CN110918990B - 电子束扫描方法、难熔金属构件及电子束选区熔化设备 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例是关于一种电子束扫描方法、难熔金属构件及电子束选区熔化设备。该电子束扫描方法包括：接收电子束扫描路径数据，扫描路径数据根据待加工工件模型的切层数据规划生成，包括不同的第一扫描路径和第二扫描路径；电子束选区熔化设备装粉后，对每层铺粉后的金属粉末层根据第一扫描路径进行第一次电子束熔化扫描，之后根据第二扫描路径进行第二次电子束熔化扫描。本实施例使用两种不同的扫描路径先后对金属粉末层进行电子束选区熔化扫描，一方面，使得热应力分布更均匀，不易导致零件层面翘曲变形；另一方面，金属粉末层通过先后两次电子束选区熔化扫描，可以在一定程度上改善零件层熔合不良的缺陷。

Description

电子束扫描方法、难熔金属构件及电子束选区熔化设备
技术领域
本发明实施例涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种电子束扫描方法、难熔金属构件及电子束选区熔化设备。
背景技术
熔点高于1650℃的高熔点金属，如钨、钽、钼、铌、铪、铬、钒、锆和钛、钨等，以及以这些金属为基体，添加其他元素形成的合金称为难熔金属。
20世纪40年代中期以前，主要是用粉末冶金法生产难熔制品。40年代后期至60年代初，由于航天技术和原子能技术的发展，自耗电弧炉、电子轰击炉等冶金技术的应用，推动了包括难熔金属在内的、能在1093～2360℃或更高温度下使用的耐高温材料的研制工作。这是难熔金属及其合金生产发展较快的时期。60年代以后，难熔金属虽然有韧性、抗氧化性不良等缺陷，在航天工业中应用受到限制，但在冶金、化工、电子、光源、机械工业等部门，仍得到广泛应用。中国在50年代已用粉末冶金工艺生产难熔金属制品，60年代起已能生产多种规格的难熔金属及其合金产品。
相关技术中，制造难熔金属零件的技术虽然已经存在，但是存在周期长、强度差、成品率低等问题，使用电子束3D打印技术制备难熔金属构件是当前最前沿的难熔金属零件制备技术。就目前各类3D打印技术而言，受限于激光器或电子枪的能量密度(即单位时间内在单位面积上的能量投入值)，无论是电子束3D打印技术还是激光3D打印技术，在制备难熔金属如钨钼钽等，熔化阶段的扫描速度都必须降到非常低，才能保证将此类材料熔化。由于熔化阶段的扫描速度非常低，待熔化零件截面的局部温度梯度相对变的非常大，因此待熔化零件表面已熔合部分和待熔合粉末非常容易产生翘曲形变，进而导致整个制备过程无法进行或者存在严重的内部缺陷等问题。
因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题，而本发明正是在现有的硬技术状态下，提出一种新的熔化扫描方法来解决这个问题。
需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种电子束扫描方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种电子束扫描方法，应用于电子束选区熔化设备制备难熔金属构件，该方法包括：
接收电子束扫描路径数据，所述扫描路径数据根据待加工工件模型的切层数据规划生成，所述扫描路径数据包括不同的第一扫描路径和第二扫描路径；
电子束选区熔化设备装粉后，对每层铺粉后的金属粉末层根据上述第一扫描路径进行第一次电子束熔化扫描，之后根据上述第二扫描路径进行第二次电子束熔化扫描。
本发明的一实施例中，所述第一扫描路径包括多个轮廓线扫描，所述第二扫描路径包括多个直线扫描。
本发明的一实施例中，所述第一扫描路径中的轮廓线扫描为分组同步扫描。
本发明的一实施例中，各切层对应的所述第一扫描路径中各轮廓线包括等分的N条线段，每条线段包含依序的多个点；所述分组同步扫描包括以下步骤：
