CN112974803B - 一种减少激光选区熔化成型构件孔隙率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种减少激光选区熔化成型构件孔隙率的方法，包括：选择合适的选区激光熔化设备；将磁场激发装置设置于选区激光熔化设备中，使磁场可以稳定作用于熔池区域；设定选区激光熔化设备的激光打印参数，打印参数包括激光功率、激光扫描速率、粉床厚度、道次间距和每一层打印方向的角度；在磁场下的选区激光熔化增材制造，通过稳恒磁场对选区激光熔化增材制造过程中熔池内流场及溶质场的调控，实现减少打印组织中孔隙的体积和数量，获得孔隙率较低的金属构件。本发明在激光选区熔化成型过程中施加稳恒磁场，可显著抑制微熔池内的流动，熔池内金属液流动的抑制可以促进金属液内气体的逸出，形成孔隙较少的致密金属工件。

Description

一种减少激光选区熔化成型构件孔隙率的方法
技术领域
本发明涉及激光材料加工技术领域，具体地，涉及一种减少激光选区熔化成型构件孔隙率的方法。
背景技术
选区激光熔化技术(SLM)作为一种独特的增材制造技术具有值得注意的优点，例如设计灵活性，制造速度和快速冷却速率(～105K/s)。然而，选区激光熔化技术也具有其他增材制造技术相同的缺陷，主要是：金属构件中的孔隙和残余应力导致的裂纹。选区激光熔化技术是通过将粉末逐层激光重熔处理并叠加获得所需零件的过程。因此，使用低激光功率或高扫描速率可能导致粉末熔化不充分，或者每个熔道与其相邻熔道之间的间距很大也有可能导致孔隙的形成。作为构件中的一种主要缺陷，孔隙存在的普遍性直接影响构件的力学性能，这些部件不能用于结构或承载应用中，也会妨碍增材制造技术的广泛应用。值得注意的是，原料材料(粉末)中的残余孔隙率可以根据其生产途径(例如，气体雾化对等离子体旋转电极粉末)，并且该孔隙可以传递到构件中。通常，由于低能量输入或不良粉末扩散导致的不充分熔化可导致在还原之后形成大的内部空隙孔隙率随着单位面积能量密度的增加而增加。
减少孔隙率最简单的方法是增加激光功率，然而，由于设备功率的限制以及减少能耗，使该方法不便于操作。通过研究发现，根据孔隙的大小和形态定义了两种主要类型的孔隙。激光扫描速度控制构件中孔隙的大小和形状，决定了在加工过程中转移到材料上的能量密度。到目前为止，由于行业对于高扫描速率的需要，无法通过降低扫描速率避免孔隙的形成。此外，通过提高基板的温度也可以在一定程度上增加熔道间的熔合，并减少构件中的气孔，然而这一措施也受到构件尺寸的限制。
经检索发现，申请号为201811055405.X的中国专利，公开了一种激光选取熔化成形设备及方法，该成形设备其中包括励磁线圈组，成形设备工作时，多个励磁线圈及超声波振动装置设置在成形墙内的基板四周。所述方法包括调整成形腔基板、励磁线圈组及超声波振动装置之间的高度及相对位置，使得成形腔基板、励磁线圈组及超声波振动装置沿同一水平面设置，向成形设备内充入氩气，并通过工控机来控制励磁线圈的开闭，以使得励磁线圈产生的磁场始终垂直于激光扫描的方向；通过单片机调节超声波电源的频率及功率以使成形腔基板震动，同时通过电子调压器进行调压，由此成形区内产生交变磁场，该专利是通过超声波和电磁搅拌作用细化晶粒、减少热应力，超声波的空化作用会在熔体中引发气泡的形成不利于减少组织中的气孔。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种减少激光选区熔化成型构件孔隙率的方法，通过在激光选区熔化制备金属构件的过程引入稳恒的磁场，通过磁场所产生的磁效应，改变熔池内的熔体流动特性，减少构件中气孔的体积和数量，进而改善激光选区熔化成型构件的性能。
根据本发明的目的，提供一种减少激光选区熔化成型构件孔隙率的方法，包括：
S1、选择合适的选区激光熔化设备，所述设备的打印空间内具有足够的空间可容纳磁场激发装置；
S2、将所述磁场激发装置设置于所述选区激光熔化设备中，使磁场可以稳定作用于熔池区域，在激光选区熔化成型过程中施加稳恒磁场；
