CN111203536A - 通过控制slm工艺预制气孔缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过控制SLM工艺预制气孔缺陷的方法，在指定金属熔化层，按照第一扫描路径执行激光扫描，按照第二扫描路径执行激光扫描；其中，使第一扫描路径和第二扫描路径具有路径重叠区域，使路径重叠区域具有预定宽度，在路径重叠区域叠加的激光能量输入被控制成达到预定能量值，借此在路径重叠区域的沿着长度方向的多个位置形成匙孔，以指定金属熔化层作为缺陷层并且以路径重叠区域的匙孔作为气孔缺陷。上述气孔缺陷预制方法可以利用“匙孔效应”在SLM制件中预制具有增材制造冶金缺陷特征的气孔缺陷。

Description

通过控制SLM工艺预制气孔缺陷的方法

技术领域

本发明涉及一种控制激光选区熔化（SLM）工艺预制气孔缺陷的方法，例如可以用于SLM制件无损检测、缺陷对零件性能影响评价等。

背景技术

增材制造（AM）也称之为3D打印，是一种基于离散堆积原理、逐层熔化原材料而实现零件成形的制造技术。SLM技术被认为是最具潜力的AM技术之一，由于采用细微聚焦光斑的激光束作为成形能量源、高速高精度扫描振镜作为加工光束控制单元及采用更薄的层厚控制技术，相对于其他AM技术而言，SLM技术在获得高致密和高精度成形件方面更具优势，可以完成复杂型腔、型面、薄壁、变截面零件的直接成形，广泛应用于航空航天等领域，如航空发动机预旋喷嘴、燃油喷嘴、涡轮叶片等零件。

由于SLM过程中的金属粉末材料发生快速熔化凝固复杂相变过程，SLM制件易存在气孔、裂纹及未熔合等典型缺陷。航空航天用SLM制件目前广泛采用无损检测方法检测零件的缺陷位置及大小等特征以分析评价零件是否满足使用要求，例如工业CT检测、超声检测、射线检测、荧光渗透检测等。然而，AM制件由于其组织和缺陷特征与传统制件不同，存在不均匀性和各向异性等特征，且几何形状复杂，传统无损检测工艺出现可达性差、检测盲区大等难题，因此不能简单沿用传统制件的无损检测技术，需重新分析组织特征与无损检测信号的对应关系，明确典型缺陷的无损检测信号特征，根据几何结构的复杂情况选择适用的无损检测方法和工艺参数。例如，工业CT可以检测AM制件中的气孔、裂纹、未熔合等缺陷，并可以给出被检件的断层扫描图像。CT检测前，需结合被检件材料、结构及期望检测到的缺陷尺寸等，制备含缺陷的对比分析样，然后设置合理的检测工艺参数。对比分析样影响检测工艺参数的设置，影响后续被检件的缺陷检出情况，对比分析样材料、成形工艺、缺陷等和被检件越相近越可以获得较好的检测效果。因此对于被检的AM制件，其对比分析样也应采用AM工艺制备，并预制相关缺陷。

目前预制AM制件内部气孔缺陷的方法主要是在三维模型设计阶段在特定位置设计一定尺寸的气孔，然后增材成形含气孔特征的制件。但是受AM技术自身特点限制，设计的气孔特征在成形时易被熔化态的金属液体填充，因此这种方法较难成功预制气孔缺陷。针对现有方法的不足，本发明提出一种通过控制SLM工艺预制气孔缺陷的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种预制气孔缺陷的方法，可以通过控制SLM工艺来利用“匙孔效应”在SLM制件中预制气孔缺陷。