控制电子束依次对各轮廓线所属的N条线段的第一个点进行扫描打点，当N条线段的第一个点均完成扫描打点后，控制电子束依次对N条线段的第二个点进行扫描打点；如此重复，直至电子束对每条线段的每个点均完成扫描打点。
本发明的一实施例中，每条线段包含的多个点的大小与电子束束斑的直径相关。
本发明的一实施例中，所述第一扫描路径中的多个轮廓线包括外轮廓线和内轮廓线，所述外轮廓线和所述内轮廓线均为封闭曲线。
本发明的一实施例中，所述第二扫描路径中的直线扫描为正交直线扫描。
本发明的一实施例中，所述第二扫描路径包括沿所述金属粉末层第一侧至相对第二侧的多个相互平行的扫描直线；所述正交直线扫描包括以下步骤：
控制电子束沿所述第一侧或第二侧的第一条扫描直线的一端至相对的另一端进行扫描打点；
扫描完成后跳转至相邻的第二条扫描直线进行扫描打点，如此顺序，直至电子束扫描完金属粉末层；
其中，相邻的两条扫描直线的扫描方向相反。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种难熔金属构件，采用上述任一项所述粉床电子束选区熔化制备难熔金属零件的熔化阶段扫描方法制备形成难熔金属构件。
根据本发明实施例的第三方面，提供一种电子束选区熔化设备，包括：
数据接收装置，用于接收电子束扫描路径数据，所述扫描路径数据根据待加工工件模型的切层数据规划生成，所述扫描路径数据包括不同的第一扫描路径和第二扫描路径；
电子束控制装置，用于在该设备装粉后，对每层铺粉后的金属粉末层根据上述第一扫描路径进行第一次电子束熔化扫描，之后根据上述第二扫描路径进行第二次电子束熔化扫描。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明的实施例中，通过上述方法及装置，使用两种不同的扫描路径先后对金属粉末层进行电子束选区熔化扫描，一方面，使得热应力分布更均匀，不易导致零件层面翘曲变形；另一方面，金属粉末层通过先后两次电子束选区熔化扫描，可以在一定程度上改善零件层熔合不良的缺陷。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。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示出本发明示例性实施例中粉床电子束选区熔化制备难熔金属零件的熔化阶段扫描方法步骤示意图；
图2示出本发明示例性实施例中轮廓线扫描路径示意图；
图3示出本发明示例性实施例中直线扫描路径示意图；
图4示出本发明示例性实施例中分组同步扫描示意图；
图5示出本发明示例性实施例中分组同步扫描步骤示意图；
图6示出本发明示例性实施例中正交直线扫描示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
此外，附图仅为本发明实施方式的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。
如背景技术部分所描述的内容，相关技术中，制造难熔金属零件的技术虽然已经存在，但是存在周期长、强度差、成品率低等问题，使用电子束3D打印技术制备难熔金属构件是当前最前沿的难熔金属零件制备技术，但其困难在于难熔金属的高熔点需要更高的能量输入，导致在成形过程中零件容易翘曲变形及熔化不充分。
本示例实施方式中首先提供了一种电子束扫描方法，应用于电子束选区熔化设备制备难熔金属构件。参考图1中所示，该方法可以包括：
步骤S101：接收电子束扫描路径数据，所述扫描路径数据根据待加工工件模型的切层数据规划生成，所述扫描路径包括不同的第一扫描路径和第二扫描路径；
步骤S102：电子束选区熔化设备装粉后，对每层铺粉后的金属粉末层根据上述第一扫描路径进行第一次电子束熔化扫描，之后根据上述第二扫描路径进行第二次电子束熔化扫描。
