CN111992716B - 一种选区激光熔化工艺参数开发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种选区激光熔化工艺参数开发方法，包括：将待加工金属粉末D50的值作为选区激光熔化工艺的加工层厚度H；激光光束直径为d，将1.2d作为填充区域的扫描间距D；利用实验探索工件填充区域的最佳激光功率P和扫描速度v；将0.5P、0.5v和D作为基准值，使用实验在基准值附近探索轮廓区域的最佳激光功率PL、扫描速度vL、扫描间距DL；将0.5P、0.7v和0.7D作为上表面基准值，将0.5P、2v和0.4D作为下表面区域基准值，使用实验在基准值附近探索上表面区域的最佳激光功率PU、扫描速度vU、扫描间距DU，以及下表面区域的最佳激光功率PD、扫描速度vD、扫描间距DD。本发明可以显著缩短开发新材料选区激光熔化工艺参数的周期，节约开发成本。

Description

一种选区激光熔化工艺参数开发方法
技术领域
本发明涉及选区激光熔化技术领域，尤其是涉及一种选区激光熔化工艺参数开发方法。
背景技术
近年来，随着先进制造业技术不断地变革，选区激光熔化技术已经发展成为各工业部门产品设计与研发的变革性方法之一。该技术运用了快速原型技术“离散+堆积”的思想，采用激光熔化金属粉末的方式将材料逐层堆积起来形成立体零件，从而能够实现高性能复杂结构金属零部件的快速、无模具成形。与传统制造技术相比，该技术突破了传统受迫成形的思路，不需经过刀具切割，大幅缩减了加工时间，同时其成型过程不受零件复杂程度的限制，几乎可加工任何结构复杂的零件。
在选区激光熔化加工过程中，为了满足工件不同区域的性能要求，通常会将工件划分为不同的加工区域，例如填充区域、轮廓区域、上表面区域、下表面区域，参考图3，图3中：1为填充区域，2为轮廓区域，3为下表面区域，4为上表面区域，5为基板，并使用不同的工艺参数进行加工，并且每个加工区域均要涉及激光功率、扫描速度、扫描间距三个工艺参数。由于缺乏有效的理论指导，目前开发全新材料的工艺参数，通常需要用大量的实验不断的尝试，逐步缩小工艺参数范围，直到找到一个最佳的工艺参数。该过程费时费力，效率较低。
发明内容
本发明的目的在于克服传统方法的不足，提供一种选区激光熔化工艺参数开发方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种选区激光熔化工艺参数开发方法，包括以下步骤：
(1)测量待加工金属粉末的粒径分布，并将D50的值作为选区激光熔化工艺的加工层厚度H；
(2)测量选区激光熔化设备的激光光束直径d，并将1.2d作为填充区域的扫描间距D；
(3)利用实验探索工件填充区域的最佳激光功率P和扫描速度v；
(4)将0.5P、0.5v和D作为基准值，使用实验在基准值附近探索轮廓区域的最佳激光功率PL、扫描速度vL、扫描间距DL；
(5)将0.5P、0.7v和0.7D作为上表面基准值，将0.5P、2v和0.4D作为下表面区域基准值，使用实验在基准值附近探索上表面区域的最佳激光功率PU、扫描速度vU、扫描间距DU，以及下表面区域的最佳激光功率PD、扫描速度vD、扫描间距DD。
所述选区激光熔化工艺参数包含加工层厚度H、填充区域扫描间距D、填充区域激光功率P、填充区域扫描速度v、轮廓区域激光功率PL、轮廓区域扫描速度vL、轮廓区域扫描间距DL、下表面区域激光功率PD、下表面区域扫描速度vD、下表面区域扫描间距DD、上表面区域激光功率PU、上表面区域扫描速度vU、上表面区域扫描间距DU。
在本发明的一个实施方式中，所述待加工金属粉末选自市面常见的钛合金、铝合金、高温合金粉末材料以及新开发的可使用选区激光熔化技术加工的其他合金粉末材料。
