CN112496345A - 硬质合金增材制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种硬质合金增材制备方法。该方法包括：构建待加工工件的三维模型；构建缓冲层的三维模型，缓冲层三维模型设置于所述待加工工件三维模型底部；对所述待加工工件的三维模型及所述缓冲层的三维模型进行切片处理，得到切层数据，对切层数据进行扫描路径规划形成扫描路径数据并导入电子束选区熔化设备；根据规划后的扫描路径数据对硬质合金粉末进行选区熔化扫描以得到目标工件。本发明通过在成形底板和待加工工件之间设计能够通过自身微变形来释放应力的缓冲层，在一定程度上解决了硬质合金、尤其是粘结相含量较低的硬质合金增材制造过程中，打印成形初期，成形底板和待加工工件处极大的温度梯度引起的热应力造成的工件翘曲、开裂问题。

Description

硬质合金增材制备方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种硬质合金增材制备方法。

背景技术

电子束选区熔化增材制造技术成形零件时，离焦电子束会先对底板或粉床进行预热，然后聚焦电子束在偏转线圈驱动下按零件的二维截面规划的扫描路径进行扫描熔化，进而凝固形成零件。虽然预热在一定程度上降低了熔池与粉床的温度梯度，但在零件成形初期（开始打印的前几十层），底板相对于熔池仍处于较低的温度，且热量散失较快，极大的温度梯度使得靠近底板的打印层热应力最大，会引起零件成形初期的翘曲变形甚至开裂。

目前工艺成熟的钛合金、不锈钢等金属材料，自身塑性较好，在增材制造过程中可以抵抗这种热应力造成的变形开裂。但对于硬质合金这种难熔金属，熔化成形时需要更高的能量密度，势必产生更大的热应力，且硬质合金塑性差，特别容易在打印初期出现变形开裂等问题。

相关技术中，对硬质合金零件采用粉末冶金的方法制造，该方法的制备工序包括：制模、开模、压制、烧结等工序，流程长、成本高。且烧结后的硬质合金加工难度大，难以制备一些形状复杂的精密零件，极大地制约了硬质合金领域的拓展。增材制造技术可以实现复杂精密零件的快速、低成本制造，但高熔点的硬质合金在成形过程中会受到较大的热应力导致零件成形精度比较差，甚至出现变形、翘曲和开裂等现象，特别是对于一些粘结剂含量较低的硬质合金。

因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硬质合金增材制备方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

本发明首先提供一种硬质合金增材制备方法，包括以下步骤：

构建待加工工件的三维模型；

构建缓冲层的三维模型，所述缓冲层三维模型设置于所述待加工工件三维模型底部；

对所述待加工工件的三维模型及所述缓冲层的三维模型进行切片处理，得到切层数据，对所述切层数据进行扫描路径规划形成扫描路径数据并导入电子束选区熔化设备；

根据所述规划后的扫描路径数据对硬质合金粉末进行选区熔化扫描以得到目标工件；

其中，所述缓冲层与所述待加工工件相互接触的两个切层面形状相同且所述缓冲层为多孔结构，所述多孔结构的孔隙率为40%～75%，孔筋为1mm～5mm。

本公开的一实施例中，根据所述规划后的扫描路径数据对硬质合金粉末进行选区熔化扫描以得到目标工件的步骤，包括：

对粉床成形底板进行铺粉前预热；

将粉仓中的所述硬质合金粉末均匀铺设在预热后的所述成形底板上，采用电子束对所述硬质合金粉末成形区域进行预热；

对预热后的所述硬质合金粉末进行选区熔化扫描以得到单层实体片层；

重复上述铺粉前预热工艺、铺粉工艺、铺粉后预热工艺和选区熔化扫描工艺，直至单层实体片层逐层堆积，得到目标工件和缓冲层的组合件；

对所述目标工件和缓冲层的组合件进行分离操作得到目标工件。

本公开的一实施例中，对所述缓冲层进行选区熔化扫描时的能量密度为对所述待加工工件进行选区熔化扫描时的能量密度的40%~80%，所述能量密度与电子束扫描功率、电子束扫描速度、扫描间距和铺粉层厚度相关。

