CN111318701A - 薄壁异形金属构件增材制造过程残余应力控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于薄壁异形金属构件增材制造技术领域，提供了一种薄壁异形金属构件增材制造过程残余应力控制方法。步骤如下：确定制造工艺；确定工艺参数；设计过渡结构；设计温度分布；选择辅助热源；预热基板及材料；进行3D打印；实时测温；控制温度；取件后处理。该方法通过预热，实时加热方式控制金属薄壁构件的温度分布情况，使零件整体温度均匀化，防止零件因热应力过大而产生严重畸变，提高产品精度；降低了局部温度梯度，减少残余应力，防止微小裂纹的产生，提高产品力学性能；控制了基板与零件间应力集中，避免零件翘曲、开裂，降低废品概率。

Description

薄壁异形金属构件增材制造过程残余应力控制方法
技术领域
本发明属于薄壁异形金属构件增材制造技术领域，特别是涉及薄壁异形金属构件增材制造过程中的残余应力控制方法。
背景技术
增材制造是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方式制造实体零件的技术。相对于材料去除技术，增材制造是一种“自下而上”的材料累加制造方法。增材制造不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，利用三维设计数据在一台设备上即可快速而精确地制造出形状复杂的零件，从而实现“自由制造”，解决过去许多复杂结构零件无法制造的难题，并大大减少加工工序，缩短加工周期。目前，该技术已在多个领域取得了广泛应用，如汽车、航空航天、医疗、军工、地理信息、艺术设计等。
激光选区熔化(SLM)和金属激光熔融沉积成形(LDMD)是常见的用于金属材料增材制造的技术。激光选区熔化(SLM)通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各个截面的轮廓数据后，利用高能量激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉、逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件。金属激光熔融沉积成形技术(LDMD)以激光束为热源，通过自动送粉装置将金属粉末同步、精确地送入到成形表面上的熔池中。随着激光斑点的移动，粉末不断地送入熔池中熔化然后凝固，最终得到所需要的形状。目前，SLM和LDMD在航空航天领域、医疗领域等已经有了较为成熟的应用，例如在航空航天领域利用SLM技术制造的喷油器喷嘴，在医疗领域用钛合金打印的关节等人体植入物。此外，发动机涡轮叶片等薄壁异形零件的增材制造技术也在探索中。
利用增材制造生产薄壁异形构件比生产块状异形构件更为困难，这主要是因为残余应力、热应力的存在对薄壁构件会产生更大影响。薄壁异形构件在打印过程中通常会在零件与基板接触位置、零件中部复杂特征区域以及零件正打印边缘区域产生缺陷。首先是零件与基板的接触位置，因为基板和打印零件的材质、热膨胀系数及边界条件的不同，在打印初期容易在此处产生热应力与残余应力，基板与零件的连接处通常是应力最为集中的部分。由于薄壁异形零件与基板的接触面积相较于块状零件很小，所以在连接处极易产生裂纹并导致零件与基板脱离。对于整个薄壁零件而言，由于熔池区域的温度通常在上千摄氏度甚至更高，而基板则处于较低温度，所以在整个零件上从熔池区域至基板位置会产生很大的温度梯度。金属材料具有明显的热膨胀特性，在较大温度梯度条件下，零件上不同位置就产生不同程度的热膨胀以及随之而来的热应力。这种热应力的存在会导致零件整体变形，使薄壁零件顶部的边缘偏离预定的打印位置，由于打印喷嘴一般是根据预先设定的路线行进，其结果便会导致零件的成形精度的下降，甚至会出现喷嘴下方无可支撑的材料而导致打印中断。实时打印区域的温度梯度则是零件产生残余应力的主要原因，极高的温度梯度导致不均匀热膨胀，熔池附近金属由于膨胀受到周围金属的限制产生塑性变形，当金属冷却产生塑性变形的位置无法恢复到原位，则产生残余应力。
