CN111829868B - 高通量金属增材制造工艺参数的研究方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高通量金属增材制造工艺参数的研究方法，其包括：试件的高通量的变参数打印；对试件的高通量的组织和材料分析，得到各工艺参数与组织的对应关系；对试件的高通量的力学性能测试，建立各工艺参数条件下的力学性能；从试件的各参数下的组织分析结果、力学性能结果中，得到各工艺参数的影响规律，得到优化的参数。试件的高通量的变参数打印的具体步骤为：在待打印试件的格式文件中设定多组不同的工艺参数；在基板上按预先设定好的多组工艺参数由下至上打印试件，其中，打印的试件在高度方向上分为多个单元块，各单元块对应一组工艺参数。本发明的高通量的金属增材制造工艺参数的研究方法实现了快速优化得到最优的工艺参数的目的。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造和材料基因技术领域，尤其涉及一种高通量金属增材制造工艺参数的研究方法。
背景技术
增材制造，俗称3D打印，是一种新型的、颠覆性的制造方法，发展迅速，并且具有广阔的发展前景。增材制造工艺是增材制造研究的核心内容，是制约增材制造技术发展的主要问题之一。同时增材制造成本高，效率低，采用常规研究方法时，每种工艺参数都需单独打印一个试件，然后对比分析多个试件的组织与性能以获得最优工艺参数。此方法效率低，周期长，成本高。例如，选区激光熔化工艺中，需要确定的参数有激光功率、扫描速度、扫描间隔与层厚等，这些参数可有成百上千种组合，若要每组工艺参数分别打印一个试件，然后对每个试件分别测试，显然是非常耗时的。而采用数值模拟方法也存在材料本构方程和成形中内在机理不清楚和计算量大等系列问题，导致其难以用于优化增材制造工艺。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高通量金属增材制造工艺参数的研究方法，其能够高效地、全面地覆盖众多增材制造工艺参数下的增材制造质量问题，获得增材制造工艺参数与制造质量之间的关系，优化得到最优的工艺参数。
为了实现上述目的，本发明提供了一种高通量金属增材制造工艺参数的研究方法，其包括：试件的高通量的变参数打印；对试件的高通量的组织和材料分析，得到各工艺参数与组织的对应关系；对试件的高通量的力学性能测试，建立各工艺参数条件下的力学性能；从试件的各参数下的组织分析结果、力学性能结果中，得到各工艺参数的影响规律，得到优化的参数。试件的高通量的变参数打印的具体步骤为：在待打印试件的格式文件中设定多组不同的工艺参数；在基板上按预先设定好的多组工艺参数的变化顺序由下至上打印试件，其中，打印的试件在高度方向上分为多个单元块，各单元块对应一组工艺参数。
在一实施例中，对试件的高通量的组织和材料分析之前，还包括：对试件的高通量的变形量分析，具体步骤为：试件打印完成后，通过三维扫描仪整体扫描基板和试件的外轮廓，将试件扫描出的外轮廓与理论尺寸进行比对，得到试件的变形信息与对应的高度和对应的参数之间的关系；将试件从基板上切割分离开；再次采用三维扫描仪扫描试件的外轮廓，将试件扫描出的外轮廓与理论尺寸进行比对，以得到应力释放后、试件的变形信息与对应的高度和对应的工艺参数之间的关系。
在一实施例中，对试件的高通量的组织和材料分析的具体步骤包括：采用X射线透射扫描试件，得到试件的高通量的内部缺陷沿高度方向的分布规律以及各层缺陷的分布规律，以得到对应的工艺参数与缺陷的关系；采用FIB三维表征分析技术对试件进行分析，得到所述试件的高通量的微观组织，以得到对应的工艺参数与微观组织的关系。
在一实施例中，对试件的高通量组织和材料分析的具体步骤还包括：利用仪器观察试件的各单元块的纵截面的微观组织，以根据高度信息对应得到参数与微观组织的关系。
在一实施例中，对试件的高通量的力学性能测试的具体步骤包括：将高通量的试件加工成微观力学性能测试试样；对测试试样进行微观加载，测得材料的力学性能，然后建立各参数条件下的力学性能。
在一实施例中，对测试试样微观加载具体步骤包括：根据测试试样的侧面的金相测试结果，确定试样的侧面的预加载位置，再将试样侧面的预加载位置与设定的参数相对应，然后对试样的侧面的所述预加载位置测试显微硬度值；采用离子束在对应单元块加工出实验凸台，对实验凸台进行微观加载，以测定材料的力学性能。
