者多层时，对最新打印成形的1层或者多层，进行层内及相邻层间的激光扫描热处理，直到零件制作成形；
对最后打印出的1层或者多层的零件表面在厚度范围进行最后的激光扫描，改善最后1层或者多层零件表面的组织形态，同时消除或减小成形零件厚度中的每层内以及相邻层间的应力，从而完成成形零件的制作。
2.如权利要求1所述的一种电弧-激光复合增材制造方法，其特征在于，所述待加工金属零件为钛合金、钢、铝合金中的任一种。
3.如权利要求1所述的一种电弧-激光复合增材制造方法，其特征在于，步骤（2）中的送丝速度为5.5-8m/min，成形速度为0.3-0.5m/min，保护气流量为15-20 L/min。
4.如权利要求1所述的一种电弧-激光复合增材制造方法，其特征在于，步骤（3）中的激光功率为0.5-1.0kw，激光扫描速度为0.3-0.8m/min。
5.如权利要求2所述的一种电弧-激光复合增材制造方法，其特征在于，所述待加工金属零件为钛合金，成形后的钛合金工件的力学性能高于同级别锻件，且各向异性≤2%。
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