具体的，在步骤S101中，切层数据可以是通过切层软件对待加工工件的三维模型进行切片处理而得到的，对切层数据进行扫描路径规划从而可得到扫描路径数据，将扫描路径数据导入电子束选区熔化设备中，具体内容可参考现有技术，在此不做赘述。
在步骤S102中，电子束选区熔化设备装粉可以是将金属粉末装入电子束选区熔化设备的粉仓内，装粉完成后将粉仓内的金属粉末均匀铺设在抽成真空后的成型室底板上进行电子束熔化扫描从而得到单层实体片层，扫描前可以对成型室底板进行预热，预热可包括铺粉前预热和铺粉后预热，所述金属粉末可以是难容金属粉末，当然并不限于此。
通过上述粉床电子束选区熔化制备难熔金属零件的熔化阶段扫描方法，使用两种不同的扫描路径先后对金属粉末层进行电子束选区熔化扫描，一方面，使得热应力分布更均匀，不易导致零件层面翘曲变形；另一方面，金属粉末层通过先后两次电子束选区熔化扫描，可以在一定程度上改善零件层熔合不良的缺陷。
下面，将参考图1至图6对本示例实施方式中的上述粉床电子束选区熔化制备难熔金属零件的熔化阶段扫描方法的各个部分进行更详细的说明。
在一个实施例中，参考图2和图3所示，所述第一扫描路径可以包括多个轮廓线扫描，所述第二扫描路径包括多个直线扫描。具体的，代加工工件进行切片处理后可以得到多层切片的数据，从而第一扫描路径中可以包括针对多层的多个轮廓线扫描，第二扫描路径中可以包括针对多层的多个直线扫描，当然并不限于此。
在一个实施例中，所述第一扫描路径中的多个轮廓线可以包括外轮廓线和内轮廓线，所述外轮廓线和所述内轮廓线均为封闭曲线，当然并不限于此。
在一个实施例中，参考图4所示，所述第一扫描路径中的轮廓线扫描可以为分组同步扫描。采用分组同步扫描的熔化扫描方式，短时间整个层面内的热应力分布相对比较均匀，不易集中在某一点，因此可以很大程度上解决熔化扫描过程中高能量集中于某一点上从而导致的单层实体片层的翘曲变形，当然并不限于此。
在一个实施例中，各切层对应的所述第一扫描路径中各轮廓线可以包括等分的N条线段，每条线段包含依序的多个点；所述分组同步扫描可以包括以下步骤：控制电子束依次对各轮廓线所属的N条线段的第一个点进行扫描打点，当N条线段的第一个点均完成扫描打点后，控制电子束依次对N条线段的第二个点进行扫描打点；如此重复，直至电子束对每条线段的每个点均完成扫描打点，当然并不限于此。
具体的，可以将个切层内的轮廓线长度进行相加，将相加后的总长度以长度L等分为N条线段，每条线段包含依序的多个点。参考图5所示，扫描时，电子束先跳转到第一个线段的第一个点511进行扫描打点，然后跳转到第二个线段的第一个点512进行扫描打点，如此重复，直到N个线段的第一个点都完成扫描打点；再回到第一个线段的第二个点521进行扫描打点，然后跳转到第二个线段的第二个点522进行扫描打点，如此重复，直到所有N个线段的所有点全部扫描打点完成。其中，L的长度可以是2mm～5mm，对各轮廓线进行扫描打点的顺序可以是顺时针也可以是逆时针，当然并不限于此。
在一个实施例中，每条线段包含的多个点的大小可以与电子束束斑的直径相关。具体可以是将N条线段以电子束束斑的直径进行等分，分为多个扫描点，当然并不限于此。
在一个实施例中，参考图6所示，所述第二扫描路径中的直线扫描可以为正交直线扫描。在进行完轮廓线分组同步扫描的基础上再进行正交直线扫描，可以在一定程度上改善分组同步扫描后存在的金属粉末熔合不良的缺陷，使得构件的成型精度更高，当然并不限于此。
在一个实施例中，所述第二扫描路径可以包括：沿所述金属粉末层第一侧至相对第二侧的多个相互平行的扫描直线；所述正交直线扫描可以包括以下步骤：控制电子束沿所述第一侧或第二侧的第一条扫描直线的一端至相对的另一端进行扫描打点；扫描完成后跳转至相邻的第二条扫描直线进行扫描打点，如此顺序，直至电子束扫描完金属粉末层；其中，相邻的两条扫描直线的扫描方向相反。相邻的两条扫描直线的扫描方向相反，可以减小电子束快速扫描时的跳转距离，这样做可以在一定程度上提高电子束跳转时的位置及聚焦精度，当然并不限于此。
