CN113084196A - 超声辅助铺粉的激光选区烧结制备纯钨零件的装置与方法 - Google Patents

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吕佳乐
刘晓涵
周彬
范威
杨晓红
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张�浩
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Abstract

本发明涉及超声辅助铺粉的激光选区烧结制备纯钨零件的装置与方法，其主要针对现有工艺条件下选区激光烧结获得的纯钨材料致密度低、质量较差等问题。该方法将计算机仿真获得的优化工艺条件应用于超声辅助装备进行铺粉，提高烧结前铺粉床的致密度，并对不同粒度钨粉在计算机仿真获得的优化工艺条件下进行选择性激光烧结，从而实现高密度纯钨零件的制备。本发明方法在铺粉过程中使钨粉致密度及均匀性得到很大提升，使后续烧结得到的纯钨零件更加致密，同时，该方法有效节约资源，降低成本，缩短实验时间，解决了传统方法制备纯钨金属工艺流程长、时间长、工序复杂等问题。

Description

超声辅助铺粉的激光选区烧结制备纯钨零件的装置与方法
技术领域
本发明涉及超声辅助铺粉的激光选区烧结制备纯钨零件的装置与方法，属于增材制造技术领域。
背景技术
增材制造是一种利用三维模型数据通过层层堆积的方式制造零件的技术，由于具有成型速度快、加工无多余废料及可生产较精密且形状复杂的零件等独特优势，近年来受到国内外科学工作者及工业生产者越来越多的关注。其中选区激光烧结技术(SelectiveLaser Sintering,SLS)具有制造工艺简单、材料利用率极高及可精确控形控性等独特优势，成为发展最快，且具备工业化生产能力的精密增材制造技术之一。
激光选区烧结(SLS)和激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)是增材制造技术的重要分支，在生产复杂零件及快速成型和降低成本等方面展现出巨大优势和未来发展潜力。
钨是一种难熔稀有金属，由于其所具有的高熔点(3410℃)、高密度(19.3g·cm-3)、高导热率(165W·m-1·K-1)、高强度、低热膨胀系数(4.6×10-6mm·K-1)以及强抗腐蚀能力等特性，已成为各国机械加工、电子信息、航空航天、国防军工、核能(如聚变反应堆中偏滤器)及医疗(如CT设备核心准直器)等尖端技术领域的重要基础材料。作为一种战略储备元素，我国的钨资源储量丰富(占世界总储量的58％)，位居世界第一。因此，如何充分发挥其不可替代作用，开发高性能纯钨构件对我国优势资源高效利用的战略部署和高新技术行业中高端装备的国产化和升级换代具有重大意义。但由于钨所具有的极高熔点，制备过程中存在硬度高、韧性差、容易断裂的缺点导致纯钨零件难以致密成形、成形后缺陷多。
从现有的制备纯钨零件的方法来看，多采用粉末冶金(Powder Metallurgy,PM)方法(如热等静压及热压烧结等)来制备，但PM法由于其自身的局限性加大了致密纯钨零件制备的难度，从而在一定程度上限制了其发展及应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对传统方法在纯钨零件制备过程中存在的问题，本发明提供超声辅助铺粉的激光选区烧结制备纯钨零件的装置与方法，以克服现有SLS及PM法的不足，实现高性能、高密度纯钨零件的增材制备。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
超声辅助铺粉的激光选区烧结制备纯钨零件的装置与方法，其包括如下步骤：
S1、数学建模：将拟制备零件的三维CAD模型导入计算机中，利用切片软件将三维CAD模型转换成一系列二维平面模型，按照平面模型之间的间隔1～2mm进行分层，完成三维数据二维化的离散过程，并将二维平面模型的数据转化成数控加工命令，控制激光烧结装置的工作过程。
S2、铺粉工艺优化：针对实际铺粉过程，通过计算机数值仿真与模拟，实现工艺优化，获得铺粉的最佳工艺参数。
S3、装粉：在烧结前称取一定量平均粒径在10～50μm范围内的钨粉，并将之装入激光打印机的送粉器中备用。
S4、高质量铺粉：打开激光器和送粉器，在氩气保护的条件下，使用步骤S2中计算机优化的工艺进行超声辅助铺粉。
S5、优化烧结：使用步骤S2中计算机优化的工艺，在激光作用下开始烧结第一层，完成后升降台下降一段距离(相当单个粉层厚度)，同时送粉器上升相同的高度，继续进行铺粉和烧结，以此逐层叠加制成致密的烧结件。
如上所述的方法，优选地，在步骤S2中，所述钨粉球形度应为0.75～1，钨粉平均粒径为10μm、20μm、30μm、50μm。如果钨粉的粉末粒度过小，则难以实现烧结前的致密铺粉；而如果粉末粒度过大(如大于50μm)，则不利于烧结后的零件致密化，而选择平均粒径10～50μm有利于烧结成形。
如上所述的方法，优选地，在步骤S2中，所述激光扫描速度为50～150mm/s。
如上所述的方法，优选地，在步骤S2中，所述激光功率为150～250W，并且在氩气保护气条件下进行烧结。
如上所述的方法，优选地，在步骤S4中，移动刮板为超声刮板。
如上所述的方法，优选地，在步骤S4中，超声刮板振幅可调，高度可调，超声刮板倾斜角度可调、移动速度可调。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明提供的技术使用超声辅助对粉末进行预处理，有效提高铺粉过程中粉末致密度和均匀性，为后续烧结提供优质粉末床，并且对一定粒度范围的钨粉在计算机仿真所获得的优化工艺条件下进行选择性激光烧结，从而实现高密度纯钨零件的制备，使用计算机仿真选择的工艺参数进行烧结得到的纯钨成型件，其致密程度显著提高，并且力学性能得到有效改善。同时，在实验前首先进行计算机仿真确定参数范围能够大大缩短实验时间，减少能耗，节约成本。
