CN112893870A - 一种提升3d打印高强铝合金制件表面质量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升3D打印高强铝合金制件表面质量的方法，具体为：将高强铝合金球形粉末干燥，对成形室进行洗气；对基板进行预处理；将三维模型剖切成切片数据，在基板上铺一层高强铝合金球形粉末，调用切片数据程序，对内填充完成扫描烧结后，对当前层截面的外轮廓进行多圈扫描，扫描多个外轮廓，即扫描完第一个外轮廓边框后，路径往外偏移一个光斑的距离在一个外轮廓外侧相邻位置扫描第二圈外轮廓，同理扫描第三圈外轮廓；逐层重复，直至完成整个制件的打印。通过扫描多个轮廓边框，避免因轮廓未完全重熔导致的表面粘粉、粗糙及表面孔洞，提升最终产品的表面质量与尺寸精度。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种提升3D打印高强铝合金制件表面质量的方法。
背景技术
铝合金因具有高比强度、密度小、高延伸率、良好的耐腐蚀性能等优势，被广泛应用于航空、航天、船舶、汽车等领域，对现代化工业的发展至关重要。传统铝合金的强度较低，逐渐难以满足现代科学技术的发展对材料越来越高的要求，因此近年来关于Al-Mg-Sc系高强铝合金的研究与应用越来越多。目前铝合金制件的成形方式主要是铸造、锻造以及挤压等传统的加工工艺，但是传统加工工艺生产周期长，材料利用率低，制件后处理周期长。
激光增材制造技术是一项综合计算机信息、激光制造以及新材料等多门学科的新型制造技术。与传统成形方法思路不同，增材制造是由下而上通过逐层累积材料来实现零件的制造。其特点在于可以实现材料的“近净成形”，且加工形状不受限制，便于轻量化设计。同时由于使用高能激光束作为热源，熔池尺寸小，加热和冷却速度极快，因此得到的组织细小均匀，制件综合性能良好。在激光增材制造中，又以基于粉末床的激光选区熔化成形技术(Selective Laser Melting，SLM)发展最为成熟。
3D打印所用铝合金粉末一般采用真空感应气雾化制粉技术制备。但是由于铝合金粉末黏性大、粉末流动性差，容易导致粉末在设备中铺粉状态差，并且Al-Mg-Sc高强铝铝合金粉末在激光烧结过程中造渣现象比以AlSi10Mg为代表的铸造铝合金严重，按常用的激光烧结方式从而会导致最终成形的制件表面粘粉现象严重，严重时表面会存在孔洞缺陷，从而影响制件的后处理时间甚至制件强度和疲劳性能。
因此，制备同时兼具高强度高韧性及良好的表面质量是激光选区熔化成形高强铝合金难以克服的问题。通过合金成分及成形工艺的优化调整，提升激光选区熔化成形Al-Mg-Sc系高强铝合金的力学性能及表面质量是至关重要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种提升3D打印高强铝合金制件表面质量的方法，解决了现有高强铝合金制件成形后强度低、表面质量差的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种提升3D打印高强铝合金制件表面质量的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将Al-Mg-Sc高强铝合金球形粉末在真空干燥箱中进行干燥处理，装入3D打印成形设备中，在成形前对打印成形设备的成形室中通入高纯氩气进行洗气；
步骤2，对成形所用的基板进行预处理；
步骤3，将需打印的三维模型剖切成层厚为0.015mm-0.03mm的切片数据，导入到激光选区熔化成形设备中；
步骤4，在基板上铺一层Al-Mg-Sc高强铝合金球形粉末，调用步骤3中的切片数据程序，对内填充区域进行扫描，之后扫描多个外轮廓，即可完成第一层扫描；
步骤5，将基板下降一定高度，在步骤4的激光烧结层的上表面重新铺一层步骤1的Al-Mg-Sc高强铝合金球形粉末，然后根据步骤3所得的切片数据，重复步骤4，完成制件的第二层扫描；
步骤6，逐层重复前序步骤，直至完成整个制件的打印。
本发明的特点还在于，
步骤1中，干燥温度为120℃-140℃，干燥时间为2-4h。
步骤2中，预处理过程为：先用砂纸打磨，再用酒精或丙酮清洗干净，最后固定在成形室内的工作平台上。