本发明的进一步目的是提供一种预制气孔缺陷的方法，可以通过控制SLM工艺在SLM制件中形成具有增材制造冶金缺陷特征的气孔缺陷。

本发明提供一种通过控制SLM工艺预制气孔缺陷的方法，在指定金属熔化层，按照第一扫描路径执行激光扫描；在所述指定金属熔化层，按照第二扫描路径执行激光扫描；其中，使所述第一扫描路径和所述第二扫描路径具有路径重叠区域，使所述路径重叠区域具有预定宽度，在所述路径重叠区域叠加的激光能量输入被控制成达到预定能量值，借此在所述路径重叠区域的沿着长度方向的多个位置形成匙孔，以所述指定金属熔化层作为缺陷层并且以所述路径重叠区域的匙孔作为气孔缺陷。

在一个实施方式中，沿所述第一扫描路径和所述第二扫描路径的激光扫描采用条带式激光扫描方式；所述第一扫描路径位于第一条带区域，所述第二扫描路径位于第二条带区域，所述第一条带区域和所述第二条带区域形成条带搭接区域，所述条带搭接区域构成所述路径重叠区域，所述条带搭接区域的条带搭接量是所述路径重叠区域的宽度。

在一个实施方式中，所述第一扫描路径包括平行且等距间隔地设置的多个第一扫描线，所述第二扫描路径包括平行且等距间隔地设置的多个第二扫描线，并且所述第一扫描路径和所述第二扫描路径的扫描间距相同。

在一个实施方式中，沿所述第一扫描路径和所述第二扫描路径的激光扫描采用条带式激光往返扫描方式。

在一个实施方式中，沿所述第一扫描路径和所述第二扫描路径的激光扫描采用激光脉冲曝光模式。

在一个实施方式中，控制SLM工艺参数：成形材料采用Hastelloy X合金；激光扫描功率P=180-210W；扫描线点距D=80-100μm；扫描线曝光时间t=70-90μs。

在一个实施方式中，进一步控制SLM工艺参数：层厚d=30μm；扫描间距h=70-100μm；条带搭接量δ=0.5-0.9mm。

在一个实施方式中，通过改变激光扫描方向与所述第一条带区域和/或所述第二条带区域的条带宽度来控制所述条带搭接区域在所述缺陷层的位置、数量及长度，借此控制所述缺陷层的气孔缺陷占比量。

在一个实施方式中，所述缺陷层的气孔缺陷占比量a参照如下公式确定：

其中，N为条带搭接区域的数量，R为气孔半径，L为条带搭接区域的长度，h为扫描间距，S为缺陷层的截面面积。

上述气孔缺陷预制方法利用“匙孔效应”在SLM制件中预制气孔缺陷，其中，可以通过控制成形工艺参数制造“匙孔效应”，在SLM制件的指定位置预制封闭气孔群；还可以通过成形工艺参数控制气孔缺陷位置及气孔缺陷占比。

通过执行上述气孔缺陷预制方法，可以在SLM制件中成功获得气孔，且气孔的形状和尺寸具有增材制造冶金缺陷特征。上述气孔缺陷预制方法不破坏SLM制件的组织，保留其不均匀性和各向异性等特征。采用通过上述气孔缺陷预制方法预制缺陷的SLM制件作对比分析时，有益于分析SLM制件气孔缺陷与无损检测信号、制件性能之间真实的对应关系，利于获得较好的检测效果。

此外，通过上述气孔缺陷预制方法可以在SLM制件或其典型特征试样的关键位置预制气孔，借此开展拉伸、持久、疲劳等强度考核试验，获得的性能考核结果可以用于实际分析研究气孔缺陷与制件性能的关系，为SLM制件的应用提供有力的理论支持。

附图说明

本发明的上述及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是正常熔池的示意图。

图2是形成有匙孔的熔池的示意图。

图3是示例性激光扫描策略的示意图。

图4是另一示例性激光扫描策略的示意图。

图5是第一实施例的激光扫描策略的示意图。

图6是第一实施例获得的气孔分布图。

图7是第二实施例的激光扫描策略的示意图。

图8是第二实施例获得的气孔分布图。

图9是第三实施例的激光扫描策略的示意图。

图10是第三实施例获得的气孔分布图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施方式的内容限制本发明的保护范围。

