CN113477943A - 一种金属材料的增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种金属材料的增材制造方法，涉及增材制造技术领域。该方法包括：建立待加工工件的三维模型；根据预设的切片厚度进行切片及路径规划；成形平台下降预设高度，控制铺粉；根据预设的切片厚度、粉末的飞溅程度、粉末的孔隙率以及材料的热膨胀状态计算实际铺粉厚度；计算得到每层粉末熔化时所需的实际能量输入；对粉层进行熔化扫描制备金属材料。本发明根据预设的切片厚度、粉末的飞溅程度、粉末的孔隙率以及材料的热膨胀状态计算实际铺粉厚度，从而计算出每层粉末熔化时所需要的实际能量输入，从而保证能量输入与铺粉厚度相匹配，减少工件内部的缺陷，提高工件质量。

Description

一种金属材料的增材制造方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种金属材料的增材制造方法。

背景技术

粉床熔融增材制造成形方法的原理为在预置底板上铺置一层粉末，根据零件路径规划数据有选择地对铺置粉末进行选区扫描熔化，根据切片数据底板下降一定层厚的高度，再进行下一层铺粉和熔化，新熔化层与前一层熔合为一体，层层堆叠直到零件加工完成。

可见，粉床熔融增材制造过程是通过松散金属粉末的逐层熔化来实现的，熔化完成后存在体积收缩的现象，通常增材制造用粉末的孔隙度在 0.4~0.6 之间，也就意味着不考虑其它因素的情况下，单层存在约40%~60%的体积收缩，使凝固层表面低于熔化前粉层高度。通常情况下基板下降高度与切层厚度是一致的，也是固定的，这样就会导致下一层铺置粉末厚度大于预设粉层厚度。随着加工层的增加，粉层的收缩量也会有一个函数性的累加。此外，除粉末孔隙度的影响外，成形过程中粉末的飞溅、凝固金属的热膨胀问题等都会对粉层的收缩量存在较大影响，也就对实际铺粉厚度存在较大影响。如果继续采用预设铺粉厚度对应的能量输入，将会导致铺粉厚度与能量输入的不匹配，从而使得成形零件内部存在层间结合不良等缺陷，通常可采用降低粉末层厚，采用松装密度较高的粉末或优化预热工艺以降低飞溅来抑制粉层收缩对成形质量的影响，但效果有限。

因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技2术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属材料的增材制造方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

本发明提供一种金属材料的增材制造方法，包括：建立待加工工件的三维模型；根据预设的切片厚度对待加工工件的三维模型进行切片处理并进行路径规划处理，得到所述三维模型的二维切片数据与路径规划数据；根据所述二维切片数据控制所述增材制造装备的成形平台下降预设高度，并控制所述增材制造装备的铺粉机构进行铺粉；根据预设的所述切片厚度、粉末的飞溅程度、粉末的孔隙率以及材料的热膨胀状态计算实际铺粉厚度；所述增材制造装备按照预设的能量输入和所述实际铺粉厚度计算得到每层粉末熔化时所需的实际能量输入；所述增材制造装备按照每层粉末熔化时所需的实际能量输入对粉层进行熔化扫描，从而得到所述金属材料。

优选的，所述预设的切片厚度 h 为固定值，其值为 0.02~0.2mm。

优选的，所述成形平台下降预设高度与所述预设的切片厚度相同。

优选的，所述粉末第 n 层的实际铺粉厚度 Hn 由以下公式计算：

当 n=1 时，H1=h；

当 n＞1 时，Hn=h+an-1，an-1=Hn-1-Hn-1 (1-ηn-1)(1-θ) (1+ɑ×ΔTn-1)；

其中，h 为预设的切片厚度，an-1 为第 n-1 层粉末熔化凝固后的收缩量，ηn-1为待加工工件的截面范围内熔化第 n-1 层时粉末的飞溅质量占第n-1 层的铺粉质量的百分比，θ 为粉末的孔隙度，ɑ 为平均线膨胀系数，ΔTn-1 为第 n-1 层粉末熔化凝固后的温度与室温的温度差，n 为正整数。