本示例实施方式中其次提供了一种难熔金属构件，可以采用上述任一实施例所述粉床电子束选区熔化制备难熔金属零件的熔化阶段扫描方法制备形成难熔金属构件。采用上述任一实施例所述的粉床电子束选区熔化制备难熔金属零件的熔化阶段扫描方法制备难容金属构件，先根据第一扫描路径进行电子束熔化扫描可以在一定程度上降低电子束扫描熔化过程中因为应力集中而导致的构件翘曲变形的问题，之后再根据第二扫描路径进行电子束融化扫描，通过先后使用两种不同的扫描路径进行扫描，可以减少难熔金属构件制造过程中熔合不良的缺陷，制备而成的难熔金属构件不易翘曲变形，成型精度较高并且致密度可达到99％以上，当然并不限于此。
本示例实施方式中还提供了一种电子束选区熔化设备，可以包括：
数据接收装置，用于接收电子束扫描路径数据，所述扫描路径数据根据待加工工件模型的切层数据规划生成，所述扫描路径包括不同的第一扫描路径和第二扫描路径；
电子束控制装置，用于在该设备装粉后，对每层铺粉后的金属粉末层根据上述第一扫描路径进行第一次电子束熔化扫描，之后根据上述第二扫描路径进行第二次电子束熔化扫描。
在一个实施例中，参考图2和图3所示，所述第一扫描路径可以包括多个轮廓线扫描，所述第二扫描路径包括多个直线扫描。具体的，代加工工件进行切片处理后可以得到多层切片的数据，从而第一扫描路径中可以包括针对多层的多个轮廓线扫描，第二扫描路径中可以包括针对多层的多个直线扫描，当然并不限于此。
在一个实施例中，所述第一扫描路径中的多个轮廓线可以包括外轮廓线和内轮廓线，所述外轮廓线和所述内轮廓线均为封闭曲线，当然并不限于此。
在一个实施例中，参考图4所示，所述第一扫描路径中的轮廓线扫描可以为分组同步扫描。采用分组同步扫描的熔化扫描方式，短时间整个层面内的热应力分布相对比较均匀，不易集中在某一点，因此可以很大程度上解决熔化扫描过程中高能量集中于某一点上从而导致的单层实体片层的翘曲变形，当然并不限于此。
在一个实施例中，各切层对应的所述第一扫描路径中各轮廓线可以包括等分的N条线段，每条线段包含依序的多个点；电子束控制装置根据上述第一扫描路径进行第一次电子束熔化扫描的方式可以为：电子束控制装置控制电子束依次对各轮廓线所属的N条线段的第一个点进行扫描打点，当N条线段的第一个点均完成扫描打点后，电子束控制装置控制电子束依次对N条线段的第二个点进行扫描打点；如此重复，直至电子束控制装置控制电子束对每条线段的每个点均完成扫描打点，当然并不限于此。
具体的，可以将个切层内的轮廓线长度进行相加，将相加后的总长度以长度L等分为N条线段，每条线段包含依序的多个点。参考图5所示，扫描时，电子束控制装置控制电子束先跳转到第一个线段的第一个点511进行扫描打点，然后跳转到第二个线段的第一个点512进行扫描打点，如此重复，直到N个线段的第一个点都完成扫描打点；再控制电子束回到第一个线段的第二个点521进行扫描打点，然后跳转到第二个线段的第二个点522进行扫描打点，如此重复，直到所有N个线段的所有点全部扫描打点完成。其中，L的长度可以是2mm～5mm，对各轮廓线进行扫描打点的顺序可以是顺时针也可以是逆时针，当然并不限于此。
在一个实施例中，每条线段包含的多个点的大小可以与电子束束斑的直径相关。具体可以是将N条线段以电子束束斑的直径进行等分，分为多个扫描点，当然并不限于此。
在一个实施例中，参考图6所示，所述第二扫描路径中的直线扫描可以为正交直线扫描。在进行完轮廓线分组同步扫描的基础上再进行正交直线扫描，可以在一定程度上改善分组同步扫描后存在的金属粉末熔合不良的缺陷，使得构件的成型精度更高，当然并不限于此。