目前，为了实现残余应力的合理分布或者减小残余应力的数值，以降低残余应力造成的不利影响，可以在打印过程中对零件施加一定的支撑或约束来防止残余应力造成的变形(力或位移控制)，或者采用不同温度的结构与零件接触以改变零件上的温度梯度(温度梯度调控)。这些方式对于块状结构有一定的效果，但是对于薄壁构件特别是有着复杂外形的薄壁构件，因为其整体刚度低容易在外部载荷作用下发生不可控变形、因为其壁厚薄传热快而难以精确控制温度梯度、因为其壁厚薄更容易出现打印熔池区严重偏离喷嘴预定路径，所以这些控制残余应力的方法在用于薄壁构件时受到很多限制。而且，增加的辅助结构需要在零件打印成形后期以机械加工的方式去除，这个过程中薄壁结构极易在切削力的作用而产生复杂不可控的变形。
为了提高激光选区熔化和金属激光熔融沉积在打印薄壁金属构件时存在的上述问题，需要提出一种用于控制薄壁异形金属构件增材制造过程中残余应力的新方法。
发明内容
本发明为解决薄壁异形构件增材制造过程中由于残余应力以及热应力作用，导致成形零件复杂变形、产生裂纹等问题，提出了一种薄壁异形金属零部件增材制造过程中残余应力控制方法。
本发明的技术方案：
一种薄壁异形金属构件增材制造过程残余应力控制方法，步骤如下：
步骤一、确定制造工艺：根据待成形零件形状尺寸特点，确定增材制造工艺；若待成形零件是大尺寸薄壁异形件且精度要求较低时选用激光近净成形技术，若待成形零件是零件尺寸较小且精度要求高时选用选区熔化技术；
步骤二、确定工艺参数：对待成形零件的材料属性和结构特征进行分析，依据步骤一所选增材制造工艺，确定铺粉层厚、粉末粒径、激光功率、扫描路径工艺参数，控制平均粒径大小0.02-0.05mm，层厚0.02-0.1mm，激光功率200-500W，扫描路径依零件特征不同选用逐行扫描、分块扫描、带状扫描或螺旋扫描方式；
步骤三、设计过渡结构：根据待成形零件与基板的接触情况及局部特征，仿真模拟，设计过渡结构；过渡结构包括梯形截面过渡段，基板与梯形截面过渡段之间的过渡圆角，以及梯形截面过渡段加强筋结构；
步骤四、设计温度分布：根据步骤二所选工艺参数，结合材料导热性和热膨胀率，确定温度分布，在复杂特征区域保证温度均匀，对于整体待成形零件控制温度梯度，以保证所产生的热应力、残余应力最小；
步骤五、选择辅助热源：根据步骤四确定的温度分布，选择辅助加热热源，辅助加热热源选用感应加热，辐射加热等非接触式加热方式；
步骤六、预热基板及材料：根据所设计的温度分布，对基板进行预热，获得所需要的初始温度，对于钛合金，将基板预热至350℃，对于高速钢，将基板预热至200℃；
步骤七、进行3D打印：利用所选增材制造技术开始成形；
步骤八、实时测温：利用温度采集系统对增材制造过程中的零件各部位的温度分布情况，尤其是熔池附近温度分布进行实时监控，将采集的信息反馈至加热热源；
步骤九、控制温度：利用步骤五中选择的辅助热源，结合步骤八中测量的温度，通过感应加热或者辐射加热方式对零部件进行加热，改变其温度分布，降低整体温度梯度，使局部温度均匀化；
步骤十、取件后处理：成形结束后，取下薄壁零部件并根据需要进行相应的热处理，切割，表面加工等后处理。
本发明的有益效果是：
一、本发明所述的薄壁异形金属零部件增材制造过程中残余应力控制方法，通过控制增材制造过程中金属零部件的温度分布，降低其局部的温度梯度，减少金属零部件的残余应力，防止微小裂纹的产生，避免由残余应力导致的畸变，从而提升3D打印金属零部件的产品质量。
二、本发明所述的薄壁异形金属零部件增材制造过程中残余应力控制方法，通过增加基板与薄壁金属构件的过渡结构，增加了两者接触面积改善其应力分布情况，减少开裂、分层现象的产生。
三、本发明所述的薄壁异形金属零部件增材制造过程中残余应力控制方法，通过基板加热以及辅助热源的加热改善零件整体的温度分布，降低零件的温度复杂程度，减少零件的热应力，缓解增材制造过程中的畸变。