结合图1和图2，示出了匙孔效应的原理示意图，其中，图1示意性地示出了正常熔池，而图2示意性地示出了熔池中形成有匙孔。

如图1所示，当入射的激光10的能量密度在合适的工艺范围内时，形成的熔池20较稳定，冶金质量良好，图中还示出了激光10的激光扫描方向D0、正在SLM熔化成形的金属熔化层30、已经SLM熔化成形的基体材料40。

如图2所示，当入射的激光10的能量密度提升至能量临界值时，材料表面发生汽化，并形成等离子体50，在蒸汽的反作用力下，熔化的金属内部形成匙孔60，之后金属液体在熔池内的Marangoni对流、表面张力等的作用下运动，包裹并填充匙孔60，来不及逃逸的气体被封闭在凝固后的制件内形成气孔。

当激光10沿着激光扫描方向D0移动到下一位置，此时处于能量临界值的激光能量仍然被团聚的等离子体50包围，导致入射到粉末材料的激光10的能量低于能量临界值，不能形成匙孔。激光10继续移动到不在团聚的等离子体50的范围之后，激光10的能量密度再次处于能量临界值，重新形成匙孔60，匙孔60在制件内作为气孔缺陷，也即，在制件内预制气孔缺陷。因此，由匙孔效应形成的气孔缺陷具有一定的周期性。

本发明提出一种利用匙孔效应来在SLM制件预制气孔缺陷的方法，可以称之为通过控制SLM工艺预制气孔缺陷的方法。

参见图3，在根据本发明的气孔缺陷预制方法中，在指定金属熔化层LY，按照第一扫描路径P1执行激光扫描，并且在指定金属熔化层LY，按照第二扫描路径P2执行激光扫描。其中，使第一扫描路径P1和第二扫描路径P2具有路径重叠区域A0，使路径重叠区域A0具有预定宽度，在路径重叠区域A0叠加的激光能量输入被控制成达到预定能量值，借此在路径重叠区域A0的沿着长度方向的多个位置形成匙孔，以指定金属熔化层LY作为缺陷层并且以路径重叠区域A0的匙孔作为气孔缺陷。

SLM工艺是逐层熔化凝固零件，其中，改变指定金属熔化层LY的SLM工艺参数可以改变该层的冶金组织。因此，通过对指定金属熔化层LY设置生成匙孔的SLM工艺参数，或者，通过改变上述气孔缺陷预制方法中的指定金属熔化层LY的所在高度，可以控制气孔缺陷在高度方向上的位置。

图3所示的示例实施方式中，沿第一扫描路径P1和第二扫描路径P2的激光扫描可以采用条带式激光扫描方式。第一扫描路径P1位于第一条带区域Z1（图3中，位于左侧），第二扫描路径P2位于第二条带区域Z2（图3中，位于右侧）。

第一条带区域Z1和第二条带区域Z2形成条带搭接区域Z0。条带搭接区域Z0构成第一扫描路径P1和第二扫描路径P2的路径重叠区域A0。条带搭接区域Z0的条带搭接量δ是路径重叠区域A0的宽度。条带搭接区域Z0的搭接长度L也即路径重叠区域A0的长度。

第一扫描路径P1可以包括平行且等距间隔地设置的多个第一扫描线L1，第二扫描路径P2可以包括平行且等距间隔地设置的多个第二扫描线L2。第一扫描路径P1和第二扫描路径P2的扫描间距相同，皆为扫描间距h。扫描间距h是指相邻的两条第一扫描线L1（或者，相邻的两条第二扫描线L2）之间的间距。

进一步，沿第一扫描路径P1和第二扫描路径P2的激光扫描可以采用条带式激光往返扫描方式。换言之，相邻的两个第一扫描线L1表示的扫描方向相反，相邻的两个第二扫描线L2表示的扫描方向相反。