步骤4中，具体为：在基板上铺一层Al-Mg-Sc高强铝合金球形粉末，调用步骤3中的切片数据程序，对内填充区域进行扫描，对内填充扫描完成后采用比内填充参数能量密度高的轮廓扫描参数对当前层截面的外轮廓进行多圈扫描，扫描多个外轮廓，即扫描完第一个外轮廓边框后，路径往外偏移一个光斑的距离在一个外轮廓外侧相邻位置扫描第二圈外轮廓，同理扫描第三圈外轮廓，即可。
相邻两层切片数据的内填充扫描方向层间旋转角度为30-80度。
打印过程中每层铺粉层厚为0.015-0.03mm，激光功率为150-370W，扫描速度为500-1500mm/s。
步骤5中，下降0.015-0.03mm的高度。
本发明的有益效果是：
通过调整优化成形工艺，即调整激光烧结策略，降低切片层厚至0.015-0.03mm，并在对当前层内填充部分扫描烧结后，采用比内填充部分能量密度高的参数进行多圈轮廓边框扫描，即扫描完第一个外轮廓边框后，路径往外偏移一个光斑的距离在一个外轮廓外侧相邻位置扫描第二圈外轮廓，同理扫描第三圈外轮廓，从而避免表面粘粉、粗糙及表面孔洞，从而提升最终产品的表面质量与尺寸精度。
附图说明
图1是本发明一种提升3D打印高强铝合金制件表面质量的方法的流程图；
图2是本发明实施例1制备的高强铝合金制件表面质量图(一)；
图3是本发明实施例1制备的高强铝合金制件表面质量图(二)；
图4是本发明实施例2制备的高强铝合金制件表面质量图(一)；
图5是本发明实施例2制备的高强铝合金制件表面质量图(二)。
具体实施方式
下面通过具体实施方式和附图对本发明进行详细说明。
本发明一种提升3D打印高强铝合金制件表面质量的方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将Al-Mg-Sc高强铝合金球形粉末在真空干燥箱中进行干燥处理，之后装入3D打印成形设备中，在成形前对打印成形设备的成形室中通入高纯氩气进行洗气，以降低成形室氧含量；
干燥温度为120℃-140℃，干燥时间为2-4h；
Al-Mg-Sc高强铝合金球形粉末的粒径分布范围为15-80μm；
Al-Mg-Sc高强铝合金粉末成分及含量，以质量百分比计：Mg：3.5～5.5％；Sc：0.2～0.9％；Zr：0.2～0.8％；Mn：0.2～0.8％，余量由铝组成，总质量百分比为100％。
步骤2，对成形所用的基板进行预处理，用砂纸打磨后，用酒精或丙酮清洗干净，固定在成形室内的工作平台上；
步骤3，使用三维软件将需打印的三维模型剖切成层厚为0.015mm-0.03mm的切片数据，导入到激光选区熔化成形设备中；
步骤4，在基板上铺一层步骤1中的Al-Mg-Sc高强铝合金球形粉末，调用步骤3中的切片数据程序，对内填充区域进行扫描，对内填充扫描完成后采用比内填充参数能量密度高的轮廓扫描参数对当前层截面的外轮廓进行多圈扫描，扫描多个外轮廓，即扫描完第一个外轮廓边框后，路径往外偏移一个光斑的距离在一个外轮廓外侧相邻位置扫描第二圈外轮廓，同理扫描第三圈外轮廓，即可完成第一层扫描；
步骤5，将基板下降0.015-0.03mm的高度，在步骤4的激光烧结层的上表面重新铺一层步骤1的Al-Mg-Sc高强铝合金球形粉末，然后根据步骤3所得的切片数据，重复步骤4，完成制件的第二层扫描；
相邻两层切片数据的内填充扫描方向层间旋转角度为30-80度；
打印过程中每层铺粉层厚为0.015-0.03mm，激光功率为150-370W，扫描速度为500-1500mm/s；
步骤6，逐层重复前序步骤，直至完成整个制件的打印。
通常的激光选区熔化过程中，铝合金成形采用对内填充烧结后扫描一次外轮廓的策略，但因铝合金粉末黏性大、粉末流动性差，容易导致粉末在设备中铺粉状态差，并且Al-Mg-Sc高强铝合金粉末在激光烧结过程中造渣现象比以AlSi10Mg为代表的铸造铝合金严重，按常用的激光烧结方式从而会导致最终成形的制件表面粘粉现象严重，严重时表面会存在孔洞缺陷，从而影响制件的后处理时间甚至制件强度和疲劳性能。基于以上问题，本发明通过调整优化成形工艺，即调整激光烧结策略，降低切片层厚至0.015-0.03mm，并在当前层内填充部分扫描烧结完成后，采用比内填充部分能量密度高的轮廓扫描参数对当前层截面的外轮廓进行多圈扫描，扫描多个外轮廓，即扫描完第一个外轮廓边框后，路径往外偏移一个光斑的距离在一个外轮廓外侧相邻位置扫描第二圈外轮廓，同理扫描第三圈外轮廓，避免因零件外轮廓边缘位置未完成重熔导致的表面粘粉、粗糙及表面孔洞，从而提升最终产品的表面质量与尺寸精度。