四、本发明所述的薄壁异形金属零部件增材制造过程中残余应力控制方法，测温系统采用无接触温度测量方法，避免了温度测量过程中由于热传递而导致的温度场进一步复杂化，避免了增材制造过程中零部件整个形体的实时变化以及局部测控区域的实时变化而导致的测温困难。
五、本发明所述的薄壁异形金属零部件增材制造过程中残余应力控制方法，采用无接触式加热方法，避免接触应力对零部件成形产生不利影响。
附图说明
图1为薄壁异形金属零部件增材制造过程中残余应力控制方法流程图。
图2为薄壁异形金属零部件增材制造过程中残余应力控制方法的过渡结构示意图。
图3为采用薄壁异形金属零部件增材制造过程中残余应力控制方法的设备原理图。
图中：1基板，2过渡结构，3待成形零件，4测温元件，5加热元件，63D打印喷嘴。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1：结合图1说明本发明提出的薄壁异形金属零部件增材制造过程中残余应力控制方法。该方法是按照以下步骤进行的：
步骤一、确定制造工艺：根据待成形零件形状尺寸特点，确定增材制造工艺；若待成形零件是大尺寸薄壁异形件且精度要求较低时选用激光近净成形技术，若待成形零件是零件尺寸较小且精度要求高时选用选区熔化技术；
步骤二、确定工艺参数：对待成形零件的材料属性和结构特征进行分析，依据步骤一所选增材制造工艺，确定铺粉层厚、粉末粒径、激光功率、扫描路径工艺参数，控制平均粒径大小0.02-0.05mm，层厚0.02-0.1mm，激光功率200-500W，扫描路径依零件特征不同选用逐行扫描、分块扫描、带状扫描或螺旋扫描方式；
步骤三、设计过渡结构：根据待成形零件与基板的接触情况及局部特征，仿真模拟，设计过渡结构；过渡结构包括梯形截面过渡段，基板与梯形截面过渡段之间的过渡圆角，以及梯形截面过渡段加强筋结构；
步骤四、设计温度分布：根据步骤二所选工艺参数，结合材料导热性和热膨胀率，确定温度分布，在复杂特征区域保证温度均匀，对于整体待成形零件控制温度梯度，以保证所产生的热应力、残余应力最小；
步骤五、选择辅助热源：根据步骤四确定的温度分布，选择辅助加热热源，辅助加热热源选用感应加热，辐射加热等非接触式加热方式；
步骤六、预热基板及材料：根据所设计的温度分布，对基板进行预热，获得所需要的初始温度，对于钛合金，将基板预热至350℃，对于高速钢，将基板预热至200℃；
步骤七、进行3D打印：利用所选增材制造技术开始成形；
步骤八、实时测温：利用温度采集系统对增材制造过程中的零件各部位的温度分布情况，尤其是熔池附近温度分布进行实时监控，将采集的信息反馈至加热热源；
步骤九、控制温度：利用步骤五中选择的辅助热源，结合步骤八中测量的温度，通过感应加热或者辐射加热方式对零部件进行加热，改变其温度分布，降低整体温度梯度，使局部温度均匀化；
步骤十、取件后处理：成形结束后，取下薄壁零部件并根据需要进行相应的热处理，切割，表面加工等后处理。
本实施例通过控制增材制造过程中金属零部件的温度分布情况，降低其局部的温度梯度，减少金属零部件的残余应力，防止微小裂纹的产生。通过基板与加热元件的加热，改善零件整体的温度分布，降低零件热应力，减少了零件畸变，从而提升3D打印金属零部件的产品质量。测温系统与加热均采用无接触方式，避免了温度测量过程中由于热传递而导致的温度场变化的进一步复杂化，避免接触应力对零部件成形产生影响，避免了增材制造过程中，零部件形体实时变化，关注区域实时变化而导致的测温困难，以及加热元件随动的困难。
实施例2：结合图3采用薄壁异形金属零部件增材制造过程中残余应力控制方法的设备原理图，本实施方式的薄壁异形金属零部件增材制造过程中残余应力控制方法，其特征在于在步骤八中采用非接触式红外测温系统对熔池附近区域及零件整体的温度进行检测，检测精度误差小于10℃其它步骤，与实施例1相同。
本实施例：测温系统采用无接触温度测量方法，避免了温度测量过程中由于热传递而导致的温度场变化的进一步复杂化，避免了3D打印过程中，零部件形体实时变化，关注区域实时变化而导致的测温困难。
