CN112935280A - 一种高强铝基材料选区激光熔化成形铺粉系统及其控制方法 - Google Patents

一种高强铝基材料选区激光熔化成形铺粉系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强铝基材料选区激光熔化成形铺粉系统及其控制方法，铺粉系统包括铺粉臂、吸尘装置和控制系统，所述吸尘装置包括吸尘头和吸尘主机，吸尘头与铺粉臂固定连接，吸尘主机与吸尘头相连；控制系统控制吸尘装置吸取成形过程中的絮状产物。本发明用于选区激光熔化成形含低密度元素增强相高强铝基材料构件，极大降低了成形构件中有害氧化物的含量，有效避免了裂纹和气孔的出现，成形件具备成形致密度高、表面粗糙度低、综合性能优异的特点。

Description

一种高强铝基材料选区激光熔化成形铺粉系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及选区激光熔化成形设备，尤其涉及一种复合材料选区激光熔化成形设备。
背景技术
选区激光熔化作为激光3D打印技术中的一类基于粉床熔化的工艺，具有自下而上，逐层累加的成形特点，可直接将CAD模型转化为实体构件，近年来被应用于复杂构件的成形，极大提高了构件的设计自由度。
金属基复合材料因其较高的刚度，良好的综合性能被广泛应用于航空航天等领域；例如二硼化钛(TiB2)、碳化钛(TiC)作为增强相的铝(Al)基复合材料。采用选区激光熔化技术成为成形复杂结构铝基复合材料构件的技术路径之一。然而，采用选区激光熔化成形的铝基复合材料构件往往存在较多气孔、裂纹及陶瓷相与金属基体界面结合较差等缺陷，进而导致成形构件的综合性能较低。
发明内容
发明目的：本发明的目的之一是提供一种高强铝基材料选区激光熔化成形铺粉系统，可以大幅提高铝基材料选区激光熔化构件的综合性能；本发明的目的之二是提供一种高强铝基材料选区激光熔化铺粉系统的控制方法。
技术方案：本发明的一种高强铝基材料选区激光熔化成形铺粉系统，其包括控制系统、铺粉臂和吸尘装置，所述吸尘装置包括吸尘头和吸尘主机，吸尘头与铺粉臂固定连接，吸尘主机与吸尘头相连；控制系统控制吸尘装置吸取成形过程中的絮状产物。
其中，铝基材料包括增强相和铝合金粉末材料，增强相的密度比铝合金粉末密度低；或铝基材料包括化合物增强相和铝合金粉末材料，化合物增强相含有比铝合金粉末密度低的组成元素。
即：铝基材料中的增强相有两种类型：一类为本身密度比铝合金粉末材料低的增强相，另一类为含低密度元素化合物增强相，其中含有比铝合金粉末材料密度低的元素。
优选地，吸尘头安装于铺粉臂的铺粉前进侧，吸尘头设有朝向粉床的吸尘口，吸尘口与粉床平行；所述吸尘头包括安装板和位于安装板下方的吸尘板，吸尘板内部中空形成吸尘通道，吸尘板底部为吸尘口。其中，铺粉臂是往复运动的，由粉料缸到成形缸是铺粉方向，退回归位为下一次铺粉做准备；因此铺粉前进侧为远离粉料缸的一侧。
优选地，所述吸尘头还设有调节装置，用于调节吸尘口与成形缸粉床的垂直距离。可选的，调节装置采用前后两个升降调节旋钮，调节旋钮位于安装板的上方，调节精度为0.01mm，安装两个升降调节旋钮是为了同时调节吸尘口前后位置距离粉床的距离，以进一步提高调节精度。
本发明还提供了一种上述高强铝基材料选区激光熔化铺粉系统的控制方法，该方法包括：控制系统控制吸尘气流，粉末材料与絮状产物分离，吸尘装置吸取成形区域的絮状产物。
