CN112719292A - 一种基于许用激光能量密度的增材制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于许用激光能量密度的增材制造工艺，包括以下步骤：（1）根据材料的比热容C、密度ρ和温差变化ΔT确定材料加工的许用激光能量密度[E₁]；（2）确定材料的影响系数K；（3）根据许用激光能量密度[E₁]以及影响系数K，估算成形达到目标致密度所需的实际最低激光能量密度[E_min]；（4）根据成形设备的工作条件，在所需的实际最低激光能量密度[E_min]基础上设计选择性激光熔化成形实验。本发明大大减少了加工工艺试凑的次数，提高了材料成型的效率，降低了实验的成本，对SLM制品的研究具有重要的意义。

Description

一种基于许用激光能量密度的增材制造工艺

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种基于许用激光能量密度的增材制造工艺。

背景技术

选择性激光熔化(SLM)是增材制造技术的重要组成部分，是近年来发展起来的一种增材制造技术。与其他增材制造技术相比，选择性激光熔化技术更加高效、方便，具有更广阔的发展前景。它可以直接由单一金属或混合金属粉末制成，具有良好的机械性能，良好的表面粗糙度，高密度和高尺寸精度的金属零件已成为新时代具有巨大发展潜力的高科技。

近年来，许多专家学者致力于SLM技术的研究，设备和技术取得了长足的进步。但是，仍然存在一些缺点和不足：1)研究中的大多数仅考虑在更改单一工艺参数对SLM构件机械、物理性能的影响，而没有考虑材料本身特性、工艺参数之间的相互作用；2)不同材料SLM成型过程所需激光能量需反复试验，人力物力消耗大。因此，以上问题亟需解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于许用激光能量密度的增材制造工艺，大大减少了加工工艺试凑的次数，提高了材料成型的效率，降低了实验的成本，对SLM制品的研究具有重要的意义。

为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：本发明的一种基于许用激光能量密度的增材制造工艺，其创新点在于包括以下步骤：

(1)根据材料的比热容C、密度ρ和温差变化ΔT确定材料加工的许用激光能量密度[E₁]；

(2)确定材料的影响系数K；

(3)根据许用激光能量密度[E₁]以及影响系数K，估算成形达到目标致密度所需的实际最低激光能量密度[E_min]；

(4)根据成形设备的工作条件，在所需的实际最低激光能量密度[E_min]基础上设计选择性激光熔化成形实验。

优选的，在上述步骤(1)中，从材料的比热容角度，当材料处于从常温状态向熔融状态转变的临界点时，材料理论上所需要的许用激光能量密度为：

对公式(1)进行化简，即得到，

[E₁]＝C*ρ*△T (2)

其中，[E₁]为材料从常温状态向熔融状态转变理论上所需要的许用激光能量密度，C为比热容，M为材料的质量，ΔT为温度差，ρ为材料的密度。

优选的，在上述步骤(2)中，确定材料的影响系数K的具体流程为：

(2.1)根据设备的热损耗系数，确定设备实际提供的激光能量密度[E₀]；

(2.2)根据材料本身对激光的吸收和反射率，确定设备实际将材料熔化的激光能量密度[E_实]；

(2.3)确定材料从常温状态向熔融状态完全转变所需要的激光能量密度[E_基]；

(2.4)根据[E_实]≥[E_基]，确定材料的影响系数K。

优选的，在上述步骤(2.1)中，设设备的热损耗系数为k₁，则设备实际提供的激光能量密度为：

对公式(3)进行化简，即得到，

[E₀]＝(1-k₁)*E (4)

其中，[E₀]为设备实际提供的激光能量密度，E为设备在理论上提供的激光能量密度，P为激光功率，V为扫描速度，S为扫描间距，D为铺粉厚度，k₁为设备的热损耗系数。

优选的，在上述步骤(2.2)中，设材料本身对激光的吸收率为k₂，则设备实际将材料熔化的激光能量密度为：

对公式(5)进行化简，即得到，

[E_实]＝(1-k₁)*k₂*E (6)