优选的，所述预设的能量输入 E 由能量源功率 P、能量的利用率 ε、能量源的移动速度v、切片厚度h和熔道间距ω决定，且E=(P×ε)/( v×h×ω)。

优选的，15%≤ε<100%，0.02mm≤ω≤0.15mm。

优选的，第 n 层粉末熔化时所需的实际能量输入 En=(E×Hn)/ h。

优选的，θ=1-(ρ松装/ρ理论)，所述ρ松装为粉末的松装密度，所述ρ理论为粉末的理论密度。

优选的，0＜ηn-1＜50%，10-6≤ɑ≤10-5。

优选的，所述粉末熔化凝固后的温度通过位于成形平台上方的测温装置实时获得，且 0＜ΔTn-1≤3500℃。

本发明可以实现以下有益效果：本发明中，根据预设的切片厚度、粉末的飞溅程度、粉末的孔隙率以及材料的热膨胀状态计算实际铺粉厚度，所述预设的切片厚度是相同的，但是每层的实际铺粉厚度呈阶梯状分布，从而计算出每层粉末熔化时所需要的实际能量输入，从而保证能量输入与铺粉厚度相匹配，减少工件内部的缺陷，提高工件质量。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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 示出现有技术中实际铺粉厚度与预设切片厚度关系示意图；

图 2 示出发明实施例中的金属材料的增材制造方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

请参考图 1，图 1 为现有增材制造技术中实际铺粉层厚与预设切片厚度的关系，如 a1、a2、a3 为每层的粉末收缩量，每层的切片厚度 h0 都相等。前一层铺粉之后，粉末会受热熔化收缩，使熔化收缩后的粉末层厚度小于切片厚度，实际铺粉厚度（例如 H1、H2、H3等）大于切片厚度，从而导致能量输入的不匹配，使得成形零件内部存在部分缺陷。

针对以上问题，本发明实施例首先提供了一种金属材料的增材制造方法，请参考图 2，包括以下步骤：

S101，建立待加工工件的三维模型；

S102，根据预设的切片厚度对待加工工件的三维模型进行切片处理并进行路径规划处理，得到所述三维模型的二维切片数据与路径规划数据；

S103，根据所述二维切片数据控制所述增材制造装备的成形平台下降预设高度，并控制所述增材制造装备的铺粉机构进行铺粉；

S104，根据所述预设的切片厚度、粉末的飞溅程度、粉末的孔隙率以及材料的热膨胀状态计算实际铺粉厚度；

S105，所述增材制造装备按照预设的能量输入和所述实际铺粉厚度计算得到每层粉末熔化时所需的实际能量输入；

S106，所述增材制造装备按照每层粉末熔化时所需的实际能量输入对粉层进行熔化扫描，从而得到所述金属材料。

本实施例中，根据预设的切片厚度、粉末的飞溅程度、粉末的孔隙率以及材料的热膨胀状态计算实际铺粉厚度，所述预设的切片厚度是相同的，但是每层的实际铺粉厚度呈阶梯状分布，从而计算出每层粉末熔化时所需要的实际能量输入，从而保证能量输入与铺粉厚度相匹配，减少工件内部的缺陷，提高工件质量。

可选的，在一些实施例中，所述预设的切片厚度 h 为固定值，其值为 0.02~0.2mm，例如可以为 0.04、0.08、0.10、0.15mm 等，但也不限于此，可以根据实际工艺需要进行选择。