所述控制系统控制成形缸粉床表面的气流速度，使得吸尘装置吸取成形过程中的絮状产物，即通过精准控制成形缸粉床表面的气流速度，进而实现只吸取成形过程中的絮状产物，而不吸取粉末材料。该方法能有效将粉末材料与絮状产物分离的吸尘气流控制方法，能够有效清理激光成形过程附着在成形区域的絮状产物。
优选地，成形缸粉床表面的气流速度v满足如下要求：
u1＜v＜u2，
Figure BDA0002899379580000021
其中，u1、u2分别为絮状产物和粉末材料的悬浮气体流速，ρm1、ρm2分别为絮状产物和粉末材料的密度，Cd为绕流阻力系数，ρ为成形腔内流体的密度，d1、d2分别为絮状产物和粉末材料的平均直径。
进一步地，通过调节吸尘口与成形缸粉床的垂直距离，使得成形缸粉床表面的气流速度保持在u1与u2之间。这是由于成形缸粉床表面的气体流速会随着与吸尘口所在平面的距离增大而减小，因此可以通过旋转前后升降旋钮调节吸尘口所在平面与成形缸粉床的距离，保证成形缸所在平面的气体流速在u1与u2之间。
优选地，吸尘口与成形缸粉床的垂直距离为2～3mm。
具体实现方法如下：
将絮状产物或粉末材料简化为理想球体(以下简称为球体)，直径为d，密度为ρm，在上升气流中，球体受方向向上的力有：
绕流阻力：
Figure BDA0002899379580000022
其中，Cd为绕流阻力系数；A为球体与来流速度垂直方向的迎流投影面积；u0为未受干扰时的来流速度；ρ为流体的密度(成形腔内所用保护气为氩气)。
浮力：
Figure BDA0002899379580000023
球体受方向向下的力为：
重力：
Figure BDA0002899379580000033
当D+B＝G时，球体处于临界悬浮状态，即：
Figure BDA0002899379580000031
化简得到球体悬浮气体流速为：
Figure BDA0002899379580000032
在一般工程应用中，Cd值为0.48，由公式(5)可知，可以根据球体的密度准确计算临界悬浮气体流速。若絮状产物的密度为ρm1，粉末材料的密度为ρm2，则对应的悬浮气体流速分别为u1，u2。因为ρm1＜ρm2，u与ρm成正比，所以u1＜u2。因此只需通过吸尘控制系统调节吸尘口的气体流速，使成形缸粉床表面的气体流速值在u1-u2之间，便能使得吸尘口只吸入絮状产物而不吸入粉末材料。
现有技术中对于提高选区激光熔化铝基材料的成形性采用的方法有优化加工工艺参数(例如，激光功率、激光扫描速度、扫描层厚、扫描间距等)、调节增强相与铝合金基体材料配比等，此类方法均为成形开始之前对变化参量的调整，不涉及对成形过程的优化。
而本发明创新性地对选区激光熔化成形设备的铺粉系统进行设计，并对气流速度实现精确控制，实现在成形过程中选择性吸取絮状产物，避免吸取成形用粉末材料，有效减少了絮状产物被夹杂在构件内部，降低缺陷含量，最终大幅提高了铝基材料激光成形构件的综合性能。
本发明通过理论模拟，结合研究试验，发现含低密度元素增强相铝基材料在选区激光熔化过程中极易产生絮状产物，并且絮状产物容易附着在构件当前成形层的表面，影响下一层铺粉效果及成形质量，从而影响成形构件的性能。