具体地，对于图3，气孔缺陷预制方法中，进行条带式激光往返扫描。激光根据第一扫描路径P1从左侧的第一起点B1至第一终点E1扫描第一条带区域Z1，接着根据第二扫描路径P2从右侧的第二起点B2至第二终点E2扫描第二条带区域Z2。

在另一实施方式中，激光可以采用条带式激光往返扫描方式从左侧的第一起点B1至第一终点E1扫描第一条带区域Z1，然后继续采用条带式激光往返扫描方式从右侧的第三起点B3至第三终点E3扫描第二条带区域Z2。相比于激光归位到第二起点B2来开始扫描第二条带区域Z2的情况，第三起点B3距离第一终点E1较近，从第三起点B3开始扫描第二条带区域Z2可以有利于提升效率。

第一条带区域Z1和第二条带区域Z2的搭接处形成了具有一定搭接量（条带搭接量δ）的条带搭接区域Z0。条带搭接区域Z0被激光熔化了两次：激光扫描第一条带区域Z1之后，条带搭接区域Z0快速熔化凝固且温度升高，激光扫描第二条带区域Z2时，第二次扫描条带搭接区域Z0，条带搭接区域Z0再次发生熔化行为。例如可以通过控制成形工艺参数而使在条带搭接区域Z0两次叠加的激光能量输入达到预定能量值，或者，达到金属材料发生汽化的条件，此时，在条带搭接区域Z0，会形成匙孔，从而留下气孔缺陷。

条带式激光扫描方式是分区域扫描的一种方式，其原理是将零件模型截面分成若干个条带区域，然后激光根据零件模型截面信息逐个区域扫描，被扫描的区域快速熔化、凝固。一个条带区域的宽度可以称之为条带宽度。优选地，各条带区域的条带宽度相同，如图3、图4以及后面的图5、图7、图9所示。图3和图4中，均以第一条带区域Z1为例，示出了条带宽度w0。

气孔缺陷预制方法中，可以通过改变激光扫描方向和条带宽度w0（第一条带区域Z1和/或第二条带区域Z2的条带宽度）来控制条带搭接区域Z0在上述缺陷层的位置、数量及长度，借此控制上述缺陷层的气孔缺陷占比量a。例如，在图3所示的实施方式中，将零件模型截面分成两个条带区域，而在图4所示的实施方式中，针对同一个零件模型截面改变了条带宽度w0，将零件模型截面分成四个条带区域，并且改变了激光扫描方向。

如前所述，第一扫描路径P1和第二扫描路径P2的扫描间距相同，皆为扫描间距h。对于图3的情况，缺陷层的气孔缺陷占比量a（或者，气孔缺陷率）可以参照如下公式或者近似根据如下公式确定：

（1）

其中，N为条带搭接区域Z0的数量，R为气孔半径，L为条带搭接区域Z0的长度，h为扫描间距，S为上述缺陷层的截面面积。

可以参照上述公式（1）来调整各参数，以此来获得缺陷层的所需气孔缺陷占比量a。

沿第一扫描路径P1和第二扫描路径P2的激光扫描可以采用激光脉冲曝光模式。发明人根据实验发现，相比于激光连续曝光模式，采用激光脉冲曝光模式更易出现“匙孔效应”。

下面提供本发明的实施例。需要理解，后一实施例可以沿用前一实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且选择性地省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参照前一实施例，后一实施例不再重复赘述。另外，提供的第一实施例至第三实施例中，第一条带区域Z1和第二条带区域Z2的各种工艺参数相同，第二条带区域Z2中的第二扫描路径P2可以大致相当于由第一条带区域Z1中的第一扫描路径P1偏移预定距离而成。

第一实施例

本实施例中的激光扫描策略参见图5。本实施例中使用的SLM成形设备采用激光脉冲曝光模式，成形材料采用Hastelloy X合金，成形的SLM试样尺寸为10mm*10mm*10mm。

设置气孔缺陷的SLM工艺参数还包括：激光扫描功率P=200W，扫描线点距D=80μm，扫描线曝光时间t=80μs，其中，扫描线点距D是指激光脉冲打点式移动时相邻两点之间的距离，扫描线曝光时间t是指激光脉冲打点式移动时相邻两点之间移动所用时间；