在本发明的一个实施方式中，步骤(1)中，所述D50值可使用激光粒度仪等检测设备得到，也可由粉末材料供应商出具的检测报告得到。
在本发明的一个实施方式中，步骤(2)中，所述激光光束直径d可由光束分析仪测量得到，也可由设备供应商提供的设备说明书得到。
在本发明的一个实施方式中，步骤(3)中，所述实验内容包括：首先在较大的范围内选取多组不同的激光功率和扫描速度组成实验参数，仅使用填充区域工艺参数加工小方块试样，参考图1所示，其他加工区域参数均为0，使用排水法测量小方块试样的致密度，选取致密度最高的试样的工艺参数作为基准，缩小实验工艺参数选取范围；重复前述步骤，当试样致密度超过99％时即可将此时的工艺参数作为填充区域的最佳工艺参数。
在本发明的一个实施方式中，步骤(4)中，所述实验内容包括：将0.5P、0.5v和D作为轮廓区域的基准值，在较小的范围内选取实验参数，加工小方块试样，参考图1所示，试样的填充区域参数为最佳填充区域工艺参数，上下表面工艺参数为0；测量小方块试样的侧面粗糙度，选取侧面粗糙度较好的试样工艺参数作为轮廓区域的最佳工艺参数。
在本发明的一个实施方式中，所述小方块试样的尺寸为10*10*10mm3。
在本发明的一个实施方式中，步骤(5)中，所述实验内容包括：将0.5P、0.7v和0.7D作为上表面基准值，将0.5P、2v和0.4D作为下表面区域基准值，在较小的范围内选取实验参数，加工带有倾斜面的试样，带有倾斜面的试样如图2所示，试样的填充区域及轮廓区域参数为最佳填充区域工艺参数；分别测量带有倾斜面的试样上、下表面粗糙度，选取粗糙度较好的试样工艺参数作为上、下表面区域的最佳工艺参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过确定不同区域工艺参数的基准值，可以有效的缩减实验范围，减少实验任务量，减少工艺开发成本，缩短工艺开发周期。
(2)本发明提供了一种通用的选区激光熔化工艺参数开发思路，不仅可以用于全新材料的工艺参数开发，也可以用于对传统工艺参数的优化。
(3)本发明提供的选区激光熔化工艺参数开发方法，可以确保成型件各区域的质量均能满足使用要求，综合性能优异。
附图说明
图1小方块试样结构示意图；
图2带有倾斜面的试样结构示意图；
图3工件加工区域划分示意图；(其中包括：1、填充区域，2、轮廓区域，3、下表面区域，4、上表面区域，5、基板)
图4实施例1中18Ni300合金粉末SEM图。
具体实施方式
一种选区激光熔化工艺参数开发方法，包含以下步骤：
(1)测量待加工金属粉末的粒径分布，并将D50的值作为选区激光熔化工艺的加工层厚度H；
(2)测量选区激光熔化设备的激光光束直径d，并将1.2d作为填充区域的扫描间距D；
(3)利用实验探索工件填充区域的最佳激光功率P和扫描速度v；
(4)将0.5P、0.5v和D作为基准值，使用实验在基准值附近探索轮廓区域的最佳激光功率PL、扫描速度vL、扫描间距DL；
(5)将0.5P、0.7v和0.7D作为上表面基准值，将0.5P、2v和0.4D作为下表面区域基准值，使用实验在基准值附近探索上表面区域的最佳激光功率PU、扫描速度vU、扫描间距DU，以及下表面区域的最佳激光功率PD、扫描速度vD、扫描间距DD。
所述选区激光熔化工艺参数包含加工层厚度H、填充区域扫描间距D、填充区域激光功率P、填充区域扫描速度v、轮廓区域激光功率PL、轮廓区域扫描速度vL、轮廓区域扫描间距DL、下表面区域激光功率PD、下表面区域扫描速度vD、下表面区域扫描间距DD、上表面区域激光功率PU、上表面区域扫描速度vU、上表面区域扫描间距DU。
所述待加工金属粉末选自市面常见的钛合金、铝合金、高温合金粉末材料以及新开发的可使用选区激光熔化技术加工的其他合金粉末材料。
步骤(1)中，所述D50值可使用激光粒度仪等检测设备得到，也可由粉末材料供应商出具的检测报告得到。