其中，[E_实]为设备实际将材料熔化的激光能量密度，k₂为材料本身对激光的吸收率。

优选的，在上述步骤(2.3)中，材料从常温状态向熔融状态完全转变所需要的激光能量密度为：

[E_基]＝k₃*C*ρ*△T (7)

将公式(2)代入公式(7)中，即得到：

[E_基]＝k₃*[E₁] (8)

其中，[E_基]为材料从常温状态向熔融状态完全转变所需要的激光能量密度，k₃为放大倍数，C为比热容，ΔT为温度差，ρ为材料的密度，[E₁]为材料从常温状态向熔融状态转变理论上所需要的许用激光能量密度。

优选的，在上述步骤(2.4)中，根据[E_实]≥[E_基]，并分别代入公式(6)和公式(8)，即可得到：

(1-k₁)*k₂*E≥k₃*[E₁] (9)

对公式(9)进行化简，即得到：

设

为材料的影响系数K，并对公式(10)进行化简，即得到：

其中，K为材料的影响系数，E为设备在理论上提供的激光能量密度，[E₁]为材料从常温状态向熔融状态转变理论上所需要的许用激光能量密度，k₁为设备的热损耗系数，k₂为材料本身对激光的吸收率，k₃为放大倍数。

优选的，在上述步骤(3)中，成形达到目标致密度所需的实际最低激光能量密度为：

[E_min]＝K*[E₁] (12)

其中，[E_min]为成形达到目标致密度所需的实际最低激光能量密度，K为材料的影响系数，[E₁]为材料从常温状态向熔融状态转变理论上所需要的许用激光能量密度。

本发明的有益效果：本发明大大减少了加工工艺试凑的次数，提高了材料成型的效率，降低了实验的成本，对SLM制品的研究具有重要的意义。

附图说明

为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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为本发明中316L不锈钢的激光能量密度与致密度的实验拟合图。

图2为本发明中GH4169镍基实验成型工艺设计图。

图3为本发明中GH4169的激光能量密度与致密度的实验拟合图。

具体实施方式

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明的一种基于许用激光能量密度的增材制造工艺，包括以下步骤：

(1)根据材料的比热容C、密度ρ和温差变化ΔT确定材料加工的许用激光能量密度[E₁]；

在上述步骤中，从材料的比热容角度分析时，当材料处于从常温状态向熔融状态转变的临界点时，材料理论上所需要的许用激光能量密度为：

对公式(1)进行化简，即得到，

[E₁]＝C*ρ*△T (2)

其中，[E₁]为材料从常温状态向熔融状态转变理论上所需要的许用激光能量密度，C为比热容，M为材料的质量，ΔT为温度差，ρ为材料的密度。

(2)确定材料的影响系数K；

在上述步骤中，确定材料的影响系数K的具体流程为：

(2.1)根据设备的热损耗系数，确定设备实际提供的激光能量密度[E₀]；

体能量密度一般情况下就是SLM设备在理论上提供的激光能量密度大小，但考虑到在SLM激光打印制造过程中存在一定的热损耗系数，所以在考虑实际情况后，可以计算出设备实际提供的激光能量密度。设设备的热损耗系数为k₁，则设备实际提供的激光能量密度为：

对公式(3)进行化简，即得到，

[E₀]＝(1-k₁)*E (4)

其中，[E₀]为设备实际提供的激光能量密度，E为设备在理论上提供的激光能量密度，P为激光功率，V为扫描速度，S为扫描间距，D为铺粉厚度，k₁为设备的热损耗系数。

(2.2)根据材料本身对激光的吸收和反射率，确定设备实际将材料熔化的激光能量密度[E_实]；

从材料本身特性的角度分析，材料本身存在对激光的吸收和反射率，在考虑此因素之后，可以计算出设备实际将材料熔化的激光能量密度。设材料本身对激光的吸收率为k₂，则设备实际将材料熔化的激光能量密度为：