可选的，在一些实施例中，所述成形平台下降预设高度与所述预设的切片厚度相同，所述成形平台下降预设高度是根据预设的切片厚度确定的。

优选的，所述粉末第 n 层的实际铺粉厚度 Hn 由以下公式计算：

当 n=1 时，H1=h，

当 n＞1 时，Hn=h+an-1，an-1=Hn-1-Hn-1(1-ηn-1)(1-θ) (1+ɑ×ΔTn-1)，

其中，h 为预设的切片厚度，an-1 为第 n-1 层粉末熔化凝固后的收缩量，ηn-1为熔化待加工工件第 n-1 层时待加工工件的截面范围内粉末的飞溅质量占第 n-1 层的待加工工件的截面范围内的铺粉质量的百分比，θ 为粉末的孔隙度，ɑ 为平均线膨胀系数，ΔTn-1 为第 n-1 层粉末熔化凝固后的温度与室温的温度差，n 为正整数。根据各个参数的值来计算实际铺粉厚度，计算精度较高。

可选的，在一些实施例中，所述预设的能量输入 E 由能量源功率 P、能量的利用率 ε、能量源的移动速度 v、切片厚度 h 和熔道间距 ω 决定，且 E=(P×ε)/( v×h×ω)。其中，能量源的功率 P 可以 100W、300W、500W等等，但也不限于此。能量的利用率 ε 的取值范围一般是 15%≤ε<100%，例如可以是 50%、70%、90%等等，但也不限于此。能量源的移动速度 v可以是 0.1m/s、1m/s、5m/s 等等，但也不限于此。熔道间距 ω 通常的取值范围是0.02mm≤ω≤0.15mm，例如可以是 0.05mm、0.08mm、0.1mm 等等，但也不限于此。能量源功率 P、能量的利用率 ε、能量源的移动速度v、预设切片厚度 h 和熔道间距 ω 数值的选取与待加工材料的性质（熔点、热传导率、电导率、表面张力、反射率等）以及温度场条件等密切相关，各个参数的选取彼此互相牵制；能量利用率还与能量源相关，通常电子束的能量利用率较高，可至 90%以上，而激光能量利用率较低，有时仅为 15%，能量利用率也与其它工艺条件密切相关；熔道间距的选择与能量源在熔化条件下微观熔池的大小密切相关，同时也与其它工艺条件相互配合。

可选的，在一些实施例中，第 n 层粉末熔化时所需的实际能量输入En=(E×Hn)/h。根据实际能量输入对分层进行熔化扫描，提高能量利用率，减少浪费、避免不足，节省成本，提高工件打印质量。

可选的，在一些实施例中，θ=1-(ρ松装/ρ理论)，所述ρ松装为粉末的松装密度，所述ρ理论为粉末的理论密度。粉末的材料不同，其理论密度不同，粉末的材料、形貌、粒度分布等不同，其松装密度不同，根据实际测试结果精确计算，从而得到粉末的孔隙度。

可选的，在一些实施例中，0＜ηn＜50%，可以是 5%、10%、20%、30%等等，每层粉末在扫描熔化时的飞溅程度不同，从而带来不同的损失量。

可选的，在一些实施例中，10-6≤ɑ≤10-5，α为平均线膨胀系数，是由材料本身的性质决定，通常 10-6 ≤α≤10-5，但也不限于此。

可选的，在一些实施例中，所述粉末熔化凝固后的温度通过位于成形平台上方的测温装置实时获得，且 0＜ΔTn-1≤3500℃，可以是 500℃、1000℃、1500℃、2000℃、3000℃等等，但也不限于此，随着粉末材料以及制造工艺不同而发生改变，能够对温度差带来的热膨胀进行较为准确的计算。

可选的，在一些实施例中，各个参数的实际数值可以根据实验获取。

粉末除了受热收缩之外，还可能受其他因素，例如，粉末间的相互作用，扫描路径的规划等等，产生不同程度的收缩。把多种因素考虑进去，用以计算实际铺粉厚度，使得到的切片厚度更加符合实际情况。