步骤(2)中，所述激光光束直径d可由光束分析仪测量得到，也可由设备供应商提供的设备说明书得到。
步骤(3)中，所述实验内容包括：首先在较大的范围内选取多组不同的激光功率和扫描速度组成实验参数，仅使用填充区域工艺参数加工10*10*10mm3的小方块试样，参考图1所示，其他加工区域参数均为0，使用排水法测量小方块试样的致密度，选取致密度最高的试样的工艺参数作为基准，缩小实验工艺参数选取范围；重复前述步骤，当试样致密度超过99％时即可将此时的工艺参数作为填充区域的最佳工艺参数。
步骤(4)中，所述实验内容包括：将0.5P、0.5v和D作为轮廓区域的基准值，在较小的范围内选取实验参数，加工10*10*10mm3的小方块试样，参考图1所示，试样的填充区域参数为最佳填充区域工艺参数，上下表面工艺参数为0；测量小方块试样的侧面粗糙度，选取侧面粗糙度较好的试样工艺参数作为轮廓区域的最佳工艺参数。
步骤(5)中，所述实验内容包括：将0.5P、0.7v和0.7D作为上表面基准值，将0.5P、2v和0.4D作为下表面区域基准值，在较小的范围内选取实验参数，加工带有倾斜面的试样，带有倾斜面的试样如图2所示，试样的填充区域及轮廓区域参数为最佳填充区域工艺参数；分别测量带有倾斜面的试样上、下表面粗糙度，选取粗糙度较好的试样工艺参数作为上、下表面区域的最佳工艺参数。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
1、选用18Ni300合金粉末作为示例，18Ni300合金粉末SEM图参考图4，粉末供应商提供的该粉末的D50值为30um，选区激光熔化成型设备为EOS M290，激光束光斑直径为100um，因此取加工层厚H＝30um，填充区域扫描间距D＝120um；
2、选取表1中的工艺参数作为填充区域实验参数，其他位置参数为0，加工10*10*10mm3的小方块试样。经过致密度测试，P＝280W，v＝900mm/s，D＝120um时，试样的致密度达到99％，可作为最佳工艺参数；
3、填充区域使用最佳工艺参数，上下表面区域参数为0，轮廓区域选用功率140W，扫描速度450mm/s，扫描间距120um作为基准值，在较小范围内进行实验，加工10*10*10mm3的小方块试样。经过表面粗糙度测试，当PL＝135W，vL＝400mm/s，DL＝120um时，试样表面粗糙度Ra＝8um，满足使用要求，可以作为最佳工艺参数；
4、填充区域和轮廓区域使用最佳工艺参数，上表面区域选用140W，扫描速度630mm/s，扫描间距84um作为基准值，下表面区域选用功率140W，扫描速度1800mm/s，扫描间距48um作为基准值，在较小范围内进行实验，加工带有倾斜面的试样。经过表面粗糙度测试，当PU＝150W，vU＝600mm/s，DU＝90um时，试样上表面粗糙度Ra＝7um，当PU＝140W，vU＝1900mm/s，DU＝48um时，下表面粗糙度Ra＝10um，满足使用要求，可以作为最佳工艺参数。
表1实施例1中部分实验参数
Figure BDA0002653911190000061
本实施例通过确定不同区域工艺参数的基准值，可以通过最少3个批次的加工实验便可以确定出最优工艺参数。通常，每个批次的实验均包括试样的3D打印加工、线切割、检测等步骤，需要大约5个工作日来完成一个批次的实验。使用本实施例提供的方法，最少可以在15个工作日完成工艺参数的开发工作。而使用传统方法，需要进行多批次(至少6个批次)的正交实验，来逐步缩小工艺参数范围，实现工艺参数的优化，开发周期至少1个月。
因此，本实施例通过确定不同区域工艺参数的基准值，可以有效的缩减实验范围，减少实验任务量，减少工艺开发成本，缩短工艺开发周期。