对公式(5)进行化简，即得到，

[E_实]＝(1-k₁)*k₂*E (6)

其中，[E_实]为设备实际将材料熔化的激光能量密度，k₂为材料本身对激光的吸收率。

(2.3)确定材料从常温状态向熔融状态完全转变所需要的激光能量密度[E_基]；

当材料处于常温向熔融状态的临界点时，所需的能量不能将材料完全熔化，材料还处于固液共存的状态，所以如果要使材料完全处于熔融状态，必须要乘以一个放大倍数k₃，因此，材料从常温状态向熔融状态完全转变所需要的激光能量密度为：

[E_基]＝k₃*C*ρ*△T (7)

将公式(2)代入公式(7)中，即得到：

[E_基]＝k₃*[E₁] (8)

其中，[E_基]为材料从常温状态向熔融状态完全转变所需要的激光能量密度，k₃为放大倍数，C为比热容，ΔT为温度差，ρ为材料的密度，[E₁]为材料从常温状态向熔融状态转变理论上所需要的许用激光能量密度。

(2.4)根据[E_实]≥[E_基]，确定材料的影响系数K；

在[E_基]和E_实]的关系中，[E_实]所提供的能量应大于[E_基]的能量，得以让材料完全熔化之后继续与周围材料进行能量传递；所以两者关系式为[E_实]≥[E_基]，再分别代入公式(6)和公式(8)，即可得到：

(1-k₁)*k₂*E≥k₃*[E₁] (9)

对公式(9)进行化简，即得到：

设

为材料的影响系数K，并对公式(10)进行化简，即得到：

其中，K为材料的影响系数，E为设备在理论上提供的激光能量密度，[E₁]为材料从常温状态向熔融状态转变理论上所需要的许用激光能量密度，k₁为设备的热损耗系数，k₂为材料本身对激光的吸收率，k₃为放大倍数。

(3)根据许用激光能量密度[E₁]以及影响系数K，估算成形达到目标致密度所需的实际最低激光能量密度[E_min]；

在上述步骤中，成形达到目标致密度所需的实际最低激光能量密度为：

[E_min]＝K*[E₁] (12)

其中，[E_min]为成形达到目标致密度所需的实际最低激光能量密度，K为材料的影响系数，[E₁]为材料从常温状态向熔融状态转变理论上所需要的许用激光能量密度。

(4)根据成形设备的工作条件，在所需的实际最低激光能量密度[E_min]基础上设计选择性激光熔化成形实验。

本发明用实验的方法确定影响系数K值的范围，进而确定成形达到目标致密度所需的实际最低激光能量密度，并用于指导不同材料的成型工艺。

下面通过一组实施例来对本发明进行论证：

采用500目球形316L不锈钢粉末，其组成成分如表1所示；其中粒度分布(wt.％)为：<15μm(50％)，<30μm(90％)，平均粒径是17.11μm。

表1 316L不锈钢粉末成分表(％)

316L不锈钢粉末的性能参数如表2所示：

表2 316L不锈钢性能参数表

实验成型试块大小为1cm×1cm×0.5cm。采用正交实验法，实验的316L不锈钢成形工艺参数如表3所示：

表3 316L不锈钢成形工艺参数表

最终实验以致密度为检验SLM成形质量好坏的标准，所以经过测量，16个成形试件致密度如表4所示：

表4 316L成形情况表

从表4中可以看出，在以上激光能量密度形成的成形件，致密度均在90％以上，通过定义的95％致密度的许用能量密度，成形件致密度在95％以上的试件样品为2、3、4、5、6、11、12、13、14、15。成形件致密度较高，合格度良好。其中，95％致密度的许用激光能量密度是人为制定的一个相对致密度所对应的SLM成型工艺技术指标，指的是SLM成型构件密度与打印粉末基材密度的比值为95％时，加工制造所需的激光能量密度。此时构件的物理、机械性能与基材性能相近，能够满足实际工程应用。95％致密度的许用激光能量密度是人为确定的用来保证SLM构件成型的最低标准，但不是唯一的标准。由于材料、应用环境不同，最低许用能量密度所对应的相对致密度可能不同，相对值有可能减小或者增大，不一定拘泥于95％这一标准。

