CN113560598B - 一种大尺寸零件激光选区熔化成形方法 - Google Patents

一种大尺寸零件激光选区熔化成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种大尺寸零件激光选区熔化成形方法，包括如下步骤：步骤1，对成形产品的三维模型进行余量设计；步骤2，对余量设计后的三维模型进行支撑添加；步骤3，准备激光选区熔化设备并进行预热；步骤4，对待成形零件进行激光选区熔化成形；步骤5，对成形零件进行后续清洁、机加工处理，得到所需的产品。本发明通过三维模型余量设计、添加复合支撑、施加成形预热、降低能量输入及优化扫描策略等措施，对成形过程中的温度梯度、应力应变等影响产品成形质量、尺寸精度、变形开裂的因素进行控制，获得高精度的激光选区熔化制件。

Description

一种大尺寸零件激光选区熔化成形方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种大尺寸零件激光选区熔化成形方法。
背景技术
激光选区熔化成形技术是目前应用最广泛的增材制造技术之一。因其“分层切片、逐层堆积”的成形原理，使得所成形零件能不受复杂结构限制，真正实现产品的一体化制造。同时还具有制造周期短、材料利用率高、综合性能强等诸多优点，在航空航天、生物医疗、模具制造、能源重工等诸多领域得到了广泛的应用。
由于激光选区熔化成形过程本身的特点，高能激光束作为热源加工，粉末在极短的时间内经历快热熔化和快冷成形，极高的冷却速率导致扫描区域产生了较大的温度梯度，引起较大的热应力。现有技术在成形幅面尺寸大于250mm*250mm的产品时，温度场不均匀冷却引起的应力应变将更为显著，残余应力的存在影响大尺寸零件的尺寸精度，降低产品的屈服强度、疲劳强度和耐腐蚀性能，严重时会导致产品发生翘曲变形甚至开裂。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种大尺寸零件激光选区熔化成形方法，克服现有技术的不足，解决激光选区熔化成形大尺寸零件过程中，由于能量密度输入高与温度梯度大导致热应力累积，使得产品的尺寸精度、屈服强度、疲劳强度、耐腐蚀性能降低及发生翘曲变形、开裂等问题。
本发明提供的技术方案如下：
一种大尺寸零件激光选区熔化成形方法，包括：
步骤1，对成形产品的三维模型进行余量设计；
步骤2，对余量设计后的三维模型进行支撑添加；
步骤3，准备激光选区熔化设备并进行预热；
步骤4，对待成形零件进行激光选区熔化成形；
步骤5，对成形零件进行后续清洁、机加工处理，得到所需的产品。
根据本发明提供的一种大尺寸零件激光选区熔化成形方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种大尺寸零件激光选区熔化成形方法，通过三维模型设计，平滑模型棱边过渡，强化大尺寸零件与基板间的连接，减小产品上结构薄弱点的应力集中，同时强化对外轮廓易翘曲变形部位的控制，减小应力应变，保持成形过程中的应力平衡；
(2)本发明提供的一种大尺寸零件激光选区熔化成形方法，通过支撑设计，网格支撑具有良好的导热性，增强成形过程中温度传递；内部柱支撑提供强度，承接下一层粉末，保证熔池不发生塌陷；外轮廓支撑强化对边缘易翘曲变形部位的控制。总之，所添加复合支撑减少了大尺寸零件在打印过程中由于受热及冷却产生的应力收缩，保持成形产品的应力平衡；在具有足够强度的同时留有镂空，利于清粉和后续打磨去除；
(3)本发明提供的一种大尺寸零件激光选区熔化成形方法，通过设备预热技术，降低了产品成形过程中的冷却温度梯度，提高了成形过程中温度场均匀性，减小应力应变，抑制产品变形，减少熔池塌陷，提高尺寸精度；
(4)本发明提供的一种大尺寸零件激光选区熔化成形方法，在保证成形产品性能的前提下，通过降低能量密度输入，优化成形相位角，改善熔池质量，降低成形过程温度梯度，提高成形质量并减小变形。
附图说明
图1为三维模型外表面法向余量设计示意；