本公开的一实施例中，对所述缓冲层进行选区熔化扫描时，扫描开始时的能量密度为对所述待加工工件进行选区熔化扫描时的能量密度的40%~80%，随着所述缓冲层厚度的增加，所述能量密度呈梯度上升，当扫描至所述缓冲层最后一层时，所述能量密度与对所述待加工工件进行选区熔化扫描时的能量密度相同。

本公开的一实施例中，对所述缓冲层进行选区熔化扫描时，扫描开始时的能量密度为对所述待加工工件进行选区熔化扫描时的能量密度的40%~80%，在所述缓冲层成形预设厚度后，所述能量密度随着所述缓冲层厚度的增加呈梯度上升，当扫描至所述缓冲层最后一层时，所述能量密度与对所述待加工工件进行选区熔化扫描时的能量密度相同。

本公开的一实施例中，所述缓冲层的厚度为1mm~10mm。

本公开的一实施例中，所述缓冲层为点阵结构或中空的网格结构或蜂窝结构。

本公开的一实施例中，所述切层厚度为30μm~90μm。

本公开的一实施例中，所述粉床成形底板铺粉前预热后的温度为750℃~1500℃。

本公开的一实施例中，对所述待加工工件进行选区熔化扫描的电子束扫描功率为6mA~15mA、电子束扫描速度为0.2m/s~1m/s。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

根据本发明提供的硬质合金增材制备方法，通过在成形底板和待加工工件之间设计缓冲层，由于所述缓冲层为多孔结构，能够通过自身微变形来释放应力，在一定程度上解决了硬质合金、尤其是粘结相含量较低的硬质合金增材制造过程中，打印成形初期，成形底板和待加工工件界面处极大的温度梯度引起的热应力造成的工件翘曲、开裂问题。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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他的附图。

图1示出本发明实施例中硬质合金增材制备方法步骤流程图；

图2示出本发明实施例硬质合金增材制备方法中局部步骤流程图；

图3示出本发明实施例中待加工工件及缓冲件结构示意图；

图4示出本发明实施例中另一待加工工件及缓冲件结构示意图。

其中：100-待加工工件，200-缓冲层。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

本发明实施例中首先提供了一种硬质合金增材制备方法。参考图1中所示，该制备方法可以包括以下步骤：

本发明首先提供一种硬质合金增材制备方法，包括以下步骤：

步骤S101：构建待加工工件100的三维模型；

步骤S102：构建缓冲层200的三维模型，所述缓冲层200三维模型设置于所述待加工工件100三维模型底部；

步骤S103：对所述待加工工件100的三维模型及所述缓冲层200的三维模型进行切片处理，得到切层数据，对所述切层数据进行扫描路径规划形成扫描路径数据并导入电子束选区熔化设备；

步骤S104：根据所述规划后的扫描路径数据对硬质合金粉末进行选区熔化扫描以得到目标工件；

其中，所述缓冲层与所述待加工工件相互接触的两个切层面形状相同且所述缓冲层为多孔结构，所述多孔结构的孔隙率为40%～75%，孔筋为1mm～5mm。

上述硬质合金增材制备方法，通过在成形底板和待加工工件100之间设计缓冲层200，由于所述缓冲层200为多孔结构，能够通过自身微变形来释放应力，在一定程度上解决了硬质合金、尤其是粘结相含量较低的硬质合金增材制造过程中，打印成形初期，成形底板和待加工工件100界面处极大的温度梯度引起的热应力造成的工件翘曲、开裂问题。

具体的，在步骤S101中，构建待加工工件100的三维模型。即在制造所需的待加工工件100之前，可通过获取所述待加工工件100的三维数据来构建所述待加工工件100的三维模型，当然并不限于此。

