CN113695595B - 采用激光金属沉积与随动轧制制备薄壁坯料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光增材制造技术领域，提供了一种采用激光金属沉积与随动轧制制备薄壁坯料的方法，步骤如下：薄壁坯料的设计；确定激光金属沉积工艺参数；确定轧辊随动轧制工艺方案及工艺参数；激光打印第n层并完成随动轧制；重复步骤二到步骤四；薄壁坯料后处理。本发明不仅能够解决现有的激光金属沉积技术制备薄壁坯料时较高功率下熔池的极限宽度尺寸影响坯料的成形壁厚，从而难以制备出壁厚小于2mm的坯料及层间搭接引起的凸凹峰导致坯料表面质量差、精度低的问题，而且能够解决打印过程中坯料因残余应力引起的变形导致预先设定轨迹的激光束无法作用于坯料端面从而使坯料无法被持续成形的问题。此外，该方法可制备出等壁厚与变壁厚的薄壁坯料。

Description

采用激光金属沉积与随动轧制制备薄壁坯料的方法
技术领域
本发明属于激光增材制造技术领域，具体涉及采用激光金属沉积与随动轧制制备薄壁坯料的方法。
背景技术
随着现代科技的进步，金属增材制造技术已经成为航空航天、核电及轨道交通领域的常备工艺之一，相关应用的案例越来越多。目前，金属增材制造技术主要包括电子束熔化技术、激光选区熔化技术与激光金属沉积技术。电子束熔化技术对真空度要求较高，成形空间小，从而很难制备出大尺寸的构件，且由于电子束较粗，成形零件的表面质量较差、精度较低。激光选区熔化技术利用高能量的激光束照射到预先铺覆好的金属粉末材料，将其直接熔化并凝固、成形获得金属零件，但其粉末利用率不高，成形空间同样受到限制，难以制备出大尺寸的构件。而激光金属沉积技术保留了传统3D打印可实现柔性设计和制造、减少产品研发制造的成本以及周期、可一次成形复杂结构零件等一系列优势，其原理为：根据预先设定的成形轨迹，将激光束作用于基材表面，使基材表面形成熔池，以合金粉末为原料，以粉末同步送进为特征，通过激光熔化与快速凝固逐层沉积制造，形成与基体金属冶金结合且稀释率较小的新金属层，反复重复这一过程直至完成零件的制造和修复。与其它金属零件3D打印技术相比，激光金属沉积技术所成形零件的尺寸更大、成形速度更快、粉末利用率更高。因此，激光金属沉积技术在制造大尺寸的薄壁金属构件如高超声速飞行器的进气道、航空发动机空心叶片及汽轮机叶片等方面具有广阔的应用前景。目前，薄壁金属构件按照其结构的复杂程度可分为简单形状薄壁金属构件与复杂异形薄壁金属构件，两种构件的制备通常采用不同的成形工艺。对于具有截面差小和曲率变化不大的简单形状薄壁金属构件而言，常采用激光金属沉积技术直接成形。然而，对于具有截面差大、弯曲轴线和复杂曲率的复杂异形薄壁金属构件而言，首先需要通过激光金属沉积技术制备出与最终构件形状相近的薄壁板状/管状坯料，然后将薄壁坯料置于成形模具中在高温高压条件下进行热气胀成形，得到最终符合形状与尺寸精度要求的复杂薄壁金属构件。因此，在制备复杂异形薄壁金属构件时，薄壁坯料的制备则显得尤为重要。
但是，在采用激光金属沉积制备薄壁坯料时存在如下问题：一是由于现有的激光金属沉积同轴送粉3D打印设备所使用的激光束的最小光斑直径大于1mm，远大于激光选取熔化设备所使用的激光束的的最小光斑直径，且其粉层厚度为0.3～1mm，在成形坯料时需要较高的激光功率熔化金属粉末，然而较高功率下熔池的极限宽度尺寸会影响坯料的成形壁厚，很难制备出壁厚小于2mm的薄壁坯料；二是由于激光金属沉积的单层沉积层的高度较大，成形后坯料的表面存在层间搭接产生的凸凹峰，导致坯料表面质量差。因此，现有激光金属沉积技术不能直接打印出壁厚均匀、表面质量好、性能均匀稳定且平整度高的大尺寸薄壁板坯/管坯。然而，对于表面存在凸凹峰的薄壁坯料，在后续的热气胀成形时由于其表面平整度差，在发生变形过程中与成形模具之间存在很大的摩擦阻力，不利于其发生塑性变形，且由于层间搭接产生的凸凹峰在变形过程中可能存在局部的残余应力，从而容易导致其发生破裂。