图2为三维模型外轮廓薄壁余量示意；
图3为三维模型通道类结构薄板余量示意图；
图4为三维模型支撑设计示意图；
图5为图4中支撑部位的截面图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明提供了一种大尺寸零件激光选区熔化成形方法，包括如下步骤：
步骤1，确定三维模型的成形摆放方向，对成形产品的三维模型进行余量设计。
在一种优选的实施方式中，如图1所示，所述对成形产品的三维模型进行余量设计包括：在所述三维模型外表面沿法向均添加2-3mm余量，三维模型与基板接触位置添加R3-R4倒圆角，增强基板对成形产品的变形约束，三维模型上的所有棱边添加＜R3倒圆角，减少边角处的应力集中。
在一种优选的实施方式中，如图2所示，所述对成形产品的三维模型进行余量设计包括：沿三维模型外轮廓随形设计厚度为2-3mm的薄壁作为余量，增强对产品边缘部分的翘曲变形控制。进一步地，所述薄壁及三维模型下表面拉平至基板，与基板接触处添加R3.5-R4倒圆角。薄壁上每隔8-10mm设置Φ2-3mm通孔，以便于成形后续的粉末清理工作。
在一种优选的实施方式中，如图3所示，所述对成形产品的三维模型进行余量设计包括：判断三维模型上通道类结构的各端口轴向方向与成形方向的夹角是否大于45°，若端口轴向方向与成形方向的夹角大于45°，在该端口处添加厚度0.8-1mm薄板作为余量，提高其结构强度，增强收缩变形控制。薄板上每隔8-10mm设置Φ2-3mm通孔，以便于成形后续的粉末清理工作。
在图2和图3中，对薄壁或薄板上通孔分布进行设计，若通孔太小或太疏，则粉末难以清理出产品；若通孔太大或太密，则产品成形时通孔部位容易发生掉渣，塌陷等问题，难以成形。经过试验研究，确定薄壁或薄板上每隔8-10mm设置Φ2-3mm通孔。
步骤2，对余量设计后的三维模型进行支撑添加。
在一种优选的实施方式中，在悬垂面夹角小于40°的产品结构面上添加支撑，如图4和图5所示，所添加的支撑包括以下四种：
a.大网格支撑。网格尺寸3-4mm*3-4mm，旋转角度15-20°，设置边界并采取菱形镂空；
b.小网格支撑。网格尺寸0.6-0.8mm*0.6-0.8mm，旋转角度45-50°，不设置边界，添加5-6mm*5-6mm区域切割；
所述大网格支撑和小网格支撑均布在结构的支撑面上；
网格支撑能有效传导激光熔化粉末时产生的热量，抑制成形过程中由于快热及快冷产生的应力收缩。
c.内部柱支撑。柱直径0.8-1mm，柱间距2-3mm*2-3mm，均布于外轮廓支撑内部结构的支撑面上；
内部柱支撑提供支撑强度，防止激光扫描粉末时产生塌陷，确保上方零件部分的稳固成形。内部柱支撑同样起到传递成形热量，抑制应力收缩的作用。
d.外轮廓支撑。轮廓厚度1-1.2mm，单个支撑单元宽度1.5-2mm，支撑单元间隔1.5-2mm，沿支撑面的外轮廓分布。添加外轮廓支撑以增强对每一支撑面边缘部位的翘曲变形控制。
步骤3，准备激光选区熔化设备并进行预热。
具体地，包括如下步骤：
(1)准备激光选区熔化成形设备；
(2)安装激光选区熔化成形设备的刮刀与基材并检查激光选区熔化成形设备状况；
(3)对激光选区熔化成形设备进行洗气，待激光选区熔化成形设备的成形舱内氧含量降至预设水平后，开启加热板进行预热，使成形舱达到预设温度；优选地，所述成形舱内预设水平的氧含量低于500ppm。所述成形舱的预设温度为150-200℃。
(4)在基板上铺设一层粉末，当铺设的粉末达到预设温度后完成设备的准备和预热。
步骤4，对待成形零件进行激光选区熔化成形，包括：将包含支撑的三维模型进行位置摆放、参数设置、剖分处理，将切片文件输出至激光选区熔化成形设备，然后按设定的工艺参数进行激光选区熔化成形，直至成形出完整的零件。
产品结构工艺参数采用较大能量输入，保证产品的高致密度，高力学性能。具体包括：激光功率280-350W，扫描间距0.1-0.15mm，扫描速率950-1250m/s，层厚为40-60μm；