在步骤S102中，根据设计的缓冲层200形状，构建所述缓冲层200的三维模型，所述缓冲层200位于所述待加工工件100三维模型的底部，即所述缓冲层200位于待加工工件100与成形底板之间。

在步骤S103中，对所述缓冲层200的三维模型和待加工工件100的三维模型进行切片处理，得到切层数据，具体数据处理过程，可以是利用计算机技术将目标产品的三维模型分切成一系列薄层，将三维立体数据分解得到二维平面数据，然后将上一步骤中分解得到的二维平面数据导入电子束选区熔化设备中。

在步骤S104中，即依据分层得到的二维平面数据，可采用硬质合金粉末制作出与数据分层厚度相同的薄片，每层薄片按序叠加起来构成三维实体，实现从二维薄层到三维实体的制造过程。

其中，所述缓冲层200与所述待加工工件100接触的切层面形状是相同的，所述缓冲层200其余切层的面积可以大于等于与所述待加工工件100接触的切层面的面积；所述缓冲层200可以是多孔结构的，且所述多孔结构的孔隙率为40%～75%，孔筋为1mm～5mm，由于其上述多孔结构的特性，可通过微变形来释放所受到的应力，并且，将所述缓冲层200设置为多孔结构还可以节省材料，降低制造费用。

下面，将参考图1至图4对本示例实施方式中硬质合金增材制备方法的各个部分进行更详细的说明。

在一个实施例中，所述根据所述规划后的扫描路径数据对硬质合金粉末进行选区熔化扫描以得到目标工件的步骤，可以包括：

步骤S201：对粉床成形底板进行铺粉前预热；

步骤S202：将粉仓中的所述硬质合金粉末均匀铺设在预热后的所述成形底板上，采用电子束对所述硬质合金粉末成形区域进行预热；

步骤S203：对预热后的所述硬质合金粉末进行选区熔化扫描以得到单层实体片层；

步骤S204：重复上述铺粉前预热工艺、铺粉工艺、铺粉后预热工艺和选区熔化扫描工艺，直至单层实体片层逐层堆积，得到目标工件和缓冲层200的组合件；

步骤S205：对所述目标工件和缓冲层200的组合件进行分离操作得到目标工件。

具体的，在电子束选区熔化扫描工艺中，铺设在成形底板上的硬质合金会在电子束的作用下溃散，离开预设的铺设位置，即电子束选区熔化工艺中的“吹粉”现象，该现象的产生会导致成形工件孔隙缺陷，甚至导致成形中断或失败。通过对成形室进行铺粉前底板的预热和铺粉后的粉末层预热，粉床被轻微烧结，一方面提高了导电率，减少了电荷积累，另一方面，轻微烧结的粉床具有一定的强度，可抵消电荷斥力，大大降低了“吹粉”现象的产生，使得粉末的温度场更稳定。在进行电子束扫描打印时，根据预先导入设备的扫描路径对粉层进行逐层扫描，最终可以得到目标工件和缓冲层200的组合件，可采用机械加工工艺对所述目标工件和缓冲层200的组合件进行分离操作，从而能够得到目标工件，当然也可以采用其他工艺对所述目标工件和缓冲层200的组合件进行分离操作，在此不做具体限定。

在一个实施例中，对所述缓冲层200进行选区熔化扫描时的能量密度为对所述待加工工件100进行选区熔化扫描时的能量密度的40%~80%，所述能量密度与电子束扫描功率、电子束扫描速度、扫描间距和铺粉层厚度相关。具体的，当对所述缓冲层200进行选区熔化扫描时的能量密度为对所述待加工工件100进行选区熔化扫描时的能量密度的40%~80%时，被选区熔化扫描后的所述缓冲层200处于欠熔状态，内部的结构较为疏松，从而导致热量散失的较慢，因此后续在对待加工工件进行选区熔化扫描时，所述待加工工件100与所述缓冲层之间的温差较小，可进一步的降低由较大温差引起的工件变形、开裂的问题。

