CN111451501B - 一种基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法，属于增材制造技术领域，包括以下步骤：S1：钨预合金粉体或混合粉体的制备：选择与钨在凝固过程中可发生共晶反应的元素的单质，或包含该元素的固溶体或化合物，与纯钨制成预合金粉体或混合粉体；S2：建模分层：在3D打印增材制造设备上，根据所制备零件的形状，创建零件的三维模型，并进行切片处理，将分层处理后的模型以STL格式导出；S3：激光成形：使用步骤S1的产物粉体，采用选区激光熔化技术，在合适的工艺参数下，成形钨零件。采用本发明的制备方法制备出的钨零件的致密度达到99％以上，内部裂纹极少甚至无裂纹，解决了增材制造钨零件的裂纹问题，提高了增材制造钨零件的性能。

Description

一种基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法。
背景技术
钨(W)以其优越的性能，如高熔点、高热导率、良好的高温强度及化学稳定性等，被广泛应用于航空航天、核能和医疗等领域。但近年来，对零部件复杂形状的应用需求不断增加，通常有孔、槽、变截面等特征。而钨固有的高熔点和低温脆性，使其加工制造困难，有必要发展新型制备技术应用于实际工程用钨部件制备。钨零件3D打印增材制造过程是采用分层制造的思想，根据预先设计的CAD模型，以激光等为热源，通过重复逐层铺粉、逐层熔化凝固的方式，可以成形复杂形状三维零件，可用于成形复杂形状的金属零部件。
但由于增材制造过程中成形体内应力大，钨低温(<400℃)下的本征脆性，纳米气孔、氧化物杂质等在晶界处聚集造成的晶界弱连接，以及增材制造过程中形成的粗大柱状晶等原因，增材制造成形钨材料中极易形成大量沿晶界分布的裂纹。
以激光增材制造为例，通过在钨中添加少量的金属钽(Ta)，W-Ta合金的晶粒形貌发生改变，同时形成位错胞，使得裂纹密度降低约80％；添加ZrC纳米颗粒，晶粒细化，可以将裂纹密度降低约88.7％。尽管现有技术可以在一定程度上减少裂纹的密度，但仍无法彻底解决，激光增材制造钨零件中仍存在裂纹。
鉴于此，急需研究一种新型激光增材制造钨零件的制备方法，能最大程度上减少或彻底解决现有激光增材制造钨零件中存在的裂纹问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法，通过引入可与钨在凝固过程中发生共晶反应的元素的单质，或包含该元素的固溶体或化合物，与钨制成预合金粉体或混合粉体，使用该钨预合金粉体或混合粉体，再采用选区激光熔化或激光粉末床熔化技术，在合适的工艺参数下，成形钨零件，制备出的钨零件的致密度达到99％以上，内部裂纹极少甚至无裂纹，解决了增材制造钨零件的裂纹问题，提高了增材制造钨零件的性能。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：
本发明提供了一种基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：钨预合金粉体或混合粉体的制备：选择与钨在凝固过程中可发生共晶反应的元素的单质，或包含该元素的固溶体或化合物，与纯钨制成预合金粉体或混合粉体；
步骤S2：建模分层：在3D打印增材制造设备上，根据所制备零件的形状，创建零件的三维模型，并进行切片处理，将分层处理后的模型以STL格式导出；
步骤S3：激光成形：使用所述步骤S1的产物粉体，采用选区激光熔化技术，在合适的工艺参数下，成形钨零件。
进一步地，所述步骤S3的激光成形过程具体为：
步骤S301：在光纤激光器的工作平台上安装纯钨金属基板，并将所述金属基板预热至200-800℃，同时控制铺粉刮刀与所述金属基板的间隙为(30±0.5)μm，在激光成形过程中，控制所述金属基板的温度始终保持在200-800℃，将所述步骤S1的产物粉体颗粒填装到粉体料仓中；
步骤S302：密封成形腔体，用真空泵将成形腔体内抽至相对真空度为-(90±1)KPa；
步骤S303：向成形腔体内输入保护气体；
步骤S304：重复步骤S302、S303，使成形腔体内氧含量降至100ppm以下；
步骤S305：铺粉机构将粉体料仓中的粉体送入所述金属基板上，并由铺粉刮刀铺平，获得厚度为(30±0.5)μm的粉体薄层；
步骤S306：开始成形，通过高能激光束熔化“成形切片区域”内的粉体；
步骤S307：粉体薄层成形完成之后，工作台下降一个切片厚度(30±0.5)μm；
步骤S308：重复步骤S305-S307，通过逐层铺粉、逐层熔化凝固成形，直至整个钨零件成形完毕。