为了便捷的看出激光能量密度与致密度的关系，将其数据通过origin操作软件进行拟合操作，作出激光能量密度与致密度之间的图像以及拟合关系式，结果如图1所示；

经过origin图像数字化工具拟合得到的方程:

y＝66.09+0.4375*X-0.00174*X²

经计算，当达到95％致密度时，激光能量密度为：

X₁＝92.49J/mm³

X₂＝179.63J/mm³

观察拟合图后，可知应舍弃X₂值，所以最终95％致密度时的实际最低激光能量密度为：

[E_min]＝92.49J/mm³

当从比热容的角度看，将材料的参数代入公式(2)，即得到材料从常温状态向熔融状态转变理论上所需要的许用激光能量密度为：

[E₁]＝C*ρ*△T＝0.502*7.98*1348＝5.4J/mm³

将[E_min]＝92.49J/mm³和[E₁]＝5.4J/mm³分别代入公式(12)，即得到材料的影响系数

根据上述实验得出的影响系数K>17.13，进行GH4169合金粉末成型实验，估算其95％致密度时的激光能量密度为[E_min]＝K*[E₁]＝18*4.66＝83.88J/mm³。

现对这一数据进行论证。采用GH4169合金粉末(国外牌号为Inconel718合金，粒径大小为35μm～45μm，形状为球形)，其组成成分如表5所示：

表5 GH4169合金粉末成分表(％)

GH4169合金粉末的性能参数如表6所示：

表6 GH4169合金粉末性能参数表

实验成型试块大小为10mm×7mm×10mm。采用正交实验法，实验的GH4169成形工艺参数如表7所示：

表7 GH4169成形工艺参数表

根据实验的方案，最终实验成型完成16个1cm×1cm×0.5cm的试件，成型的总体情况如图2所示。

最终实验以致密度为检验SLM成形质量好坏的标准，经过测量，16个成形试件致密度如表8所示：

表8 GH4169成形情况表

从表8中可以看出，依据在表中激光能量密度形成的成型件，致密度均在90％以上，通过定义的95％致密度的许用能量密度，成形件致密度在95％以上的试件样品为2、3、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16，成型致密度合格率较高。

从比热容的角度看，将材料的参数代入公式(2)，即得到材料从常温状态向熔融状态转变理论上所需要的许用激光能量密度为：

[E₁]＝C*ρ*△T＝435*8300*1293＝4.66J/mm³

将数据通过origin软件进行数据拟合操作，得到激光能量密度与致密度之间的图像以及拟合关系式，结果如图3所示。

经过origin图像数字化工具拟合得到的方程:

y＝83.63+0.19*X-0.000644*X²

经计算，当达到95％致密度时，激光能量密度为：

X₁＝83.22J/mm³

X₂＝213.65J/mm³

观察拟合图后，可知应舍弃X₂值，所以最终95％致密度时的实际最低激光能量密度为：

[E_min]＝83.22J/mm³

与估算结果83.88J/mm³非常接近，故本发明得以论证。

本发明的有益效果：本发明大大减少了加工工艺试凑的次数，提高了材料成型的效率，降低了实验的成本，对SLM制品的研究具有重要的意义。

上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。

Claims (8)

1.一种基于许用激光能量密度的增材制造工艺，其特征在于包括以下步骤：

(1)根据材料的比热容C、密度ρ和温差变化ΔT确定材料加工的许用激光能量密度[E₁]；

(2)确定材料的影响系数K；

(3)根据许用激光能量密度[E₁]以及影响系数K，估算成形达到目标致密度所需的实际最低激光能量密度[E_min]；

(4)根据成形设备的工作条件，在所需的实际最低激光能量密度[E_min]基础上设计选择性激光熔化成形实验。

2.根据权利要求1所述的一种基于许用激光能量密度的增材制造工艺，其特征在于：在上述步骤(1)中，从材料的比热容角度，当材料处于从常温状态向熔融状态转变的临界点时，材料理论上所需要的许用激光能量密度为：

