CN111036923A - 结合铸造与选区激光熔化成形制造大型金属零件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结合铸造与选区激光熔化成形制造大型金属零件的方法，具体为：将铸造加工好的零件结构的规则部分作为选取激光熔化的基体并将基体安装于选区激光熔化设备平台上，保证基体呈水平状态；通过手动控制选区激光熔化设备铺粉刮刀将用于成形基体上复杂构件的金属粉末平铺于铸造基体上，多次反复铺粉直至粉末将铸造基体凹陷部分完全填充，填充完成后将基体表面粉末刮薄至一个层厚；向成形仓中通入Ar气；手动对第一层轮廓进行单烧，打开自动成形系统开始进行零件分层成形，直至整个零件成形完成。本发明通过铸造方法制造零件结构规则部分，通过选区激光熔化技术在铸造基体上成形复杂精细结构，节省成本且效率高。

Description

结合铸造与选区激光熔化成形制造大型金属零件的方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，涉及一种结合铸造与选区激光熔化成形制造大型金属零件的方法。
背景技术
铸造工艺是一种传统制造技术，该技术用于制造规则构件的成本低，效率高，但对于结构复杂的构件采用该工艺制造难度大，成本高，且制造周期较长。
激光选区熔化成形技术是一种金属材料高性能快速制造方法，该技术(也称选择性激光熔化Selective Laser Melting，SLM)基于快速成形的基本思想，即逐点、逐层熔覆的增材制造方式，根据零件的三维模型，将模型按一定的厚度分层切片，零件的三维形状信息将转换成一系列二维轮廓信息，随后在数控系统的控制下，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，直接成形具有特定几何形状的零件。成形过程中金属粉末完全熔化，熔化的粉末制件产生良好的冶金结合，可以成形高精度复杂异型金属零件，且具有冶金结合组织性能高的特点，但该工艺制造成本高，且难以打印由多种材料组成的零件。
现阶段航空航天等领域中对高效率、低成本、高性能金属构件制造技术的需求越来越迫切，单一的制造技术在制造成本和制造周期上已很难满足需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种结合铸造与选区激光熔化成形制造大型金属零件的方法，通过铸造方法制造零件结构规则部分，通过选区激光熔化技术在铸造基体上成形复杂精细结构，节省成本且效率高。
本发明所采用的技术方案是，结合铸造与选区激光熔化成形制造大型金属零件的方法，具体按照如下步骤：
步骤1，将零件结构的规则部分采用铸造工艺加工，然后将铸造加工好的零件结构的规则部分作为选取激光熔化的基体，在铸件的四周开设工艺安装孔；
步骤2，采用螺栓通过工艺安装孔将铸造基体安装于选区激光熔化设备平台上，通过调节四周螺栓松紧程度来保证基体呈水平状态；
步骤3，通过手动控制选区激光熔化设备铺粉刮刀将用于成形基体上复杂构件的金属粉末平铺于铸造基体上，多次反复铺粉直至粉末将铸造基体凹陷部分完全填充，填充完成后将基体表面粉末刮薄至一个层厚；
步骤4，打开设备洗气系统，向成形仓中通入Ar气，在成形仓中形成保护气氛；
步骤5，打开激光器以及激光控制系统，手动对第一层轮廓进行2-3次单烧，保证零件与基材形成充分的冶金结合；
步骤6，打开自动成形系统开始进行零件分层成形，直至整个零件成形完成。
本发明的特征还在于，
步骤1中铸造的零件结构的规则部分截面积大于选区激光熔化成形部分零件的截面积。
选区激光熔化成形的部分零件实体截面位于铸件基体实体截面之内或者之外，当选区激光熔化成形的部分零件实体截面位于铸件基体实体截面之外时，位于铸件基体实体截面之外的选区激光熔化成形的部分进行添加支撑。
步骤3中的金属粉末与基体相同的材料或者异种材料。
层厚为0.02-0.06mm。
步骤4中向成形仓中通入Ar气，直至成形仓内的氧含量低于0.05％。
步骤2中，通过调节四周螺栓松紧程度来保证基体的水平度，基体的平面度低于0.05-0.1mm。
本发明的有益效果是
(1)本发明将铸造和选取激光熔化技术结合，铸造技术用于制造规则结构部分，降低了制造成本，选取激光熔化技术用于制造零件结构复杂部分，充分发挥增材制造高性能、柔性化程度高的优势，为大型复杂结构件提供了一种低成本，高效率的一体化成形方法；
(2)本发明具有制造双金属材料零件的能力，可根据零件的结构特征和性能要求的不同在不同部位使用异种金属材料。
附图说明
图1是本发明结合铸造与选区激光熔化成形制造大型金属零件的方法的整体工艺流程示意图；
图2是本发明结合铸造与选区激光熔化成形制造大型金属零件的方法的一个实施案例所制造零件示意图；
图中，1.基体，2.采用激光选区熔化工艺制造的零件部分。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明结合铸造与选区激光熔化成形制造大型金属零件的方法，其流程如图1所示，具体按照如下步骤：
步骤1，将零件结构的规则部分采用铸造工艺加工，然后将铸造加工好的零件结构的规则部分作为选取激光熔化的基体，在铸件的四周开设工艺安装孔；
步骤2，采用螺栓通过工艺安装孔将铸造基体安装于选区激光熔化设备平台上，通过调节四周螺栓松紧程度来保证基体呈水平状态；
步骤3，通过手动控制选区激光熔化设备铺粉刮刀将用于成形基体上复杂构件的金属粉末平铺于铸造基体上，多次反复铺粉直至粉末将铸造基体凹陷部分完全填充，填充完成后将基体表面粉末刮薄至一个层厚；
步骤4，打开设备洗气系统，向成形仓中通入Ar气，在成形仓中形成保护气氛；
步骤5，打开激光器以及激光控制系统，手动对第一层轮廓进行2-3次单烧，保证零件与基材形成充分的冶金结合；
步骤6，打开自动成形系统开始进行零件分层成形，直至整个零件成形完成。
步骤1中铸造的零件结构的规则部分截面积大于选区激光熔化成形部分零件的截面积。
选区激光熔化成形的部分零件实体截面位于铸件基体实体截面之内或者之外，当选区激光熔化成形的部分零件实体截面位于铸件基体实体截面之外时，位于铸件基体实体截面之外的选区激光熔化成形的部分进行添加支撑。
步骤3中的金属粉末与基体相同的材料或者异种材料。
层厚为0.02-0.06mm。
步骤4中向成形仓中通入Ar气，直至成形仓内的氧含量低于0.05％。
步骤2中，通过调节四周螺栓松紧程度来保证基体的水平度，基体的平面度低于0.05-0.1mm。
实施例
如图2所示，零件底部为规则的圆形结构，为铸造的基体1，上部为较为肋状结构，为采用激光选区熔化工艺制造的零件部分2，底部基体采用铸造工艺制造，上部采用激光选区技术成形，零件底部和上部为同种金属材料ZL104；
步骤1，ZL104铸造基体1上沿圆形周向均匀分布8个螺纹孔，螺纹大小为M8-M10，对激光选区熔化设备基材上加工与铸造基体所对应的螺纹孔；
步骤2，将ZL104铸造基体放置与激光选区熔化设备的基材上，采用螺栓将其紧固，紧固时通过反复调整不同位置螺栓的松紧程度，保证ZL104基体上表面平面度小于0.05mm；
步骤3，将ZL104粉末加入激光选区熔化设备粉仓中，粉末球形度不低于90％，粉末粒径要求在10-60μm之间；
步骤4，手动控制落粉，并控制刮刀运动，将ZL104粉末平铺于铸造基体上，反复多次铺粉直至铸造基体四个圆形内凹处被粉末完全填充，之后手动将基体上第一层粉末刮薄至0.03-0.06mm之间；
步骤5，打开激光器，将激光功率调至500-600w，手动对ZL101第一层粉末进行2-3次烧结，保证粉末与基体完全熔化，两者成形良好的冶金结合。
步骤6，打开光路控制系统，对ZL104零件进行自动分层增材制造，直至整个零件成形完成，然后将打印完成的零件拆卸下来，放进热处理炉进行去应力退火，去除零件中的集中应力。
本发明通过铸造方法制造零件结构规则部分，通过选区激光熔化技术在铸造基体上成形复杂精细结构，该方法可充分发挥增材制造高性能、精细化、柔性化的特点和传统铸造技术制造规则构件的成本、效率优势。
使用本发明的方法成形的零件可以实现不同加工工艺结合的零件一体化制造，且在结合截面处通过激光完全熔融可以形成良好冶金结合，零件性能高于传统铸造单一工艺制造的零件，为大型零件提供了一种兼顾性能、柔性化以及成本和效率的制造方法，进而可满足航空航天等领域中金属关键结构件对高效率、低成本、高性能制造技术的迫切需求。