使用本发明制备的激光选区熔化Al-Mg-Sc系高强铝合金制件，零件成型率高，表面质量良好，可以有效减少后处理时间。经过后续热处理后拉伸强度和延伸率都远高于3D打印常用的AlSi10Mg等铝合金，抗拉强度可达500MPa以上，延伸率可超过12％。
实施例1
选用如下质量百分比的Al-Mg-Sc系合金：Mg：4.5％，Sc：0.8％，Zr：0.4％；Mn：0.6％，余量为Al。粉末粒径分布为15-63μm。
激光选区熔化成形高强铝合金制件成形步骤如下：
(1)将高强铝合金粉末在使用前在真空干燥箱中进行烘干处理，加热温度120℃，保温4h，烘干后装入3D打印成形设备中使用；
(2)对成形所用的基板进行预处理，用砂纸打磨后，用酒精或丙酮清洗干净并吹干，固定在成形室内的工作平台上；
(3)在成形前对打印设备成形室通入高纯氩气进行洗气，以降低成形室氧含量；
(4)使用三维软件将需打印的三维模型剖切成层厚为0.03mm的切片数据，导入到激光选区熔化成形设备中；
(5)在可拆卸基板上铺一层步骤(1)的粉末，调用步骤(2)的切片数据程序，对内填充部分扫描烧结完成后对当前层截面的外轮廓进行多圈扫描，扫描多个外轮廓，即扫描完第一个外轮廓边框后，路径往外偏移一个光斑的距离在一个外轮廓外侧相邻位置扫描第二圈外轮廓，同理扫描第三圈外轮廓；
(6)将基板下降0.03mm，在步骤(5)的激光烧结层的上表面铺重新一层步骤(1)的粉末，扫描方向沿步骤(5)的内填充的扫描方向转动70度，然后根据步骤(4)所得的切片数据，重复步骤(5)，完成制件的第二层扫描；
(7)逐层重复前序步骤，直至完成整个制件的打印。
Al-Mg-Sc系高强铝合金成形方法中，成形过程中铺粉层厚为0.015mm，内填充的激光功率为300W，扫描速度为1100mm/s，边框扫描的激光功率为350W，扫描速度为1100mm/s，通过上述方式制备的高强铝合金制件内部致密，冶金质量良好，成形率高。
通过调整烧结策略，降低铺粉层厚并进行多层外轮廓扫描后截面边缘处充分重熔，减少了表面凹凸不平的情况，同时粉末烧结过程中产生的大颗粒大幅减少，减少了大颗粒在制件表面的附着，对内填充扫描完成后采用边框扫描参数对边框进行多圈扫描使边框部分完整重熔，从而可以起到对边框修饰的作用，更加光滑更加致密。最终提高制件的表面粗糙度，提高了致密度，可以有效改善制件表面粘粉情况及孔洞缺陷情况，减少后处理时间，最终获得表面质量良好的高强铝合金制件。
实施例2：(对比实施例)
选用与实施例1相同的Al-Mg-Sc-Zr合金粉末，成分及含量保持一致，修改扫描策略，验证方案的有效性。
烧结策略：铺粉层厚0.04mm，在基板上铺一层如上述合金粉末，打开激光对当前截面的内填充进行扫描，完成内填充的扫描烧结后对外轮廓进行扫描；内填充扫描激光功率为300W，扫描速率为1100mm/s，边框扫描的激光功率为350W，扫描速度为1100mm/s，基板下降一个层厚，铺粉后扫描方向旋转70度重复扫描，重复直至制件成形。
在实施例1和实施例2制备的高强铝合金制件的6个竖直面的选取不同位置测量粗糙度，其测试结果如表1所示，由表1可知，实施例1制备得到的高强铝合金制件的表面粗糙度的平均值为4.82μm，而实施例2制备得到的高强铝合金制件的粗糙度平均值为12.06μm。
表1高强铝合金制件竖直面不同位置的粗糙度
观察成形过程，容易发现，增加铺粉层厚后，激光选区熔化成形过程中烧结产生的大颗粒较多，铺粉过程中已出现剐蹭，导致铺粉状态较差，最终会导致打印完成后制件表面粘粉严重、表面粗糙且表面存在孔洞缺陷。
实施例1制备的高强铝合金制件表面质量，如图2及图3所示，实施例2制备的高强铝合金制件表面质量，如图4及图5所示，由图可知，增加铺粉层厚后，采用实施例2的扫描方式，激光选区熔化成形过程中烧结产生的大颗粒较多，铺粉过程中已出现刮蹭，导致铺粉状态较差，最终会导致打印完成后制件表面粘粉严重、表面粗糙且表面存在孔洞缺陷。
结合实施例1和实施例2，通过调整烧结策略，降低铺粉层厚并适当降低烧结能量后，外轮廓熔道变窄，使得对于制件截面边缘处烧结更加精细，减少了表面粘粉，同时粉末烧结过程中产生的大颗粒大幅减少，减少了大颗粒在制件表面的附着，对内填充扫描完成后采用边框扫描参数再次对边框进行扫描使边框部分重熔，从而可以起到对边框修饰的作用，更加光滑更加致密。最终制件的竖直面表面粗糙度可以控制在Ra6.3以下。经采用在烧结当前层之前及之后采用比内填充能量密度低的边框参数分别进行一次边框扫描，大幅降低了制件表面粗糙度，提高了致密度，可以有效改善制件表面粘粉情况及孔洞缺陷情况，减少后处理时间，最终获得表面质量良好的高强铝合金制件。