在一个实施例中，所述第二扫描路径可以包括：沿所述金属粉末层第一侧至相对第二侧的多个相互平行的扫描直线；所述电子束控制装置根据上述第二扫描路径进行第二次电子束熔化扫描的方式可以为：电子束控制装置控制电子束沿所述第一侧或第二侧的第一条扫描直线的一端至相对的另一端进行扫描打点；扫描完成后电子束控制装置控制电子束跳转至相邻的第二条扫描直线进行扫描打点，如此顺序，直至电子束控制装置控制电子束扫描完多个相互平行的扫描直线；其中，相邻的两条扫描直线的扫描方向相反，当然并不限于此。
上述实施例提供的制备难容金属构件的方法和粉床电子束选区熔化设备，均可以包括上述粉床电子束选区熔化制备难熔金属零件的熔化阶段扫描方法，基于上述粉床电子束选区熔化制备难熔金属零件的熔化阶段扫描方法的技术效果，上述制备难容金属构件的方法和电子束选区熔化设备包括以下有益效果：使用两种不同的扫描路径先后对金属粉末层进行电子束选区熔化扫描，一方面，使得热应力分布更均匀，不易导致零件层面翘曲变形；另一方面，金属粉末层通过先后两次电子束选区熔化扫描，可以在一定程度上改善零件层熔合不良的缺陷。
需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (8)

1.一种电子束扫描方法，应用于电子束选区熔化设备制备难熔金属构件，其特征在于，该方法包括：
接收电子束扫描路径数据，所述扫描路径数据根据待加工工件模型的切层数据规划生成，所述扫描路径数据包括不同的第一扫描路径和第二扫描路径；
电子束选区熔化设备装粉后，对每层铺粉后的金属粉末层根据上述第一扫描路径进行第一次电子束熔化扫描，之后根据上述第二扫描路径进行第二次电子束熔化扫描；所述第一扫描路径包括多个轮廓线扫描，所述第二扫描路径包括多个直线扫描；所述第一扫描路径中的轮廓线扫描为分组同步扫描；
其中，所述分组是将所述第一扫描路径的轮廓线的长度进行相加，并将相加后的总长度以长度L进行等分。
2.根据权利要求1所述电子束扫描方法，其特征在于，各切层对应的所述第一扫描路径中各轮廓线包括等分的N条线段，每条线段包含依序的多个点；所述分组同步扫描包括以下步骤：
控制电子束依次对各轮廓线所属的N条线段的第一个点进行扫描打点，当N条线段的第一个点均完成扫描打点后，控制电子束依次对N条线段的第二个点进行扫描打点；如此重复，直至电子束对每条线段的每个点均完成扫描打点。
3.根据权利要求2所述电子束扫描方法，其特征在于，每条线段包含的多个点的大小与电子束束斑的直径相关。
4.根据权利要求1~3任一项所述电子束扫描方法，其特征在于，所述第一扫描路径中的多个轮廓线包括外轮廓线和内轮廓线，所述外轮廓线和所述内轮廓线均为封闭曲线。
5.根据权利要求1所述电子束扫描方法，其特征在于，所述第二扫描路径中的直线扫描为正交直线扫描。
6.根据权利要求5所述电子束扫描方法，其特征在于，所述第二扫描路径包括沿所述金属粉末层第一侧至相对第二侧的多个相互平行的扫描直线；所述正交直线扫描包括以下步骤：
控制电子束沿所述第一侧或第二侧的第一条扫描直线的一端至相对的另一端进行扫描打点；
扫描完成后跳转至相邻的第二条扫描直线进行扫描打点，如此顺序，直至电子束扫描完金属粉末层；
其中，相邻的两条扫描直线的扫描方向相反。
7.一种难熔金属构件，其特征在于，采用权利要求1~6任一项所述电子束扫描方法制备形成难熔金属构件。
8.一种电子束选区熔化设备，其特征在于，用于执行权利要求1~6任一项所述电子束扫描方法，该设备包括：
数据接收装置，用于接收电子束扫描路径数据，所述扫描路径数据根据待加工工件模型的切层数据规划生成，所述扫描路径数据包括不同的第一扫描路径和第二扫描路径；
电子束控制装置，用于在该设备装粉后，对每层铺粉后的金属粉末层根据上述第一扫描路径进行第一次电子束熔化扫描，之后根据上述第二扫描路径进行第二次电子束熔化扫描。
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