大、小网格支撑工艺参数采用较小能量输入，减少热应力累积以控制变形，降低强度以便后续去除。其中，大、小网格支撑工艺参数包括：激光功率120-200W，扫描速率600-1200m/s，层厚80-120μm；
外轮廓支撑及内部柱支撑工艺参数包括：激光功率180-220W，扫描速度900-1200m/s，层厚40-60μm。
激光选区熔化成形时，激光扫描方向每层偏转67°，当偏转后的扫描方向落在与成形吹风方向夹角±18°以内时再次偏转67°。当激光扫描方向与成形吹风方向夹角在±18°以内时，成形将产生大量黑烟及颗粒物，影响成形质量，°使激光扫描方向跳过该范围，有效降低大量黑烟及颗粒物的产生，提高了成形质量。
步骤5，对成形零件进行后续清洁、机加工处理，包括：成形结束后，待设备冷却，取出产品，然后进行清粉、退火、切除基板、去支撑等操作，即得到所需要的产品。
实施例
实施例1大尺寸钛合金一级泵叶轮的激光选区熔化成形
1.设计产品三维模型并进行余量设计。
在本申请实施所提供的方案中，一级泵叶轮尺寸Φ356mm*120.5mm。沿一级泵叶轮弧盖板和平盖板外表面法向添加2mm余量(图1)，对三维模型下表面整体拉平处理，一级泵叶轮与基板接触处添加R3倒圆角，三维模型上的所有棱边添加R1倒圆角。沿平盖板下表面外轮廓添加厚度为2mm的环状薄壁(图2)，薄壁拉平至基板，与基板接触处添加R3.5倒圆角。一级泵叶轮出口处添加厚0.8mm薄板封口，薄板上每隔8mm设置Φ2通孔(图3)。
2.对余量设计后的三维模型添加支撑。
在本申请实施所提供的方案中，对下表面及内部叶片上悬垂面夹角小于45°的结构添加支撑，各相关结构的支撑面均添加以下四种支撑(图4、图5)：
a.大网格支撑。网格尺寸3mm*3mm，旋转角度15°，设置边界并采取菱形镂空；
b.小网格支撑。网格尺寸0.6mm*0.6mm，旋转角度45°，不设置边界，添加5mm*5mm区域切割；大网格支撑和小网格支撑均布在结构的支撑面上；
c.内部柱支撑。柱直径0.8mm，柱间距2mm*2mm，均布于外轮廓支撑内部结构的支撑面上；
d.外轮廓支撑。轮廓厚度1mm，单个支撑单元宽度1.5mm，支撑单元间隔2mm，沿支撑面的外轮廓分布。
步骤3，准备激光选区熔化设备并进行预热；
在本申请实施例所提供的方案中，准备激光选区熔化成形设备，安装好刮刀与基材并检查设备状况，随后开始洗气，待成形舱氧含量低于500ppm后，开启加热板进行预热使成形舱内温度达到150℃。随后在基板上平台上铺设一层40μm的粉末，待铺设的粉末也达到预热温度后即可开始成形过程。
步骤4，对待成形零件进行激光选区熔化成形；
在本申请实施例所提供的方案中，对待成形产品进行模型修改、余量添加、支撑添加、位置摆放选择、参数设置及模型剖分等操作，并输出相应的工艺文件，然后将处理好的工艺文件导入激光选区熔化成形设备；设定产品工艺参数为激光功率280W，扫描间距0.105mm，扫描速率1250m/s，层厚为40μm；设定大、小网格支撑工艺参数为激光功率200W，扫描速率1200m/s，层厚80μm；外轮廓支撑及内部柱支撑工艺参数为激光功率220W，扫描速度1200m/s，层厚40μm。
设定激光扫描方向每层偏转67°。当偏转后的扫描方向落在与成形吹风方向夹角±18°以内时再次偏转67°。进行零件的激光选区熔化成形，直至成形出完整的零件。
步骤5，对成形零件进行后续处理。
在本申请实施例所提供的方案中，成形结束后，待设备冷却，取出产品，然后进行清粉、退火、切除基板、去支撑等操作，即得到所需要的零件。
通过本发明方法成形的一级泵叶轮，产品尺寸精度符合GB/T 6414-2017DCTG5要求；屈服强度Rm≥900MPa，抗拉强度Rp0.2≥950MPa，延伸率A≥12％，超过同种材料锻件力学性能标准。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种大尺寸零件激光选区熔化成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对成形产品的三维模型进行余量设计；