层厚d=30μm，扫描间距h=70μm，条带搭接区域Z0的宽度δ=0.5mm；

条带宽度w0=5mm，激光扫描方向90°，形成一个长度为10mm的水平延伸的条带搭接区域Z0。

本实施例在试样第1500层-1700层设置上述预制气孔缺陷的SLM工艺参数，以此来SLM成形试样。

图6是本实施例获得的预制气孔缺陷的试样的气孔分布图，其中示出了气孔H1。本实施例形成的气孔半径R的均值约为25μm，根据公式1）

，获得的缺陷层的气孔缺陷占比量a近似为0.34%。

第二实施例

本实施例中的激光扫描策略参见图7。本实施例中使用的SLM成形设备采用激光脉冲曝光模式，成形材料采用Hastelloy X合金，成形的SLM试样尺寸为10mm*10mm*10mm。

设置气孔缺陷的SLM工艺参数还包括：激光扫描功率P=180W，扫描线点距D=100μm，扫描线曝光时间t=90μs；

层厚d=30μm，扫描间距h=100μm，条带搭接量δ=0.5mm；

条带宽度w0=7mm，激光扫描方向45°，形成一个长度为14.14mm的沿对角线延伸的条带搭接区域Z0。

本实施例在试样第1000层-1100层设置上述预制气孔缺陷的SLM工艺参数，以此来SLM成形试样。

图8是本实施例获得的预制气孔缺陷的试样的气孔分布图，其中示出了气孔H1。本实施例形成的气孔半径R的均值约为25μm，根据公式1）

，获得的缺陷层的气孔缺陷占比量a近似为0.28%。

第三实施例

本实施例中的激光扫描策略参见图9。本实施例中使用的SLM成形设备采用激光脉冲曝光模式，成形材料采用Hastelloy X合金，成形的SLM试样尺寸为10mm*10mm*10mm。

设置气孔缺陷的SLM工艺参数还包括：激光扫描功率P=210W，扫描线点距D=90μm，扫描线曝光时间t=70μs；

层厚d=30μm，扫描间距h=90μm，条带搭接量δ=0.5mm；

条带宽度w0=7mm，激光扫描方向-45°，形成一个长度为14.14mm的沿另一对角线延伸的条带搭接区域Z0。

本实施例在试样第1000层-1100层设置上述预制气孔缺陷的SLM工艺参数，以此来SLM成形试样。

图10是本实施例获得的预制气孔缺陷的试样的气孔分布图，其中示出了气孔H1。本实施例形成的气孔半径R的均值约为25μm，根据公式1）

，获得的缺陷层的气孔缺陷占比量a近似为0.31%。

实验发现，SLM工艺参数中，激光扫描功率P、扫描线点距D和扫描线曝光时间t这三个参数对是否产生匙孔效应影响较大。

控制SLM工艺参数：成形材料采用Hastelloy X合金；激光扫描功率P=180-210W；扫描线点距D=80-100μm；扫描线曝光时间t=70-90μs。

此外，进一步控制SLM工艺参数：层厚d=30μm；扫描间距h=70-100μm；条带搭接量δ=0.5-0.9mm。

将SLM工艺参数控制在上述范围内可以发生匙孔效应，获得有规律的气孔缺陷。

实际执行时，结合图3，上述气孔缺陷预制方法可以如下进行：

控制SLM工艺参数：激光扫描功率P=180-210W，扫描线点距D=80-100μm，扫描线曝光时间t=70-90μs；层厚d=30μm，扫描间距h=70-100μm，条带搭接量δ=0.5-0.9mm。而条带宽度w0和激光扫描方向根据设置的气孔缺陷位置来设定。