为解决上述问题，现有的制备薄壁坯料的工艺中常采用增减材复合加工技术，该技术是将增材制造模块与减材制造模块集成在一起，在增材制造一定层数后引入减材制造工艺，对沉积坯料进行高精度的减材加工，弥补了纯增材制造后坯料表面质量差、尺寸精度低的问题。但由于增材制造过程中金属材料具有明显的热膨胀特性，在较大的温度梯度条件下，不同位置就会产生不同程度的热膨胀以及随之产生的热应力，这种热应力会导致坯料在成形时发生变形。一方面，打印过程中坯料的变形可能会导致预先设定轨迹的激光束无法作用于被打印坯料的端面，使得薄壁坯料无法被持续成形；另一方面，打印过程中坯料的变形会导致减材制造过程中刀具无法作用于被加工坯料的相应正确位置。因此，对于增减材复合加工技术，增材制造过程中残余应力引起的变形会影响坯料制备时激光束与坯料端面的衔接以及减材制造过程中坯料的形状与尺寸精度。
为解决现有的激光金属沉积技术制备薄壁坯料时较高功率下熔池的极限宽度尺寸影响坯料的成形壁厚、层间搭接引起的凸凹峰导致坯料表面质量差以及打印过程中坯料因残余应力引起的变形导致预先设定轨迹的激光束无法作用于坯料端面从而使坯料无法被持续成形的问题，需要开发一种新的薄壁坯料制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供采用激光金属沉积与随动轧制制备薄壁坯料的方法，能够解决现有的激光金属沉积技术制备薄壁坯料时较高功率下熔池的极限宽度尺寸影响坯料的成形壁厚、层间搭接引起的凸凹峰导致坯料表面质量差以及打印过程中坯料因残余应力引起的变形导致预先设定轨迹的激光束无法作用于坯料端面从而使坯料无法被持续成形的问题。
本发明的技术方案：
采用激光金属沉积与随动轧制制备薄壁坯料的方法，步骤如下：
步骤一、薄壁坯料的设计：对复杂薄壁构件进行特征分析，通过理论计算或FEM反向模拟方法确定用于热气胀成形复杂薄壁构件时所需的薄壁坯料的材料与外形轮廓尺寸，薄壁坯料包含薄壁板坯与薄壁管坯，按厚度是否均匀又可分为等壁厚薄壁板坯/管坯、变壁厚薄壁板坯/管坯；
步骤二、确定激光金属沉积工艺参数：根据步骤一中确定的薄壁坯料的结构与形状选择分层厚度，对于等壁厚薄壁板坯/管坯，选择的坯料分层厚度为0.4～0.6mm；对于变壁厚薄壁板坯/管坯，选择的坯料分层厚度为0.2mm～0.4mm；激光头的单层提升量等于坯料的分层厚度；激光扫描路径根据利用分层切片软件对薄壁坯料的STL模型处理后得到的分层结果来确定；根据薄壁坯料的成形壁厚与成形要求确定其它激光金属沉积工艺参数，包括：激光功率、光斑直径、扫描速度、送粉速率、气体成分、压力流量；
对于性质活泼、容易发生氧化反应的薄壁坯料的制备在含氧量低于0.05％的氩气环境中进行；
对于抗氧化性较好的薄壁坯料的制备，其所需的气氛环境根据所使用的材料进行调整；
步骤三、确定轧辊随动轧制方案及工艺参数：根据步骤一中确定的薄壁坯料的外形轮廓尺寸选用不同的随动轧制方案，对于薄壁板坯的制备，可采用在激光打印某一层后，轧辊随后对这一层进行整体随动轧制的方案，也可采用在激光打印的同时进行局部随动轧制的方案；对于薄壁管坯的制备，由于管坯是封闭截面，因而采用在激光打印的同时进行局部随动轧制的方案；
对于整体随动轧制：其轧辊间距等于坯料的成形壁厚，轧辊长度等于单道单层沉积层总长度，轧辊直径等于坯料分层厚度，其中，轧辊转速的计算具体过程为：
h＝n·t1·π·d (1)
其中：h表示坯料分层厚度，n表示轧辊转速，t1表示激光头单道单层扫描时间，d表示轧辊直径