同时，本实施例提供的选区激光熔化工艺参数开发方法，对工件的不同区域使用不同的工艺参数，并分别进行优化，即可以保证成型件的力学性能要求，又兼顾了成型件的表面质量。通过本实施例得到的最优工艺参数制得的成型件，抗拉强度超过1100Mpa，延伸率超过15％，表面粗糙度Ra7～10um，综合性能优异，满足使用要求。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种选区激光熔化工艺参数开发方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）测量待加工金属粉末的粒径分布，并将D50的值作为选区激光熔化工艺的加工层厚度H；
（2）测量选区激光熔化设备的激光光束直径d，并将1.2d作为填充区域的扫描间距D；
（3）利用实验探索工件填充区域的最佳激光功率P和扫描速度v；
（4）将0.5P、0.5v和D作为基准值，使用实验在基准值附近探索轮廓区域的最佳激光功率PL、扫描速度vL和扫描间距DL；
（5）将0.5P、0.7v和0.7D作为上表面区域基准值，将0.5P、2v和0.4D作为下表面区域基准值，使用实验在基准值附近探索上表面区域的最佳激光功率PU、扫描速度vU和扫描间距DU，以及下表面区域的最佳激光功率PD、扫描速度vD和扫描间距DD；
步骤（3）中，所述实验的内容包括：首先在较大的范围内选取多组不同的激光功率和扫描速度组成实验参数，仅使用填充区域工艺参数加工小方块试样，所述小方块试样的尺寸为10*10*10mm3，其他加工区域参数均为0，使用排水法测量小方块试样的致密度，选取致密度最高的试样的工艺参数作为基准，缩小实验工艺参数选取范围；重复前述步骤，当试样致密度超过99%时将此时的工艺参数作为填充区域的最佳工艺参数；
步骤（4）中，所述实验的内容包括：将0.5P、0.5v和D作为轮廓区域的基准值，在较小的范围内选取实验参数，加工小方块试样，所述小方块试样的尺寸为10*10*10mm3，试样的填充区域参数为填充区域的最佳工艺参数，上下表面工艺参数均为0；测量小方块试样的侧面粗糙度，选取侧面粗糙度较好的试样工艺参数作为轮廓区域的最佳工艺参数；
步骤（5）中，所述实验的内容包括：将0.5P、0.7v和0.7D作为上表面区域基准值，将0.5P、2v和0.4D作为下表面区域基准值，在较小的范围内选取实验参数，加工带有倾斜面的试样，试样的填充区域及轮廓区域参数均为最佳工艺参数；分别测量带有倾斜面的试样上、下表面粗糙度，选取粗糙度较好的试样工艺参数分别作为上、下表面区域的最佳工艺参数。
2.根据权利要求1所述选区激光熔化工艺参数开发方法，其特征在于，所述选区激光熔化工艺参数包含加工层厚度H、填充区域的扫描间距D、填充区域的激光功率P、填充区域的扫描速度v、轮廓区域的激光功率PL、轮廓区域的扫描速度vL、轮廓区域的扫描间距DL、下表面区域的激光功率PD、下表面区域的扫描速度vD、下表面区域的扫描间距DD、上表面区域的激光功率PU、上表面区域的扫描速度vU和上表面区域的扫描间距DU。
3.根据权利要求1所述选区激光熔化工艺参数开发方法，其特征在于，所述待加工金属粉末选自钛合金、铝合金和高温合金粉末材料。
4.根据权利要求1所述选区激光熔化工艺参数开发方法，其特征在于，步骤（1）中，所述D50的值使用激光粒度仪检测设备得到，或由粉末材料供应商出具的检测报告得到。
5.根据权利要求1所述选区激光熔化工艺参数开发方法，其特征在于，步骤（2）中，所述激光光束直径d由光束分析仪测量得到，或由设备供应商提供的设备说明书得到。
6.根据权利要求1所述选区激光熔化工艺参数开发方法，其特征在于，带有倾斜面的试样包括：填充区域、轮廓区域、下表面区域和上表面区域。
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