本发明的有益效果如下：本发明的高通量的金属增材制造工艺参数的研究方法，实现了在短时间内满足大量工艺参数表征的条件；且在对工艺参数与制造质量之间的关系分析时，能够对高通量的试件进行整体分析，实现了对多个工艺参数的并行处理，高效率地、全面地覆盖了多个增材制造工艺参数下的增材制造质量问题，快速得到增材制造工艺参数与制造质量之间的关系，从而实现了快速优化得到最优的工艺参数的目的。
附图说明
图1是根据本发明的高通量金属增材制造工艺参数的研究方法打印出的试件的示意图。
其中，附图标记说明如下：
S试件 H高度方向
具体实施方式
附图示出本发明的实施例，且将理解的是，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式实施，因此，本文公开的具体细节不应被解释为限制，而是仅作为权利要求的基础且作为表示性的基础用于教导本领域普通技术人员以各种方式实施本发明。
根据本发明的高通量金属增材制造工艺参数的研究方法包括：试件S的高通量的变参数打印；对试件S的高通量的组织和材料分析，得到各工艺参数与组织的对应关系；对试件S的高通量的力学性能测试，建立各工艺参数条件下的力学性能；从试件S的各参数下的组织分析结果、力学性能结果中，得到各工艺参数的影响规律，得到优化的参数。
试件S的高通量的变参数打印具体步骤为：在待打印试件S的格式文件中设定多组不同的工艺参数；在基板上按预先设定好的多组工艺参数的变化顺序由下至上打印试件S，其中，打印的试件S在高度方向H上分为多个单元块(例如图1中的单元块A、单元块B和单元块C分别代表不同的单元块)，相邻的单元块沿高度方向H间隔开，每个单元块对应一组工艺参数，每个单元块包括多层。需要说明的是，在基板上打印试件S时，可以打印一个高通量的试件S，也可以打印多个高通量的试件S，且高通量的试件S的多组工艺参数可以设置为相同，也可以设置为不同，可根据需要进行工艺参数的设计。
相比于传统的每组工艺参数对应打印一个试件的研究方法而言，本发明的高通量的金属增材制造工艺参数的研究方法能够在试件S的某一方向连续打印多个单元块(几十到上百种甚至更多)，每个单元块对应的一组工艺参数可以相同，也可以不同，具体情况可根据需要对打印输入文件与参数进行编辑，实现了在短时间内满足大量工艺参数表征的条件；且在对工艺参数与制造质量之间的关系分析时，能够对高通量的试件S进行整体分析，实现了对多个工艺参数的并行处理，高效率地、全面地覆盖了多个增材制造工艺参数下的增材制造质量问题，快速得到增材制造工艺参数与制造质量之间的关系，从而实现了快速优化得到最优的工艺参数的目的。
对试件S的高通量的组织和材料分析之前，本发明的高通量的金属增材制造工艺参数的研究方法还包括：对试件S的高通量的变形量分析，具体步骤为：试件S打印完成后，通过三维扫描仪整体扫描基板和试件S的外轮廓，将试件S扫描出的外轮廓与理论尺寸进行比对，得到试件S的变形信息与对应的高度和对应的参数之间的关系；将试件S从基板上切割分离开；再次采用三维扫描仪扫描试件S的外轮廓，将试件S扫描出的外轮廓与理论尺寸进行比对，以得到应力释放后、试件S的变形信息与对应的高度和对应的参数之间的关系。由于试件S为高通量的试件，三维扫描仪整体扫描试件S的外轮廓时，得到的是所述试件S的整体尺寸，因此实现了试件S的高通量的变形信息与对应的位置和对应的工艺参数之间的关系，快速得到了变形量与参数之间的关系，优化了影响变形量的工艺参数。需要说明的是，将试件S从基板上切割分离开，解除了基板对试件S在连接处的限制，释放了应力，然后再进行外轮廓的扫描能够得到基板对试件S的外轮廓的影响。
对试件S的高通量的组织和材料分析的具体步骤为：采用X射线透射扫描高通量的试件S，得到试件S的高通量的内部缺陷沿高度方向H的分布规律以及各层缺陷的分布规律，以得到对应的参数与缺陷的关系，采用X射线透射扫描试件S，实现了对试件S的高通量的组织和材料的研究，快速且高效地得到了对应的工艺参数与内部缺陷之间的关系，优化了相应的工艺参数。对试件S的高通量组织和材料分析还包括：采用FIB(Focused Ion beam)三维表征分析技术对试件S进行分析，得到所述试件S的高通量的微观组织，以得到对应的参数与微观组织的关系。三维表征分析技术主要是依靠软件控制离子束逐层切割并结合扫描电镜、能谱测试或EBSD(Electron Back-Scattered Diffraction)表征，然后利用三维重构软件进行三维重构，得到各参数在空间状态下的材料成分与相组成识别、组织识别、晶体取向识别，从而得到试件S的高通量的微观组织与对应工艺参数的关系，快速得到微观组织与对应的工艺参数之间的关系，从而快速优化了影响微观组织的工艺参数。