Claims (7)
1.一种提升3D打印高强铝合金制件表面质量的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将Al-Mg-Sc高强铝合金球形粉末在真空干燥箱中进行干燥处理，装入3D打印成形设备中，在成形前对打印成形设备的成形室中通入高纯氩气进行洗气；
步骤2，对成形所用的基板进行预处理；
步骤3，将需打印的三维模型剖切成层厚为0.015mm-0.03mm的切片数据，导入到激光选区熔化成形设备中；
步骤4，在基板上铺一层Al-Mg-Sc高强铝合金球形粉末，调用步骤3中的切片数据程序，对内填充区域进行扫描，之后扫描多个外轮廓，即可完成第一层扫描；
步骤5，将基板下降一定高度，在步骤4的激光烧结层的上表面重新铺一层步骤1的Al-Mg-Sc高强铝合金球形粉末，然后根据步骤3所得的切片数据，重复步骤4，完成制件的第二层扫描；
步骤6，逐层重复前序步骤，直至完成整个制件的打印。
2.根据权利要求1所述的一种提升3D打印高强铝合金制件表面质量的方法，其特征在于，所述步骤1中，干燥温度为120℃-140℃，干燥时间为2-4h。
3.根据权利要求1所述的一种提升3D打印高强铝合金制件表面质量的方法，其特征在于，所述步骤2中，预处理过程为：先用砂纸打磨，再用酒精或丙酮清洗干净，最后固定在成形室内的工作平台上。
4.根据权利要求1所述的一种提升3D打印高强铝合金制件表面质量的方法，其特征在于，所述步骤4中，具体为：在基板上铺一层Al-Mg-Sc高强铝合金球形粉末，调用步骤3中的切片数据程序，对内填充区域进行扫描，对内填充扫描完成后采用比内填充参数能量密度高的轮廓扫描参数对当前层截面的外轮廓进行多圈扫描，扫描多个外轮廓，即扫描完第一个外轮廓边框后，路径往外偏移一个光斑的距离在一个外轮廓外侧相邻位置扫描第二圈外轮廓，同理扫描第三圈外轮廓，即可。
5.根据权利要求4所述的一种提升3D打印高强铝合金制件表面质量的方法，其特征在于，相邻两层切片数据的内填充扫描方向层间旋转角度为30-80度。
6.根据权利要求4所述的一种提升3D打印高强铝合金制件表面质量的方法，其特征在于，打印过程中每层铺粉层厚为0.015-0.03mm，激光功率为150-370W，扫描速度为500-1500mm/s。
7.根据权利要求1所述的一种提升3D打印高强铝合金制件表面质量的方法，其特征在于，所述步骤5中，下降0.015-0.03mm的高度。
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| CN (1) | CN112893870A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113878089A (zh) * | 2021-09-14 | 2022-01-04 | 中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 | 一种选区激光烧结砂型及其扫描方法 |
| CN114309648A (zh) * | 2021-12-23 | 2022-04-12 | 中国商用飞机有限责任公司 | AlSi10Mg合金的增材制造方法及利用该方法制得的铝合金 |
| CN116833428A (zh) * | 2023-08-31 | 2023-10-03 | 北京清研智束科技有限公司 | 一种3d打印中轮廓区和填充区的扫描方法及打印方法 |
| CN116882210A (zh) * | 2023-09-06 | 2023-10-13 | 季华实验室 | 多孔晶格结构的工艺开发方法、装置、设备及存储介质 |
-
2021
- 2021-01-19 CN CN202110071005.3A patent/CN112893870A/zh active Pending
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| CN116882210A (zh) * | 2023-09-06 | 2023-10-13 | 季华实验室 | 多孔晶格结构的工艺开发方法、装置、设备及存储介质 |
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