进一步地，在所述步骤S306中，下一层的高能激光束熔化“成形切片区域”内的粉体的扫描方向与上一层的扫描方向的夹角为(67±0.5)°。
进一步地，高能激光束的工艺参数设置为：输出功率>350W，扫描速度为150-400mm/s，扫描间距为80-120μm。
进一步地，所述步骤S303中输入的保护气体为氩气、氮气、氦气中的任意一种。
进一步地，在所述步骤S1中选择与钨在凝固过程中可发生二元共晶反应的元素为Si。
进一步地，Si元素的固溶体为Fe(Si)，Si元素的化合物为SiC。
进一步地，在所述步骤S1中选择与钨在凝固过程中可发生三元共晶反应的元素为Si和Fe。
进一步地，Si和Fe元素的化合物为Fe2Si。
进一步地，所述步骤S1中，加入的与钨产生共晶反应的物质，其质量不超过产物粉体总质量的10％；
产物粉体的中值粒径为10-30μm，控制氧含量在100ppm以下，球形度超过95％，松装堆垛密度≥50％。
本发明的的基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法，通过引入可与钨在凝固过程中发生共晶反应的元素的单质，或包含该元素的化合物或化合物，与钨制成预合金粉体或混合粉体，使用该钨预合金粉体或混合粉体，再采用选区激光熔化或激光粉末床熔化技术，在合适的工艺参数下，成形钨零件，制备出的钨零件致密度达到99％以上，内部只观察到极少量尺寸细小的微裂纹，但该裂纹对钨零件整体性能基本无影响，甚至可以形成无裂纹的全致密钨零件，解决了增材制造钨零件的裂纹问题，提高了增材制造钨零件的性能。
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它的附图。
图1是本发明的基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法的工艺流程图；
图2是图1中步骤S3的激光成形过程的工艺流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
本发明提供了一种基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1：钨预合金粉体或混合粉体的制备：选择与钨在凝固过程中可发生共晶反应的元素的单质，或包含该元素的固溶体或化合物，与纯钨制成预合金粉体或混合粉体；
步骤S2：建模分层：在3D打印增材制造设备上，根据所制备零件的形状，创建零件的三维模型，并进行切片处理，将分层处理后的模型以STL格式导出；
步骤S3：激光成形：使用所述步骤S1的产物粉体，采用选区激光熔化技术，在合适的工艺参数下，成形钨零件。
如图2所示，所述步骤S3的激光成形过程具体为：
步骤S301：在光纤激光器的工作平台上安装纯钨金属基板，并将所述金属基板预热至200-800℃，同时控制铺粉刮刀与所述金属基板的间隙为(30±0.5)μm，在激光成形过程中，控制所述金属基板的温度始终保持在200-800℃，将所述步骤S1的产物粉体颗粒填装到粉体料仓中；
步骤S302：密封成形腔体，用真空泵将成形腔体内抽至相对真空度为-(90±1)KPa；
步骤S303：向成形腔体内输入保护气体；
步骤S304：重复步骤S302、S303，使成形腔体内氧含量降至100ppm以下；
步骤S305：铺粉机构将粉体料仓中的粉体送入所述金属基板上，并由铺粉刮刀铺平，获得厚度为(30±0.5)μm的粉体薄层；
步骤S306：开始成形，通过高能激光束熔化“成形切片区域”内的粉体；
步骤S307：粉体薄层成形完成之后，工作台下降一个切片厚度(30±0.5)μm；
步骤S308：重复步骤S305-S307，通过逐层铺粉、逐层熔化凝固成形，直至整个钨零件成形完毕。
其中，在所述步骤S306中，下一层的高能激光束熔化“成形切片区域”内的粉体的扫描方向与上一层的扫描方向的夹角为(67±0.5)°，可以提高钨零件的成形性，减少钨零件内部的成形缺陷，使其达到较高的致密度。
其中，高能激光束的工艺参数设置为：输出功率>350W，扫描速度为150-400mm/s，扫描间距为80-120μm，可以最大程度上减少钨零件成形过程中的球化现象，提高熔池稳定性，减少钨零件内部缺陷，提高致密度；所述步骤S303中输入的保护气体为氩气、氮气、氦气中的任意一种。
其中，在所述步骤S1中选择与钨在凝固过程中可发生二元共晶反应的元素为Si，可以选择单质，也可以是Si元素的固溶体例如Fe(Si)等，也可以是Si元素的化合物例如SiC等。在所述步骤S1中选择与钨在凝固过程中可发生三元共晶反应的元素为Si和Fe，可以选择单质，也可以是Si和Fe元素的固溶体例如Fe(Si)等，也可以是Si和Fe元素的化合物例如Fe2Si等。