t1＝L/V (2)
其中：L表示单道单层沉积层的总长度，V表示激光扫描速度
整体随动轧制方案中轧辊转速的表达式为：
Figure BDA0003240547630000041
对于局部随动轧制：其轧辊间距等于坯料的成形壁厚，轧辊轴向长度大于等于3倍的坯料分层厚度，轧辊直径等于坯料分层厚度，其中轧辊转速的具体计算过程为：
n·t2·π·d＝V·t2 (4)
其中：n表示轧辊转速，t2表示激光头的运动时间，d表示轧辊直径，V表示激光扫描速度
局部随动轧制方案中轧辊转速的表达式为：
Figure BDA0003240547630000051
局部随动轧制方案中轧辊对当前层的沉积区域进行随动轧制的同时可对前一层的沉积层进行再次随动轧制；
步骤四、激光打印第n层并完成随动轧制：根据步骤二中确定的激光金属沉积工艺参数与步骤三中确定的轧辊随动轧制方案及工艺参数打印第n层沉积层，在打印过程中轧辊与激光头同步运动，并对激光打印完成后的沉积区域进行随动轧制；其中，n为自然数；
步骤五、重复步骤二到步骤四：根据薄壁坯料的总成形高度与步骤二中确定的分层厚度计算出激光打印总层数；其中，打印总层数等于薄壁坯料的总成形高度除以分层厚度；重复步骤二到步骤四，并能在打印完成一层后能够预测下一层的沉积情况，然后逐层进行沉积成形，直至薄壁坯料被打印完成；
步骤六、薄壁坯料后处理：通过激光金属沉积完成薄壁坯料的制备后，对成形后的薄壁坯料在高温高压条件下进行热等静压处理，以消除激光金属沉积制造后薄壁坯料内部存在的微裂纹、气孔及未熔合缺陷等，并对坯料的端部和表面进行必要的抛光和清洗处理，得到最终可用于用于热气胀成形复杂薄壁构件时所需的薄壁坯料。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的采用激光金属沉积与随动轧制制备薄壁坯料的方法，采用轧辊对激光金属沉积完成的沉积区域进行随动轧制，能够解决现有的激光金属沉积技术制备薄壁坯料时较高功率下熔池的极限宽度尺寸影响坯料的成形壁厚，从而难以制备出壁厚小于2mm的薄壁坯料及层间搭接引起的凸凹峰导致坯料表面质量差、精度低的问题。
(2)本发明的采用激光金属沉积与随动轧制制备薄壁坯料的方法，采用轧辊对激光金属沉积完成的沉积区域进行随动轧制，对沉积区域进行必要的矫形，从而避免坯料因残余应力引起的变形导致预先设定轨迹的激光束无法作用于坯料端面从而使坯料无法被持续成形的问题。
(3)本发明的采用激光金属沉积与随动轧制制备薄壁坯料的方法，可根据薄壁坯料不同特征区域的成形壁厚要求调节轧辊间距制备出等壁厚与变壁厚的薄壁坯料，同时可以克服层间堆积引起熔池流淌的问题，提高坯料表面的成形质量。
(4)本发明的采用激光金属沉积与随动轧制制备薄壁坯料的方法，由于激光金属沉积过程中沉积区域经受一个不均匀的快速冷却作用因而受到拉应力，采用轧辊对激光金属沉积后的沉积区域进行随动轧制，可抵消某些激光金属沉积过程中产生的热应力，同时可提高薄壁坯料的致密度和组织性能均匀性。
附图说明
图1为本发明中采用激光金属沉积与随动轧制制备薄壁坯料的方法原理图。
图2为本发明所需制备的薄壁坯料示意图，(a)为等壁厚薄壁板坯，(b)为变壁厚薄壁板坯，(c)为等壁厚薄壁管坯，(d)为变壁厚薄壁管坯。
图3为本发明中采用激光金属沉积与整体随动轧制制备等壁厚薄壁板坯的示意图。
图4为本发明中采用激光金属沉积与局部随动轧制制备等壁厚薄壁板坯的示意图。
图5为本发明中采用激光金属沉积与局部随动轧制制备变壁厚薄壁板坯的示意图。
图6为本发明中采用激光金属沉积与局部随动轧制制备等壁厚薄壁管坯的示意图。
图7为本发明中采用激光金属沉积与局部随动轧制制备变壁厚薄壁管坯的示意图。