上述任一实施例中的粉末都可以是 TiAl 合金合金粉末，但也不限于此，其它金属粉末亦可，例如铁基金属、镍基金属等。所述增材制造用高能束可以是激光、电子束等。

可选的，所述球形 TiAl 合金粉末通过等离子旋转电极雾化法制备而得，所述球形 TiAl 合金粉末的球形度大于 90%。

在一个具体实施例中，可以采用以下步骤进行增材制造：把电子束选区熔化设备的成形室抽真空至<5×10-3 Pa；利用电子束对成形室基板进行预热，控制电子束预热电流为10~35mA，使底板达到工作预备状态；将粉仓中的球形 TiAl 合金粉末均匀铺设到成形室的底板上；根据所述规划后的扫描路径以及切片厚度采用电子束对预热后的球形 TiAl 合金粉末进行选区熔化扫描，得到单层实体片层；重复上述铺粉、前预热、选区熔化扫描、后预热，直至实体片层逐层堆积，得到目标工件。

需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种金属材料的增材制造方法，其特征在于，包括：

建立待加工工件的三维模型；

根据预设的切片厚度对待加工工件的三维模型进行切片处理并进行

路径规划处理，得到所述三维模型的二维切片数据与路径规划数据；

根据所述二维切片数据控制所述增材制造装备的成形平台下降预设

高度，并控制所述增材制造装备的铺粉机构进行铺粉；

根据所述预设的切片厚度、粉末的飞溅程度、粉末的孔隙率以及材料

的热膨胀状态计算实际铺粉厚度；

所述增材制造装备按照预设的能量输入和所述实际铺粉厚度计算得

到每层粉末熔化时所需的实际能量输入；

所述增材制造装备按照每层粉末熔化时所需的实际能量输入对粉层

进行熔化扫描，从而得到所述金属材料。

2. 根据权利要求 1 所述的增材制造方法，其特征在于，所述预设的切

片厚度 h 为固定值，其值为 0.02~0.2mm。

3. 根据权利要求 1 所述的增材制造方法，其特征在于，所述成形平台

下降预设高度与所述预设的切片厚度相同。

4. 根据权利要求 1 所述的增材制造方法，其特征在于，所述粉末第 n

层的实际铺粉厚度 Hn 由以下公式计算：

当 n=1 时，H1=h，

当 n＞1 时，Hn=h+an-1，an-1=Hn-1-Hn-1(1-ηn-1)(1-θ) (1+ɑ×ΔTn-1)，

其中，h 为预设的切片厚度，an-1 为第 n-1 层粉末熔化凝固后的收缩量，

ηn-1为待加工工件的截面范围内熔化第 n-1 层时粉末的飞溅质量占第 n-1 层

的铺粉质量的百分比，θ 为粉末的孔隙度，ɑ 为平均线膨胀系数，ΔTn-1为

第 n-1 层粉末熔化凝固后的温度与室温的温度差，n 为正整数。

5. 根据权利要求 1 所述的增材制造方法，其特征在于，所述预设的能

量输入 E 由能量源功率 P、能量的利用率 ε、能量源的移动速度 v、切片厚

度 h 和熔道间距 ω 决定，且 E=(P×ε)/( v×h×ω) 。

6. 根据权利要求 5 所述的增材制造方法，其特征在于，15%≤ε<100%，2

0.02mm≤ω≤0.15mm。

7. 根据权利要求 5 所述的增材制造方法，其特征在于，第 n 层粉末

熔化时所需的实际能量输入 En=(E×Hn)/ h。

8. 根据权利要求 4 所述的增材制造方法，其特征在于，θ=1-(ρ

松装/ρ 理论)，

所述 ρ 松装为粉末的松装密度，所述 ρ 理论为粉末的理论密度。

9. 根据权利要求 4 所述的增材制造方法，其特征在于，0＜ηn-1＜50%，

10-6≤ɑ≤10-5。

10. 根据权利要求 4 所述的增材制造方法，其特征在于，所述粉末熔

化凝固后的温度通过位于成形平台上方的测温装置实时获得，且 0＜

ΔTn-1≤3500℃。

Images