对公式(1)进行化简，即得到，

[E₁]＝C*ρ*ΔT (2)

其中，[E₁]为材料从常温状态向熔融状态转变理论上所需要的许用激光能量密度，C为比热容，M为材料的质量，ΔT为温度差，ρ为材料的密度。

3.根据权利要求2所述的一种基于许用激光能量密度的增材制造工艺，其特征在于：在上述步骤(2)中，确定材料的影响系数K的具体流程为：

(2.1)根据设备的热损耗系数，确定设备实际提供的激光能量密度[E₀]；

(2.2)根据材料本身对激光的吸收和反射率，确定设备实际将材料熔化的激光能量密度[E实]；

(2.3)确定材料从常温状态向熔融状态完全转变所需要的激光能量密度[E基]；

(2.4)根据[E实]≥[E基]，确定材料的影响系数K。

4.根据权利要求3所述的一种基于许用激光能量密度的增材制造工艺，其特征在于：在上述步骤(2.1)中，设设备的热损耗系数为k1，则设备实际提供的激光能量密度为：

对公式(3)进行化简，即得到，

[E₀]＝(1-k₁)*E (4)

其中，[E₀]为设备实际提供的激光能量密度，E为设备在理论上提供的激光能量密度，P为激光功率，V为扫描速度，S为扫描间距，D为铺粉厚度，k₁为设备的热损耗系数。

5.根据权利要求4所述的一种基于许用激光能量密度的增材制造工艺，其特征在于：在上述步骤(2.2)中，设材料本身对激光的吸收率为k₂，则设备实际将材料熔化的激光能量密度为：

对公式(5)进行化简，即得到，

[E_实]＝(1-k₁)*k₂*E (6)

其中，[E_实]为设备实际将材料熔化的激光能量密度，k₂为材料本身对激光的吸收率。

6.根据权利要求5所述的一种基于许用激光能量密度的增材制造工艺，其特征在于：在上述步骤(2.3)中，材料从常温状态向熔融状态完全转变所需要的激光能量密度为：

[E_基]＝k₃*C*ρ*ΔT (7)

将公式(2)代入公式(7)中，即得到：

[E_基]＝k₃*[E₁] (8)

其中，[E_基]为材料从常温状态向熔融状态完全转变所需要的激光能量密度，k₃为放大倍数，C为比热容，ΔT为温度差，ρ为材料的密度，[E₁]为材料从常温状态向熔融状态转变理论上所需要的许用激光能量密度。

7.根据权利要求6所述的一种基于许用激光能量密度的增材制造工艺，其特征在于：在上述步骤(2.4)中，根据[E_实]≥[E_基]，并分别代入公式(6)和公式(8)，即可得到：

(1-k₁)*k₂*E≥k₃*[E₁] (9)

对公式(9)进行化简，即得到：

设

为材料的影响系数K，并对公式(10)进行化简，即得到：

其中，K为材料的影响系数，E为设备在理论上提供的激光能量密度，[E₁]为材料从常温状态向熔融状态转变理论上所需要的许用激光能量密度，k₁为设备的热损耗系数，k₂为材料本身对激光的吸收率，k₃为放大倍数。

8.根据权利要求1所述的一种基于许用激光能量密度的增材制造工艺，其特征在于：在上述步骤(3)中，成形达到目标致密度所需的实际最低激光能量密度为：

[E_min]＝K*[E₁] (12)

其中，[E_min]为成形达到目标致密度所需的实际最低激光能量密度，K为材料的影响系数，[E₁]为材料从常温状态向熔融状态转变理论上所需要的许用激光能量密度。

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