研究发现：絮状产物的形成原因为(1)本身密度较低的增强相(例如：碳纳米管、石墨烯)在激光的高温下烧损，并且被激光与粉末交互作用过程中产生的强气流吹起从而形成絮状产物；(2)含有低密度元素的化合物增强相(例如：二硼化钛TiB2、碳化钛TiC)中的低密度元素(例如：硼B、碳C)熔点比金属元素(Ti)高，在激光作用下，化合物中的金属元素先于低密度元素熔化。在此过程中，低密度元素存在一定程度的烧损，激光与粉末交互作用产生的强气流无可避免地会将烧损的低密度元素吹起形成絮状产物。并且，絮状产物容易与成形腔内的残余氧气或粉体中的氧杂质结合形成氧化物，如果被夹杂在成形件中将极有可能成为裂纹源以及在此处形成气孔，导致3D打印成形件的成形性和综合性能显著降低。
有益效果：
(1)本发明用于选区激光熔化成形的铺粉系统配备有吸尘铺粉臂系统，可在铺粉的同时吸取成形过程中产生的絮状产物，实现了铺粉臂的多功能化，对提高含低密度元素增强相高强铝基材料成形构件的成形性、力学性能、高温抗氧化性、抗腐蚀性等性能具有重大意义。
(2)本发明提供的吸尘铺粉臂系统通过吸尘控制系统和前后升降旋钮的联合作用，精准控制作用于成形缸粉床表面的气流大小，有效清理选区激光熔化成形含低密度元素增强相高强铝基材料过程中附着在成形缸粉床表面的絮状产物，同时不吸入粉末材料，极大降低了成形构件中有害氧化物的含量，有效避免了裂纹和气孔的出现，成形件具备成形致密度高、表面粗糙度低、综合性能优异的特点。
(3)本发明不仅适用于含低密度元素增强相(例如：二硼化钛TiB2、碳化钛TiC)高强铝基材料选区激光熔化成形构件的性能提升，同时适用于密度较低增强相(例如：碳纳米管、石墨烯)高强铝基材料选区激光熔化成形构件的性能提升。
(4)本发明可以适用于多种金属基复合材料构件的选区激光熔化成形，如铝基材料、钛基材料等。
附图说明
图1为吸尘铺粉臂系统结构示意图。
图2为吸尘口及前后升降调节旋钮的示意图。
图3为控制系统组成及调控反馈机制的流程示意图。
图4为吸尘口气流流动方向及絮状产物受力示意图。
图5为装配本发明装置前的成形缸粉床表面附着大量絮状产物的照片。
图6为装配本发明装置后的成形缸粉床表面基本无絮状产物的照片。
图7为是实施例2的构件金相图片和力学性能测试结果；其中，(a)为未采用本发明铺粉系统进行选区激光熔化成形得到构件的横截面金相图片，(b)为采用本发明铺粉系统进行选区激光熔化成形得到构件的横截面金相图片，(c)构件的力学性能测试结果。
图8为是实施例3的构件金相图片和力学性能测试结果；其中，(a)为未采用本发明铺粉系统进行选区激光熔化成形得到构件的横截面金相图片，(b)为采用本发明铺粉系统进行选区激光熔化成形得到构件的横截面金相图片，(c)构件的力学性能测试结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。
实施例1：
本发明的一种选区激光熔化铺粉系统，包括铺粉臂1、吸尘装置和控制系统。吸尘装置包括吸尘头和吸尘主机，吸尘头与铺粉臂固定连接，吸尘主机与吸尘头相连；控制系统控制吸尘装置吸取成形过程中的絮状产物。
如图1、2所示，吸尘头安装于铺粉臂1铺粉行进方向的一侧(即图1中的左侧)，图1中铺粉臂1的左侧为成形缸6，成形缸6的左侧设有第一粉末回收口9；右侧为粉料缸7，用于存储粉末材料，粉料缸7的右侧设有第二粉末回收口8。
吸尘头包括安装板4和位于安装板4下方的吸尘板5，吸尘板5内部中空形成吸尘通道，安装板内部也设有吸尘通道，与吸尘板的吸尘通道相连通。吸尘板底部为吸尘口11，吸尘口11沿水平设置，吸尘口11平行于成形缸粉床表面。安装板4的顶部设置有两个升降调节旋钮，分别记为前升降调节旋钮3和后升降调节旋钮2，调节精度为0.01mm，以调节吸尘口11与成形缸6粉床表面的垂直距离。