在一个实施例中，对所述缓冲层200进行选区熔化扫描时，扫描开始时的能量密度为对所述待加工工件100进行选区熔化扫描时的能量密度的40%~80%，随着所述缓冲层200厚度的增加，所述能量密度呈梯度上升，当扫描至所述缓冲层200最后一层时，所述能量密度与对所述待加工工件100进行选区熔化扫描时的能量密度相同。该扫描方式可以避免从缓冲层200打印到待加工工件100打印时的能量密度的突变，从而起到降低待加工工件100打印失败概率的作用。

在一个实施例中，对所述缓冲层200进行选区熔化扫描时，扫描开始时的能量密度为对所述待加工工件100进行选区熔化扫描时的能量密度的40%~80%，在所述缓冲层200成形预设厚度后，所述能量密度随着所述缓冲层200厚度的增加呈梯度上升，当扫描至所述缓冲层200最后一层时，所述能量密度与对所述待加工工件100进行选区熔化扫描时的能量密度相同。具体的，所述预设成形厚度可以为所述缓冲层200总厚度的一半，具体的增加方式可以是所述缓冲层200每成形0.1mm厚度，将所述能量密度增加一定值，当然并不限于此。

例如，在一个具体实施例中，熔化能量密度E取决于电子束功率P、电子束扫描速度V、电子束扫描间距S和铺粉层厚h，具体关系为：

E=P/VSh

缓冲层200的初始熔化工艺与待加工工件100层的熔化工艺不同具体是指熔化时的电子束功率P不同，缓冲层200熔化时的初始电子束功率P1为待加工工件100层熔化电子束功率P2的40%~80%，即P1=0.4P2~0.8P2。

为保证待加工工件100层的正常打印，且避免因熔化工艺参数突变造成待加工工件100打印失败，需在待加工工件100层熔化之前将P1缓慢逐级提升调整至P2，具体步骤如下：

保持缓冲层200初始熔化工艺不变，当缓冲层200成形至

δ厚度时，保持其他工艺 参数不变，在熔化功率P1基础上，以每成形0.1mm厚度熔化功率P1增加∆p的速度，在缓冲层 成形完成时（即，成形至δ厚度时），将P1提升至P2，其中∆p=20(P2-P1)/δ，0mA＜∆p＜ 0.5mA。

在一个实施例中，所述缓冲层200的厚度可以为1mm~10mm。此厚度范围下的缓冲层200释放应力的效果较好。

在一个实施例中，所述缓冲层200可以为点阵结构或中空的网格结构或蜂窝结构，当然并不限于此。

在一个实施例中，所述切层厚度可以为30μm~90μm。所述切层厚度在此参数范围下，硬质合金增材成形质量较好，进一步的，所述切层厚度可以为30μm~60μm，在上述参数基础上，该参数范围下硬质合金增材的成形质量更好。

在一个实施例中，所述粉床成形底板铺粉前预热后的温度可以为750℃~1500℃。将所述成形底板预热至该参数范围内，可以较好的降低吹粉情况的发生。

在一个实施例中，对所述待加工工件100进行选区熔化扫描的电子束扫描功率可以为6mA~15mA、电子束扫描速度为0.2m/s~1m/s。具体的，所述电子束的扫描电流和扫描功率在此参数范围下，硬质合金增材的成形质量较好，当然并不限于此；并且，由于所述待加工工件100的铺粉层厚度和扫描间距与所述缓冲层200是相同的，此处铺粉层厚度即也是切层厚度，例如切层厚度可以都为40μm、扫描间距可以都为0.1mm；所以，所述缓冲层200能量密度的控制主要是通过控制电子束扫描功率和电子束扫描速度，缓冲层200的能量密度通过在上述参数基础上进行调整来进行扫描；具体的，对所述待加工工件100进行选区熔化扫描的电子束扫描功率可以为9.5mA、电子束扫描速度为0.4m/s、扫描间距为0.1mm，切层厚度为40μm，进一步的，该参数范围下硬质合金增材的成形质量更好。