S3、设定所述选区激光熔化设备的激光打印参数，所述打印参数包括激光功率、激光扫描速率、粉床厚度、道次间距和每一层打印方向的角度；
S4、通电后开始在磁场下的选区激光熔化增材制造，通过稳恒磁场对所述选区激光熔化增材制造过程中熔池内流场及溶质场的调控，实现减少打印组织中孔隙的体积和数量，获得孔隙率较低的金属构件。
优选地，所述磁场激发装置采用永磁铁和/或电磁铁。
优选地，所述磁场激发装置所激发的磁场强度大于0.1T。当磁场强度大于0.1tT时，工件试样中气孔含量逐渐减少，得到金孔隙率较低的属构件。当弱磁场强度低于0.1T时，效果不够显著。
优选地，所述磁场激发装置设置于所述选区激光熔化设备中打印工件的两侧或者上下区域。
优选地，所述增材制造的原材料为金属粉末。
本发明机理如下：在选区熔化增材制造过程，粉末受到激光作用先熔化后凝固。在微小的熔池内，由于存在较高的温度梯度，熔池内形成了强烈的Marangoni对流。当施加磁场时，熔池内金属液的Marangoni(马兰哥尼)对流将切割磁感线，根据电磁感应定律则会形成感应电流。同时，电流在磁场中受到洛伦磁力作用，该力与金属液流动方向相反，将阻碍微熔池中金属液的Marangoni对流。通过抑制熔池内的Marangoni对流，可以有效帮助熔池内微小气泡的逸出，这将大幅度降低增材制造工件中的气孔，提高工件的力学性能。
与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：
本发明上述方法，通过选区激光熔化增材制造过程中施加稳恒磁场，对熔池内流场及溶质场的调控，实现减少打印组织中孔隙的体积和数量，获得孔隙率较低的金属构件。本发明在激光选区熔化成型过程中施加稳恒磁场，可显著抑制微熔池内的流动，熔池内金属液流动的抑制可以促进金属液内气体的逸出，形成孔隙较少的致密金属工件。
本发明上述方法，仅需在现在工业上广泛使用的激光选区熔化装置中辅以磁场激发装置提供稳恒磁场即可达到目的，其设备简单且易于实现。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1a、1b、1c为本发明一实施例制备的AlSi0Mg合金显微组织图；
图2a、2b、2c为本发明另一实施例制备的AlSi0Mg合金显微组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种减少激光选区熔化成型构件孔隙率的方法，具体以制备一种AlSi10Mg合金工件为例，制备步骤如下：
S1、选择合适的选区激光熔化设备，在设备的打印空间内具有足够的空间可容纳磁场激发装置。
在具体实施的过程中，选择高纯AlSi10Mg合金粉末，通过筛粉获得适合于本实施例所需要的粉末粒径(15μm～45m)，将足够的粉末填充于选区激光成型加工设备的粉箱中。
S2、将磁场激发装置设置于选区激光熔化设备中，使磁场可以稳定作用于熔池区域，将磁场激发装置设置于选区激光熔化设备中打印工件的附近，在打印之前将磁场激发装置固定与基板附近。磁场激发装置可以采用永磁铁和/或电磁铁。当然，磁场激发装置也可置于工件两侧形成水平方向磁场，或者也可以置于工件底部形成竖直方向磁场。
在一具体实施例中，在选区激光成型加工设备内部放置可激发不同强度的磁场激发装置，以便观察不同磁场强度对组织孔隙率的影响，可激发的磁场强度分别为0.1T和0.2T。
S3、设定选区激光熔化设备的激光打印参数，打印参数包括激光功率、激光扫描速率、粉床厚度、道次间距和每一层打印方向的角度。在一具体实施例中将激光打印参数设定为：激光功率为300W；扫描速率为1000mm/s；铺粉厚度为50μm；道次间距为140μm，扫描策略为每打印一层旋转90°。
在具体实施的过程中，关闭激光打印机舱门，抽真空至一定真空度。导入准备好的打印工件的CAD图纸。开启基板预热设置，将基板预热至200℃。将所有打印参数设置完毕后，开启打印按钮开始进行打印。
S4、通电后开始在磁场下的选区激光熔化增材制造，通过稳恒磁场对选区激光熔化增材制造过程中熔池内流场及溶质场的调控，实现减少打印组织中孔隙的体积和数量，获得孔隙率较低的金属构件。在激光选区熔化成型过程中施加稳恒磁场，可显著抑制微熔池内的流动，熔池内金属液流动的抑制可以促进金属液内气体的逸出，形成孔隙较少的致密金属工件。