对试件S的高通量组织和材料分析的具体步骤还包括：利用仪器观察试件S的各单元块的纵截面(即与高度方向H平行的侧面)的微观组织，以根据高度信息对应得到参数与微观组织的关系。需要说明的是，这种观察纵截面的微观组织是二维图像，仪器可以采用光学显微镜、扫描电镜或透射镜等观察各层的微观组织。由于试件S为高通量的组织，因此利用仪器观察时同样实现了对试件S高通量的微观组织的观察，快速地得到了对应的工艺参数对微观组织的影响，优化了影响微观组织的工艺参数。
对试件S的高通量的力学性能测试的具体步骤包括：将高通量的试件S加工成微观力学性能测试试样；对测试试样进行微观加载，测得材料的力学性能，然后建立各工艺参数条件下的力学性能。这种高通量的力学性能测试能够在短时间内获得对应的工艺参数与力学性能之间的关系，优化影响力学性能的工艺参数。
对测试试样微观加载具体包括：根据测试试样的侧面(即与高度方向H平行的面)的金相测试结果，确定试样的侧面的预加载位置，再将试样的侧面的预加载位置与设定的参数相对应，然后对试样的侧面的所述预加载位置测试显微硬度值，从而得到显微硬度值与对应的工艺参数之间的关系，进而优化影响试件S的硬度性能的工艺参数。对测试试样微观加载具体还包括：采用离子束在对应单元块加工出实验凸台，对实验凸台进行微观加载，以测定材料的力学性能，这一步骤即为对实验凸台进行拉伸实验，从而得到材料的拉伸性能与对应的工艺参数之间的关系，优化影响试件S的拉伸性能的工艺参数。
Claims (1)
1.一种高通量金属增材制造工艺参数的研究方法，其特征在于，包括：
试件的高通量的变参数打印，具体步骤为：
在待打印试件的格式文件中设定多组不同的工艺参数；
在基板上按预先设定好的多组工艺参数的变化顺序由下至上打印试件，其中，打印的试件在高度方向上分为多个单元块，相邻的单元块沿高度方向间隔开，各单元块对应一组工艺参数，每个单元块包括多层；
对试件的高通量的组织和材料分析，得到各工艺参数与组织的对应关系；
对试件的高通量的力学性能测试，建立各工艺参数条件下的力学性能；
从试件的各参数下的组织分析结果、力学性能结果中，得到各工艺参数的影响规律，得到优化的参数；
对试件的高通量的组织和材料分析之前，还包括：对试件的高通量的变形量分析，具体步骤为：
试件打印完成后，通过三维扫描仪整体扫描基板和试件的外轮廓，将试件扫描出的外轮廓与理论尺寸进行比对，得到试件的变形信息与对应的高度和对应的参数之间的关系；
将试件从基板上切割分离开；
再次采用三维扫描仪扫描试件的外轮廓，将试件扫描出的外轮廓与理论尺寸进行比对，以得到应力释放后、试件的变形信息与对应的高度和对应的工艺参数之间的关系；
对试件的高通量的组织和材料分析的具体步骤包括：
采用X射线透射扫描试件，得到试件的高通量的内部缺陷沿高度方向的分布规律以及各层缺陷的分布规律，以得到对应的工艺参数与缺陷的关系；
采用FIB三维表征分析技术对试件进行分析，得到所述试件的高通量的微观组织，以得到对应的工艺参数与微观组织的关系；
对试件的高通量组织和材料分析的具体步骤还包括：
利用仪器观察试件的各单元块的纵截面的微观组织，以根据高度信息对应得到参数与微观组织的关系；
对试件的高通量的力学性能测试的具体步骤包括：
将高通量的试件加工成微观力学性能测试试样；
对测试试样进行微观加载，测得材料的力学性能，然后建立各参数条件下的力学性能；
对测试试样微观加载具体步骤包括：
根据测试试样的侧面的金相测试结果，确定试样的侧面的预加载位置，再将试样侧面的预加载位置与设定的参数相对应，然后对试样的侧面的所述预加载位置测试显微硬度值；
采用离子束在对应单元块加工出实验凸台，对实验凸台进行微观加载，以测定材料的力学性能。
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| GR01 | Patent grant | ||
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