步骤2，对余量设计后的三维模型进行支撑添加；
在悬垂面夹角小于40°的产品结构面上添加支撑，所添加的支撑包括以下四种：
大网格支撑：网格尺寸3-4mm*3-4mm，旋转角度15-20°，设置边界并采取菱形镂空，均布在结构的支撑面上；
小网格支撑：网格尺寸0.6-0.8mm*0.6-0.8mm，旋转角度45-50°，不设置边界，添加5-6mm*5-6mm区域切割，均布在结构的支撑面上；
内部柱支撑：柱直径0.8-1mm，柱间距2-3mm*2-3mm，均布于外轮廓支撑内部结构的支撑面上；
外轮廓支撑：轮廓厚度1-1.2mm，单个支撑单元宽度1.5-2mm，支撑单元间隔1.5-2mm，沿支撑面的外轮廓分布；
步骤3，准备激光选区熔化设备并进行预热；
步骤4，对待成形零件进行激光选区熔化成形，包括：将包含支撑的三维模型进行位置摆放、参数设置、剖分处理，将切片文件输出至激光选区熔化成形设备，然后按设定的工艺参数进行激光选区熔化成形，激光扫描方向每层偏转67°，当偏转后的扫描方向落在与成形吹风方向夹角±18°以内时再次偏转67°，直至成形出完整的零件；
激光选区熔化成形时的参数设置包括：
产品结构工艺参数设置，包括：激光功率280-350W，扫描间距0.1-0.15mm，扫描速率950-1250m/s，层厚为40-60μm；
大、小网格支撑工艺参数设置，包括：激光功率120-200W，扫描速率600-1200m/s，层厚80-120μm；
外轮廓支撑及内部柱支撑工艺参数设置，包括：激光功率180-220W，扫描速度900-1200m/s，层厚40-60μm；
步骤5，对成形零件进行后续清洁、机加工处理，得到所需的产品。
2.根据权利要求1所述的大尺寸零件激光选区熔化成形方法，其特征在于，步骤1中，所述对成形产品的三维模型进行余量设计包括：在所述三维模型外表面沿法向均添加2-3mm余量，三维模型与基板接触位置添加R3-R4倒圆角。
3.根据权利要求2所述的大尺寸零件激光选区熔化成形方法，其特征在于，步骤1中，所述对成形产品的三维模型进行余量设计还包括：将所述三维模型下表面拉平至基板，与基板接触处添加R3.5-R4倒圆角。
4.根据权利要求1所述的大尺寸零件激光选区熔化成形方法，其特征在于，步骤1中，所述对成形产品的三维模型进行余量设计包括：沿三维模型外轮廓随形设计厚度为2-3mm的薄壁作为余量，将所述薄壁拉平至基板，与基板接触处添加R3.5-R4倒圆角。
5.根据权利要求4所述的大尺寸零件激光选区熔化成形方法，其特征在于，所述薄壁上每隔8-10mm设置Φ2-3mm通孔。
6.根据权利要求1所述的大尺寸零件激光选区熔化成形方法，其特征在于，步骤1中，所述对成形产品的三维模型进行余量设计包括：判断三维模型上通道类结构的各端口轴向方向与成形方向的夹角是否大于45°，若端口轴向方向与成形方向的夹角大于45°，在该端口处添加厚度0.8-1mm薄板作为余量。
7.根据权利要求6所述的大尺寸零件激光选区熔化成形方法，其特征在于，所述薄板上每隔8-10mm设置Φ2-3mm通孔。
8.根据权利要求1所述的大尺寸零件激光选区熔化成形方法，其特征在于，步骤3中，所述准备激光选区熔化设备并进行预热，包括如下步骤：
准备激光选区熔化成形设备；
安装激光选区熔化成形设备的刮刀与基板并检查激光选区熔化成形设备状况；
对激光选区熔化成形设备进行洗气，待激光选区熔化成形设备的成形舱内氧含量降至预设水平后，开启加热板进行预热，使成形舱达到预设温度；
在基板上铺设一层粉末，当铺设的粉末达到预设温度后完成设备的准备和预热。
9.根据权利要求8所述的大尺寸零件激光选区熔化成形方法，其特征在于，所述成形舱内预设水平的氧含量低于500ppm；和/或
所述成形舱的预设温度为150-200℃。
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