实施例3：结合图3采用薄壁异形金属零部件增材制造过程中残余应力控制方法的设备原理图，本实施方式的薄壁异形金属零部件增材制造过程中残余应力控制方法，其特征在于步骤九中使用辐射加热、激光加热元件对薄壁异形金属构件进行整体均匀加热至150-500℃，从而改变零件整体的温度分布。其它步骤，与实施例1相同。
本实施例通过基板加热以及辅助热源的加热改善零件整体的温度分布情况，降低零件的温度复杂程度，减少零件的热应力，缓解增材制造过程中的畸变。
实施例4：结合图3采用薄壁异形金属零部件增材制造过程中残余应力控制方法的设备原理图，本实施方式的薄壁异形金属零部件增材制造过程中残余应力控制方法，其特征在于在步骤九中采用高频感应加热或激光束加热对熔池附近区域进行预加热，预加热温度范围为500-1000℃，其它步骤，与实施例1相同。
本实施例通过对熔池区域的预加热可以有效降低打印时产生的温度梯度，从而有效减少打印时产生的残余应力。高频感应加热、激光加热，加热速度快，效率高，可以快速实现熔池附近区域的温度提升，两种加热方式为无接触式加热方法，避免接触应力对零部件成形产生影响。
实施例5：结合图3采用薄壁异形金属零部件增材制造过程中残余应力控制方法的设备原理图，本实施方式的薄壁异形金属零部件增材制造过程中残余应力控制方法，其特征在于加热系统，测温系统与3D打印系统，采用闭环控制，对3D打印过程中的零部件温度场分布情况进行实时测量，并根据测量结果实时调整加热系统功率。
本实施例3D打印过程中零部件的熔池区域实时变化，故熔池附近零件结构也实时变化，对温度场进行闭环控制可以有效的获得合适的温度梯度，从而极大的减少残余应力。

Claims (1)

1.一种薄壁异形金属构件增材制造过程残余应力控制方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、确定制造工艺：根据待成形零件形状尺寸特点，确定增材制造工艺；若待成形零件是大尺寸薄壁异形件且精度要求较低时选用激光近净成形技术，若待成形零件是零件尺寸较小且精度要求高时选用选区熔化技术；
步骤二、确定工艺参数：对待成形零件的材料属性和结构特征进行分析，依据步骤一所选增材制造工艺，确定铺粉层厚、粉末粒径、激光功率、扫描路径工艺参数，控制平均粒径大小0.02-0.05mm，层厚0.02-0.1mm，激光功率200-500W，扫描路径依零件特征不同选用逐行扫描、分块扫描、带状扫描或螺旋扫描方式；
步骤三、设计过渡结构：根据待成形零件与基板的接触情况及局部特征，仿真模拟，设计过渡结构；过渡结构包括梯形截面过渡段，基板与梯形截面过渡段之间的过渡圆角，以及梯形截面过渡段加强筋结构；
步骤四、设计温度分布：根据步骤二所选工艺参数，结合材料导热性和热膨胀率，确定温度分布，在复杂特征区域保证温度均匀，对于整体待成形零件控制温度梯度，以保证所产生的热应力、残余应力最小；
步骤五、选择辅助热源：根据步骤四确定的温度分布，选择辅助加热热源，辅助加热热源选用非接触式加热方式；
步骤六、预热基板及材料：根据所设计的温度分布，对基板进行预热，获得所需要的初始温度，对于钛合金，将基板预热至350℃，对于高速钢，将基板预热至200℃；
步骤七、进行3D打印：利用所选增材制造技术开始成形；
步骤八、实时测温：利用温度采集系统对增材制造过程中的零件各部位的温度分布情况，尤其是熔池附近温度分布进行实时监控，将采集的信息反馈至加热热源；
步骤九、控制温度：利用步骤五中选择的辅助热源，结合步骤八中测量的温度，通过感应加热或者辐射加热方式对零部件进行加热，改变其温度分布，降低整体温度梯度，使局部温度均匀化；
步骤十、取件后处理：成形结束后，取下薄壁零部件并根据需要进行相应的热处理，切割，表面加工等后处理。
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