附图说明
图1为本发明的激光烧结成型设备示意图；
图2为本发明的超声刮板示意图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例主要考虑铺粉速度的影响。
具体工艺为：超声刮板速度分别为0.01m/s、0.05m/s、0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s，激光功率150W，扫描速度100mm/s，烧结过程中所采用的四种钨粉的平均粒度为30μm，烧结零件的尺寸为30mm×4mm×20mm的发动机叶片，在计算机中生成相同尺寸的三维CAD模型，利用切片软件将三维模型切分转化成20个二维平面模型，并将二维平面模型转化成数控命令进行激光烧结成形。烧结出的样品结构致密，无宏观偏析现象。烧结结果比较发现铺粉速度为0.01m/s时所获得的烧结件最致密。
实施例2
本实施例主要考虑激光功率的影响。
具体工艺为：使用的激光功率分别为150W、200W、250W，扫描速度为100mm/s，烧结钨粉的平均粒度为30μm，烧结零件为尺寸为30mm×4mm×20mm的发动机叶片，在计算机中生成相同尺寸的三维CAD模型，利用切片软件将三维模型切分转化成20个二维平面模型，并将二维平面模型转化成数控命令进行激光烧结成形。烧结出的样品结构致密，无宏观偏析现象。烧结结果比较发现激光功率在200W条件下，烧结件最为致密。
实施例3
具体工艺为：激光功率200W，扫描速度分别为50mm/s、100mm/s、150mm/s，烧结钨粉的平均粒度为30μm，烧结零件为尺寸为30mm×4mm×20mm的发动机叶片，在计算机中生成相同尺寸的三维CAD模型，利用切片软件将三维模型切分转化成20个二维平面模型，并将二维平面模型转化成数控命令进行激光烧结成形。烧结出的样品结构致密，无宏观偏析现象。烧结结果比较发现激光扫描速度在100mm/s条件下，烧结件最为致密，米塞斯应力分布均匀。
实施例4
具体工艺为：激光功率200W，扫描速度100mm/s，烧结钨粉的平均粒度为30μm，烧结零件为尺寸为30mm×4mm×20mm的发动机叶片，在计算机中生成相同尺寸的三维CAD模型，利用切片软件将三维模型切分转化成20个二维平面模型，并将二维平面模型转化成数控命令进行激光烧结成形，后冷却至室温成型后的。结果表明，烧结件结构均匀，致密程度最高，未发现裂纹。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是，凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.超声辅助铺粉的激光选区烧结制备纯钨零件的装置与方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、数学建模：将拟制备纯钨零件的三维CAD模型导入计算机中，利用切片软件将三维CAD模型转换成一系列二维平面模型，按照平面模型之间的间隔1～2mm进行分层，完成三维数据二维化的离散过程，并将二维平面模型的数据转化成数控加工命令，从而控制激光烧结装置的工作过程。
S2、工艺优化：针对实际铺粉过程，通过系统的计算机数值仿真与模拟，掌握各操作参数的影响规律，从而实现工艺优化，最终获得铺粉及烧结的最佳工艺参数。
S3、装粉：在烧结前称取一定量平均粒径在10～50μm范围内的钨粉，并将之装入激光打印机的送粉器中备用。
S4、高质量铺粉：打开激光器和送粉器，在氩气保护的条件下，使用步骤S2中计算机优化的工艺进行超声刮板铺粉。
S5、优化烧结：使用步骤S2中计算机优化的工艺，在激光作用下开始烧结第一层，完成后升降台下降一段距离(相当单个粉层厚度)，同时送粉器上升相同的高度，继续进行铺粉和烧结，以此逐层叠加制成致密的烧结件。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2的优化工艺中，所述刮板的速度为0.01～0.3m/s，刮板角度为45°～90°，刮板间隙为0.05～0.2mm，粉层厚度为0.06～0.08mm。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，所述钨粉球形度应为0.75～1，钨粉平均粒径分别选取10μm、20μm、30μm、50μm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述激光扫描速度为50～150mm/s。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述激光功率为150～250W，并且在氩气保护的条件下进行烧结。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S4中，移动刮板为超声刮板。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S4中，超声刮板振幅可调，高度可调，超声刮板倾斜角度可调、移动速度可调。
8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于所制得的纯钨零件在增材制造中的应用。
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