上述实施例，在选区熔化增材制造过程，粉末受到激光作用先熔化后凝固。在微小的熔池内，由于存在较高的温度梯度，熔池内形成了强烈的Marangoni对流。当施加磁场时，熔池内金属液的Marangoni对流将切割磁感线，根据电磁感应定律则会形成感应电流。同时，电流在磁场中受到洛伦磁力作用，该力与金属液流动方向相反，将阻碍微熔池中金属液的Marangoni对流。通过抑制熔池内的Marangoni对流，可以有效帮助熔池内微小气泡的逸出，这将大幅度降低增材制造工件中的气孔，提高工件的力学性能。
在具体实施的过程中，待打印设备停止后，打开打印机舱门，清理基板附近的粉末取出基板。通过线切割获得基板上打印的工件。对所制备的AlSi10Mg合金试样进行切割、镶嵌、研磨和抛光，通过观察金相组织(参照图1a、1b、1c所示)，由本实施例制备AlSi10Mg合金试样中的气孔随磁场强度的增大逐渐减少，由此可见，外加磁场有利于减少激光选区熔化成型构件孔隙率。
实施例2
本实施例的制备方法与实施例1不同之处仅在于调整了激光打印过程的参数设置。
本实施中将激光扫描速率调整为2000mm/s，其他参数保持不变。
对本实施例所制备的AlSi10Mg合金试样进行切割、镶嵌、研磨和抛光，通过观察金相组织(参照图2a、2b、2c)，所制备的AlSi10Mg合金试样中的气孔随磁场强度的增大逐渐减少，外加磁场有利于减少激光选区熔化成型构件孔隙率。
参照图1a-2c所示，表明了随着磁场强度的增大，工件试样中气孔含量逐渐减少，说明了在选区激光打印过程施加稳恒磁场有助于减少激光选区熔化成型构件孔隙率。
从上述实施例可以看出，本发明通过在激光选区熔化制备金属构件的过程引入稳恒的磁场，通过磁场所产生的磁效应，改变熔池内的熔体流动特性，减少构件中气孔的体积和数量，进而改善激光选区熔化成型构件的性能。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种减少激光选区熔化成型构件孔隙率的方法，其特征在于，包括：
S1、选择合适的选区激光熔化设备，所述设备的打印空间内具有足够的空间可容纳磁场激发装置；
S2、将所述磁场激发装置设置于所述选区激光熔化设备中，使磁场可以稳定作用于熔池区域，在激光选区熔化成型过程中施加稳恒磁场；所述磁场激发装置所激发的磁场强度大于0.1T；
S3、设定所述选区激光熔化设备的激光打印参数，所述打印参数包括激光功率、激光扫描速率、粉床厚度、道次间距和每一层打印方向的角度；其中，激光功率为300W；扫描速率为1000mm/s或2000mm/s；铺粉厚度为50μm；道次间距为140μm，扫描策略为每打印一层旋转90°；
S4、通电后开始在磁场下的选区激光熔化增材制造，通过稳恒磁场对所述选区激光熔化增材制造过程中熔池内流场及溶质场的调控，实现减少打印组织中孔隙的体积和数量，获得孔隙率较低的金属构件；
在选区熔化增材制造过程，粉末受到激光作用先熔化后凝固；在微小的熔池内，由于存在较高的温度梯度，熔池内形成了强烈的Marangoni对流，当施加磁场时，熔池内金属液的Marangoni对流将切割磁感线，根据电磁感应定律则会形成感应电流；同时，电流在磁场中受到洛伦磁力作用，该力与金属液流动方向相反，将阻碍微熔池中金属液的Marangoni对流，通过抑制熔池内的Marangoni对流以使熔池内微小气泡逸出，从而降低增材制造工件中的气孔。
2.根据权利要求1所述的一种减少激光选区熔化成型构件孔隙率的方法，其特征在于，所述磁场激发装置采用永磁铁和/或电磁铁。
3.根据权利要求1所述的一种减少激光选区熔化成型构件孔隙率的方法，其特征在于，所述磁场激发装置设置于所述选区激光熔化设备中打印工件的两侧或者上下区域。
4.根据权利要求1所述的一种减少激光选区熔化成型构件孔隙率的方法，其特征在于，所述增材制造的原材料为金属粉末。
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