上述硬质合金增材制备方法，通过在成形底板和待加工工件100之间设计缓冲层200，由于所述缓冲层200为多孔结构，能够通过自身微变形来释放应力，在一定程度上解决了硬质合金、尤其是粘结相含量较低的硬质合金增材制造过程中，打印成形初期，成形底板和待加工工件100界面处极大的温度梯度引起的热应力造成的工件翘曲、开裂问题。

需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种硬质合金增材制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建待加工工件的三维模型；

构建缓冲层的三维模型，所述缓冲层三维模型设置于所述待加工工件三维模型底部；

对所述待加工工件的三维模型及所述缓冲层的三维模型进行切片处理，得到切层数据，对所述切层数据进行扫描路径规划形成扫描路径数据并导入电子束选区熔化设备；

根据所述规划后的扫描路径数据对硬质合金粉末进行选区熔化扫描以得到目标工件；

其中，所述缓冲层与所述待加工工件相互接触的两个切层面形状相同且所述缓冲层为多孔结构，所述多孔结构的孔隙率为40%～75%，孔筋为1mm～5mm。

2.根据权利要求1所述硬质合金增材制备方法，其特征在于，根据所述规划后的扫描路径数据对硬质合金粉末进行选区熔化扫描以得到目标工件的步骤，包括：

对粉床成形底板进行铺粉前预热；

将粉仓中的所述硬质合金粉末均匀铺设在预热后的所述成形底板上，采用电子束对所述硬质合金粉末成形区域进行预热；

对预热后的所述硬质合金粉末进行选区熔化扫描以得到单层实体片层；

重复上述铺粉前预热工艺、铺粉工艺、铺粉后预热工艺和选区熔化扫描工艺，直至单层实体片层逐层堆积，得到目标工件和缓冲层的组合件；

对所述目标工件和缓冲层的组合件进行分离操作得到目标工件。

3.根据权利要求2所述硬质合金增材制备方法，其特征在于，对所述缓冲层进行选区熔化扫描时的能量密度为对所述待加工工件进行选区熔化扫描时的能量密度的40%~80%，所述能量密度与电子束扫描功率、电子束扫描速度、扫描间距和铺粉层厚度相关。

4.根据权利要求2所述硬质合金增材制备方法，其特征在于，对所述缓冲层进行选区熔化扫描时，扫描开始时的能量密度为对所述待加工工件进行选区熔化扫描时的能量密度的40%~80%，随着所述缓冲层厚度的增加，所述能量密度呈梯度上升，当扫描至所述缓冲层最后一层时，所述能量密度与对所述待加工工件进行选区熔化扫描时的能量密度相同。

5.根据权利要求2所述硬质合金增材制备方法，其特征在于，对所述缓冲层进行选区熔化扫描时，扫描开始时的能量密度为对所述待加工工件进行选区熔化扫描时的能量密度的40%~80%，在所述缓冲层成形预设厚度后，所述能量密度随着所述缓冲层厚度的增加呈梯度上升，当扫描至所述缓冲层最后一层时，所述能量密度与对所述待加工工件进行选区熔化扫描时的能量密度相同。

6.根据权利要求1~5任一项所述硬质合金增材制备方法，其特征在于，所述缓冲层的厚度为1mm~10mm。

7.根据权利要求6所述硬质合金增材制备方法，其特征在于，所述缓冲层为点阵结构或中空的网格结构或蜂窝结构。

8.根据权利要求7所述硬质合金增材制备方法，其特征在于，所述切层厚度为30μm~90μm。

9.根据权利要求8所述硬质合金增材制备方法，其特征在于，所述粉床成形底板铺粉前预热后的温度为750℃~1500℃。

10.根据权利要求9所述硬质合金增材制备方法，其特征在于，对所述待加工工件进行选区熔化扫描的电子束扫描功率为6mA~15mA、电子束扫描速度为0.2m/s~1m/s。

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