图中：1等壁厚薄壁板坯，2变壁厚薄壁板坯，3等壁厚薄壁管坯，4变壁厚薄壁管坯，5激光头，6送粉器，7粉末喷嘴，8基板，9旋转主轴，10工作台，11滑轨，12轧辊转向，13轧辊。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7说明，本发明提出的采用激光金属沉积与随动轧制制备薄壁坯料的方法，该方法是按照以下步骤进行的：
步骤一、薄壁坯料的设计：对复杂薄壁构件进行特征分析，通过理论计算或FEM反向模拟方法确定用于热气胀成形复杂薄壁构件时所需的薄壁坯料的材料与外形轮廓尺寸。
步骤二、确定激光金属沉积工艺参数：根据步骤一中确定的薄壁坯料的结构与形状选择分层厚度，对于等壁厚薄壁板坯/管坯，选择的坯料分层厚度为0.4～0.6mm，对于变壁厚薄壁板坯/管坯，选择的坯料分层厚度为0.2mm～0.4mm,激光头的单层提升量等于坯料的分层厚度,激光扫描路径根据利用分层切片软件对薄壁坯料的STL模型处理后得到的分层结果来确定，根据薄壁坯料的成形壁厚与成形要求确定其它激光金属沉积工艺参数，包括：激光功率、光斑直径、扫描速度、送粉速率、气体成分、压力流量，薄壁坯料的制备在含氧量低于0.05％的氩气环境中进行。
步骤三、确定轧辊随动轧制方案及工艺参数：根据步骤一中确定的薄壁坯料的外形轮廓尺寸选用不同的随动轧制方案，对于薄壁板坯的制备，可采用在激光打印某一层后，轧辊随后对这一层进行整体随动轧制的方案，也可采用在激光打印的同时进行局部随动轧制的方案，对于薄壁管坯的制备，由于管坯是封闭截面，因而采用在激光打印的同时进行局部随动轧制的方案；
对于整体随动轧制：其轧辊间距等于坯料的成形壁厚，轧辊长度等于单道单层沉积层总长度，轧辊直径等于坯料分层厚度，其中，轧辊转速的计算具体过程为：
h＝n·t1·π·d (1)
其中：h表示坯料分层厚度，n表示轧辊转速，t1表示激光头单道单层扫描时间，d表示轧辊直径
t1＝L/V (2)
其中：L表示单道单层沉积层的总长度，V表示激光扫描速度
整体随动轧制方案中轧辊转速的表达式为：
Figure BDA0003240547630000081
对于局部随动轧制：其轧辊间距等于坯料的成形壁厚，轧辊轴向长度大于等于3倍的坯料分层厚度，轧辊直径等于坯料分层厚度，其中轧辊转速的具体计算过程为：
n·t2·π·d＝V·t2 (4)
其中：n表示轧辊转速，t2表示激光头的运动时间，d表示轧辊直径，V表示激光扫描速度
局部随动轧制方案中轧辊转速的表达式为：
Figure BDA0003240547630000091
局部随动轧制方案中轧辊对当前层的沉积区域进行随动轧制的同时可对前一层的沉积层进行再次随动轧制。
步骤四、激光打印第n层并完成随动轧制：根据步骤二中确定的激光金属沉积工艺参数及步骤三中确定的轧辊随动轧制方案及工艺参数打印第n层沉积层，(n为1、2、3……)在打印过程中轧辊与激光头同步运动，并对激光打印完成后的沉积区域进行随动轧制。
步骤五、重复步骤二到步骤四：根据薄壁坯料的总成形高度与步骤二中确定的分层厚度计算出激光打印总层数，其中，打印总层数等于薄壁坯料的总成形高度除以分层厚度，重复步骤二到步骤四，并能在打印完成一层后能够预测下一层的沉积情况，逐层进行沉积成形，直至薄壁坯料被打印完成。
步骤六、薄壁坯料后处理：通过激光金属沉积完成坯料制备后，对成形后的薄壁坯料在910℃、120MPa条件下保温2.5h进行热等静压处理，以消除激光金属沉积制造后的薄壁坯料内部存在的微裂纹、气孔及未熔合缺陷等，并对坯料的端部和表面进行必要的抛光和清洗处理，得到最终可用于热气胀成形复杂薄壁构件时所需的薄壁坯料。