Claims (7)

1.结合铸造与选区激光熔化成形制造大型金属零件的方法，其特征在于，具体按照如下步骤：
步骤1，将零件结构的规则部分采用铸造工艺加工，然后将铸造加工好的零件结构的规则部分作为选取激光熔化的基体，在铸件的四周开设工艺安装孔；
步骤2，采用螺栓通过工艺安装孔将铸造基体安装于选区激光熔化设备平台上，通过调节四周螺栓松紧程度来保证基体呈水平状态；
步骤3，通过手动控制选区激光熔化设备铺粉刮刀将用于成形基体上复杂构件的金属粉末平铺于铸造基体上，多次反复铺粉直至粉末将铸造基体凹陷部分完全填充，填充完成后将基体表面粉末刮薄至一个层厚；
步骤4，打开设备洗气系统，向成形仓中通入Ar气，在成形仓中形成保护气氛；
步骤5，打开激光器以及激光控制系统，手动对第一层轮廓进行2-3次单烧，保证零件与基材形成充分的冶金结合；
步骤6，打开自动成形系统开始进行零件分层成形，直至整个零件成形完成。
2.根据权利要求1所述的结合铸造与选区激光熔化成形制造大型金属零件的方法，其特征在于，所述步骤1中铸造的零件结构的规则部分截面积大于选区激光熔化成形部分零件的截面积。
3.根据权利要求2所述的结合铸造与选区激光熔化成形制造大型金属零件的方法，其特征在于，选区激光熔化成形的部分零件实体截面位于铸件基体实体截面之内或者之外，当选区激光熔化成形的部分零件实体截面位于铸件基体实体截面之外时，位于铸件基体实体截面之外的选区激光熔化成形的部分进行添加支撑。
4.根据权利要求1所述的结合铸造与选区激光熔化成形制造大型金属零件的方法，其特征在于，步骤3中所述的金属粉末与基体相同的材料或者异种材料。
5.根据权利要求1所述的结合铸造与选区激光熔化成形制造大型金属零件的方法，其特征在于，所述层厚为0.02-0.06mm。
6.根据权利要求1所述的结合铸造与选区激光熔化成形制造大型金属零件的方法，其特征在于，所述步骤4中向成形仓中通入Ar气，直至成形仓内的氧含量低于0.05％。
7.根据权利要求1所述的结合铸造与选区激光熔化成形制造大型金属零件的方法，其特征在于，所述步骤2中，通过调节四周螺栓松紧程度来保证基体的水平度，基体的平面度低于0.05-0.1mm。
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