然后，设计气孔缺陷在SLM制件中的位置及占比量：通过改变激光扫描方向和条带宽度来控制条带搭接区域Z0在缺陷层的位置、数量及长度，其中，缺陷层的气孔缺陷占比量a可以近似按照公式（1）确定。然后，通过选定一个或多个指定金属熔化层，以此控制气孔缺陷在SLM制件的高度方向的位置。

最后，通过SLM工艺执行3D打印，对上述指定金属熔化层设置上述SLM工艺参数，其他金属熔化层则设置正常的工艺参数，获得预制气孔缺陷的SLM制件。

上述气孔缺陷预制方法可以通过控制SLM工艺参数，来制造“匙孔效应”，进而在SLM制件指定位置形成规律的气孔缺陷。上述气孔缺陷预制方法采用了优选的SLM工艺参数，通过控制激光扫描方向和条带宽度设置气孔缺陷在SLM制件的每层二维截面中的位置，然后在SLM制件的指定金属熔化层设置相应的SLM工艺参数，即可以完成所需气孔缺陷在SLM制件中的预制。

上述气孔缺陷预制方法还使得缺陷层气孔缺陷占比量a可以参照公式进行确定，从而易于调整各个参数以此获得期望的气孔缺陷占比量。

可以理解，上述气孔缺陷预制方法除了可以适用于在无损检测对比样件中预制气孔的情况之外，还可以适用于深刻理解气孔缺陷对SLM制件的影响的其它各种情况，例如，可以在SLM制件或其典型特征试样的关键位置预制气孔缺陷，从而开展拉伸、持久、疲劳等强度考核试验，评价气孔缺陷对力学性能的影响，预测零件的使用寿命。

需要理解，附图均仅作为示例，并非是按照等比例的条件绘制的，不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种通过控制SLM工艺预制气孔缺陷的方法，其特征在于，

在指定金属熔化层，按照第一扫描路径执行激光扫描；

在所述指定金属熔化层，按照第二扫描路径执行激光扫描；

其中，使所述第一扫描路径和所述第二扫描路径具有路径重叠区域，使所述路径重叠区域具有预定宽度，在所述路径重叠区域叠加的激光能量输入被控制成达到预定能量值，借此在所述路径重叠区域的沿着长度方向的多个位置形成匙孔，以所述指定金属熔化层作为缺陷层并且以所述路径重叠区域的匙孔作为气孔缺陷。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

沿所述第一扫描路径和所述第二扫描路径的激光扫描采用条带式激光扫描方式；

所述第一扫描路径位于第一条带区域，所述第二扫描路径位于第二条带区域，所述第一条带区域和所述第二条带区域形成条带搭接区域，所述条带搭接区域构成所述路径重叠区域，所述条带搭接区域的条带搭接量是所述路径重叠区域的宽度。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述第一扫描路径包括平行且等距间隔地设置的多个第一扫描线，所述第二扫描路径包括平行且等距间隔地设置的多个第二扫描线，并且所述第一扫描路径和所述第二扫描路径的扫描间距相同。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

沿所述第一扫描路径和所述第二扫描路径的激光扫描采用条带式激光往返扫描方式。

5.如权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，

沿所述第一扫描路径和所述第二扫描路径的激光扫描采用激光脉冲曝光模式。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，

控制SLM工艺参数：

成形材料采用Hastelloy X合金；

激光扫描功率P=180-210W；

扫描线点距D=80-100μm；

扫描线曝光时间t=70-90μs。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，

进一步控制SLM工艺参数：

层厚d=30μm；

扫描间距h=70-100μm；

条带搭接量δ=0.5-0.9mm。

8.如权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，

通过改变激光扫描方向与所述第一条带区域和/或所述第二条带区域的条带宽度来控制所述条带搭接区域在所述缺陷层的位置、数量及长度，借此控制所述缺陷层的气孔缺陷占比量。

9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述缺陷层的气孔缺陷占比量a参照如下公式确定：

其中，N为条带搭接区域的数量，R为气孔半径，L为条带搭接区域的长度，h为扫描间距，S为缺陷层的截面面积。

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