吸尘主机包含吸尘电机、电机控制系统、过滤器，通过由铺粉臂内部延伸而出的气管与吸尘通道相连，吸尘口吸取的絮状产物经由吸尘通道、气管进入吸尘主机的过滤器，以此达到吸尘效果。
如图1所示，在选区激光熔化成形过程的一次铺粉动作中，铺粉臂1初始位于粉料缸7最右侧，铺粉开始时粉料缸7上升一个供粉量高度，成形缸6下降一个层厚高度，随后，铺粉臂1由右向左运动，在此过程中吸尘口11首先将成形缸6粉床表面的絮状产物吸取干净，然后铺粉刮刀10将粉料缸7中的金属粉末均匀铺展于成形缸6粉床表面。
如图3所示，控制系统通过控制吸尘主机的转速精准控制吸尘口11的气流速度，进而控制通过成形缸表面的气流速度，同时吸尘口可以实时将流速反馈到控制系统，实现粉末材料与絮状产物分离，只吸取成形过程中的絮状产物，而不吸附粉末材料。
计算粉末材料(密度为ρm1)与絮状产物(密度为ρm2)的悬浮气体流速(分别为u1，u2)，然后通过吸尘控制系统调节吸尘口11的气体流速，使成形缸粉床表面6的气体流速值在u1-u2之间，便能使得吸尘口11只吸入絮状产物而不吸入粉末材料。
Figure BDA0002899379580000051
其中，ρm1、ρm2分别为絮状产物和粉末材料的密度，u1、u2分别为絮状产物和粉末材料的悬浮气体流速，Cd为绕流阻力系数，ρ为成形腔内流体的密度，d1、d2分别为絮状产物和粉末材料的平均直径。
如图4所示，成形缸粉床表面6的气体流速会随着与吸尘口11所在平面的距离增大而减小，因此可以通过旋转前升降调节旋钮3和后升降调节旋钮2，调节吸尘口11所在平面与成形缸粉床6的距离，保证成形缸粉床所在平面的气体流速在u1与u2之间。
如图5所示为不使用本发明装置的选区激光熔化设备成形过程中成形缸粉床表面附着大量絮状产物，图6为使用本发明装置的选区激光熔化设备成形过程中成形缸粉床表面平整光洁，无絮状产物。
实施例2：
本实施例采用实施例1中的铺粉系统，并以选区激光熔化成形二硼化钛TiB2(B元素密度比Ti低)增强铝合金AlSi10Mg复合材料为例，采用氩气Ar作为成形腔体的保护气，选区激光熔化成形设备型号为SLM-150。
由于Ti的熔点比B低，在激光的瞬时高温作用下，Ti先于B熔化，B元素容易被气流吹起与成形腔内的残余氧气或粉体中的氧杂质结合形成氧化物形成絮状飘浮。应用实验证明，装配本发明装置前成形的构件内部有较多孔隙缺陷(图7a)，装配本发明装置后的选区激光熔化设备可有效清理成形过程中的絮状产物，成形构件致密度大幅度提升(图7b)。通过拉伸实验发现，采用本发明装置成形的拉伸件拉伸强度比未采用本发明装置成形的拉伸件拉伸强度提高约33％(图7c)，拉伸性能得到大幅度提高。
各项材料物性参数、吸尘口距离成形缸粉床表面距离及依据本发明技术方案计算得出的气体流速如下表1所示。
表1
Figure BDA0002899379580000061
实施例3：
本实施例采用实施例1中的铺粉系统，并以选区激光熔化成形碳纳米管CNTs增强铝合金AlSi10Mg复合材料为例，采用氩气Ar作为成形腔体的保护气，选区激光熔化成形设备型号为SLM-150。
由于CNTs密度较低，熔点较高，成形过程中容易被激光与粉末交互作用过程中产生的强气流部分吹起从而形成絮状产物。应用实验证明，装配本发明装置前成形的构件内部有较多孔隙缺陷(图8a)，装配本发明装置后的选区激光熔化设备可有效清理成形过程中的絮状产物，成形构件致密度大幅度提升(图8b)。通过拉伸实验发现，采用本发明装置成形的拉伸件拉伸强度比未采用本发明装置成形的拉伸件拉伸强度提高约30％(图8c)，拉伸性能得到大幅度提高。