并且，所述步骤S1中，加入的与钨产生共晶反应的物质，为保证钨零件的良好热/力学性能，需控制添加物含量在一定范围内，可以控制其质量不超过产物粉体总质量的10％。控制产物粉体的中值粒径为10-30μm，控制氧含量在100ppm以下，球形度超过95％，松装堆垛密度≥50％，采用球形粉体，并控制其松装堆垛密度和粉体直径，有利于在铺粉和刮粉过程中获得均匀度良好的分层，并且在激光熔化凝固过程中，可以减少球化现象，有利于保障下一层铺粉效果，从而减少钨零件成形缺陷。
本发明的的基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法，通过引入可与钨在凝固过程中发生共晶反应的元素的单质，或包含该元素的固溶体或化合物，与钨制成预合金粉体或混合粉体，使用该钨预合金粉体或混合粉体，再采用选区激光熔化或激光粉末床熔化技术，在合适的工艺参数下，成形钨零件，制备出的钨零件的致密度达到99％以上，内部裂纹极少甚至无裂纹，解决了增材制造钨零件的裂纹问题，提高了增材制造钨零件的性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：钨预合金粉体或混合粉体的制备：选择与钨在凝固过程中可发生共晶反应的元素的单质，或包含该元素的固溶体或化合物，与纯钨制成预合金粉体或混合粉体；
步骤S2：建模分层：在3D打印增材制造设备上，根据所制备零件的形状，创建零件的三维模型，并进行切片处理，将分层处理后的模型以STL格式导出；
步骤S3：激光成形：使用所述步骤S1的产物粉体，采用选区激光熔化技术，在合适的工艺参数下，成形钨零件；
在所述步骤S1中选择与钨在凝固过程中可发生二元共晶反应的元素为Si，Si元素的固溶体为Fe（Si），Si元素的化合物为SiC；
在所述步骤S1中选择与钨在凝固过程中可发生三元共晶反应的元素为Si和Fe，Si和Fe的化合物为Fe2Si。
2.根据权利要求1所述的基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法，其特征在于，所述步骤S3的激光成形过程具体为：
步骤S301：在光纤激光器的工作平台上安装金属基板，并将所述金属基板预热至200-800℃，同时控制铺粉刮刀与所述金属基板的间隙为（30±0.5）μm，在激光成形过程中，控制所述金属基板的温度始终保持在200-800℃，将所述步骤S1的产物粉体颗粒填装到粉体料仓中；
步骤S302：密封成形腔体，用真空泵将成形腔体内抽至相对真空度为-（90±1）KPa；
步骤S303：向成形腔体内输入保护气体；
步骤S304：重复步骤S302、S303，使成形腔体内氧含量降至100ppm以下；
步骤S305：铺粉机构将粉体料仓中的粉体送入所述金属基板上，并由铺粉刮刀铺平，获得厚度为（30±0.5）μm的粉体薄层；
步骤S306：开始成形，通过高能激光束熔化“成形切片区域”内的粉体；
步骤S307：粉体薄层成形完成之后，工作台下降一个切片厚度（30±0.5）μm；
步骤S308：重复步骤S305-S307，通过逐层铺粉、逐层熔化凝固成形，直至整个钨零件成形完毕。
3.根据权利要求2所述的基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法，其特征在于，在所述步骤S306中，下一层的高能激光束熔化“成形切片区域”内的粉体的扫描方向与上一层的扫描方向的夹角为（67±0.5）°。
4.根据权利要求2所述的基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法，其特征在于，高能激光束的工艺参数设置为：输出功率>350W，扫描速度为150-400mm/s，扫描间距为80-120μm。
5.根据权利要求2所述的基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法，其特征在于，所述步骤S303中输入的保护气体为氩气、氮气、氦气中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，加入的与钨产生共晶反应的物质，其质量不超过产物粉体总质量的10%；
产物粉体的中值粒径为10-30μm，控制氧含量在100ppm以下，球形度超过95%，松装堆垛密度≥50%。
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