各项材料物性参数、吸尘口距离成形缸粉床表面距离及依据本发明技术方案计算得出的气体流速如下表2所示。
表2
Figure BDA0002899379580000071
实施例4：
本实施例采用实施例1中的铺粉系统，并以选区激光熔化成形碳纳米管CNTs增强钛合金Ti6Al4V复合材料为例，采用氩气Ar作为成形腔体的保护气，选区激光熔化成形设备型号为SLM-150。
各项材料物性参数、吸尘口距离成形缸粉床表面距离及依据本发明技术方案计算得出的气体流速如下表2所示。
表3
Figure BDA0002899379580000072
应用实验证明，装配本发明装置前成形的构件内部有较多孔隙缺陷，装配本发明装置后的选区激光熔化设备可有效清理成形过程中的絮状产物，成形构件致密度大幅度提升，并且力学性能得到了大幅提升。

Claims (10)

1.一种高强铝基材料选区激光熔化成形铺粉系统，其特征在于：包括控制系统、铺粉臂和吸尘装置，所述吸尘装置包括吸尘头和吸尘主机，吸尘头与铺粉臂固定连接，吸尘主机与吸尘头相连；控制系统控制吸尘装置吸取成形过程中的絮状产物。
2.根据权利要求1所述的高强铝基材料选区激光熔化成形铺粉系统，其特征在于：吸尘头安装于铺粉臂的铺粉前进侧，吸尘头设有朝向粉床的吸尘口。
3.根据权利要求2所述的高强铝基材料选区激光熔化成形铺粉系统，其特征在于：吸尘口与粉床平行。
4.根据权利要求2所述的高强铝基材料选区激光熔化成形铺粉系统，其特征在于：所述吸尘头包括安装板和位于安装板下方的吸尘板，吸尘板内部中空形成吸尘通道，吸尘板底部为吸尘口。
5.根据权利要求1所述的高强铝基材料选区激光熔化成形铺粉系统，其特征在于：所述吸尘头还设有调节装置，用于调节吸尘口与成形缸粉床的垂直距离。
6.根据权利要求1所述的高强铝基材料选区激光熔化成形铺粉系统，其特征在于：高强铝基材料包括增强相和铝合金粉末材料，增强相的密度比铝合金粉末密度低；或铝基复合材料包括化合物增强相和铝合金粉末材料，化合物增强相含有比铝合金粉末密度低的元素。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的高强铝基材料选区激光熔化成形铺粉系统的控制方法，其特征在于：所述控制系统控制吸尘气流，粉末材料与絮状产物分离，吸尘装置吸取成形区域的絮状产物。
8.根据权利要求7所述的高强铝基材料选区激光熔化成形铺粉系统的控制方法，其特征在于成形缸粉床表面的气流速度v满足如下要求：
u1＜v＜u2，
Figure FDA0002899379570000011
其中，u1、u2分别为絮状产物和粉末材料的悬浮气体流速，ρm1、ρm2分别为絮状产物和粉末材料的密度，Cd为绕流阻力系数，ρ为成形腔内流体的密度，d1、d2分别为絮状产物和粉末材料的平均直径。
9.根据权利要求8所述的高强铝基材料选区激光熔化成形铺粉系统的控制方法，其特征在于：通过调节吸尘口与成形缸粉床的垂直距离，使得成形缸粉床表面的气流速度保持在u1与u2之间。
10.根据权利要求9所述的高强铝基材料选区激光熔化成形铺粉系统的控制方法，其特征在于：吸尘口与成形缸粉床的垂直距离为2～3mm。
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