本实施例的有益效果是：采用激光金属沉积与随动轧制制备薄壁坯料的方法，采用轧辊对激光金属沉积完成的沉积区域进行随动轧制，不仅能够解决现有的激光金属沉积制备薄壁坯料时较高功率下熔池的极限宽度尺寸影响坯料的成形壁厚，从而难以制备出壁厚小于2mm的薄壁坯料及层间搭接引起的凸凹峰导致坯料表面质量差、精度低的问题；而且可以起到对沉积区域进行矫形的作用，从而避免打印过程中坯料因残余应力引起的变形导致预先设定轨迹的激光束无法作用于坯料端面从而使坯料无法被持续成形的问题。此外，还可以根据薄壁坯料不同特征区域的成形壁厚要求调节轧辊间距制备出等壁厚与变壁厚的薄壁坯料，同时可以提高薄壁坯料的致密度和组织性能均匀性。
实施例2：结合图3说明，在步骤二到步骤五中，在制备等壁厚薄壁板坯时，采用整体随动轧制工艺方案，在激光头打印下一层的时间内轧辊完成对上一层的整体随动轧制，两者运动状态相互独立，轧辊间距可通过滑轨进行调整，其它步骤，与实施例1相同。
本实施例的有益效果是：轧辊间距可通过滑轨进行调节，根据坯料的成形壁厚调整轧辊间距，可制备出等壁厚与变壁厚的薄壁板坯，轧辊对打印完成的沉积层进行整体随动轧制可起到对沉积层进行矫形的作用，从而避免打印过程中坯料因残余应力引起的变形导致预先设定轨迹的激光束无法作用于坯料端面从而使坯料无法被持续成形的问题。
实施例3：结合图4和图5说明，在步骤二到步骤五中，激光金属沉积制备等壁厚薄壁板坯或变壁厚薄壁板坯时，采用激光头与轧辊同步往返运动的方案，往返运动过程中需调整轧辊偏转角度使轧辊与沉积区域保持线接触状态，其它步骤，与实施例1相同。
本实施例的有益效果是：采用激光头与轧辊同步往返运动的方案，轧辊可对打印完成的沉积区域进行实时的局部随动轧制，能够解决层间搭接引起的凸凹峰导致坯料表面质量差、精度低的问题，轧辊在打印过程中只需控制其转速与角度即可。此外，还能提高沉积区域材料的致密度及组织性能均匀性。
实施例4：结合图6和图7说明，在步骤二到在步骤五中，激光金属沉积制备等壁厚薄壁管坯或变壁厚薄壁管坯时，采用激光头与轧辊同步同向运动的方案，轧辊在与激光头同向运动的过程中需要通过导轨转轴调整其旋转角度，使轧辊始终与沉积区域保持线接触状态，其它步骤，与实施例1相同。
本实施例的有益效果是：对一些直径较小的管坯尤其是变壁厚的薄壁管坯，可通过调节轧辊间距实现，不仅可以提高管坯内壁及外壁的成形质量，并且可以解决激光金属沉积时熔池中的液态金属向外流淌的问题，还具有节约昂贵粉末材料、缩短薄壁坯料的制造周期的优势。

Claims (3)

1.一种采用激光金属沉积与随动轧制制备薄壁坯料的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、薄壁坯料的设计：对复杂薄壁构件进行特征分析，通过理论计算或FEM反向模拟方法确定用于热气胀成形复杂薄壁构件时所需薄壁坯料的材料与外形轮廓尺寸；薄壁坯料包含薄壁板坯与薄壁管坯，按厚度是否均匀分为等壁厚薄壁板坯/管坯、变壁厚薄壁板坯/管坯；
步骤二、确定激光金属沉积工艺参数：根据步骤一中确定的薄壁坯料的结构与形状选择分层厚度，对于等壁厚薄壁板坯/管坯，选择的坯料分层厚度为0.4～0.6mm；对于变壁厚薄壁板坯/管坯，选择的坯料分层厚度为0.2mm～0.4mm；激光头的单层提升量等于坯料的分层厚度；激光扫描路径根据利用分层切片软件对薄壁坯料的STL模型处理后得到的分层结果来确定；根据薄壁坯料的成形壁厚与成形要求确定其它激光金属沉积工艺参数，包括激光功率、光斑直径、扫描速度、送粉速率、气体成分、压力流量；
步骤三、确定轧辊随动轧制方案及工艺参数：根据步骤一中确定的薄壁坯料的外形轮廓尺寸选用不同的随动轧制方案；对于薄壁板坯的制备：采用在激光打印某一层后，轧辊随后对这一层进行整体随动轧制的方案；或采用在激光打印的同时进行局部随动轧制的方案；对于薄壁管坯的制备：由于管坯是封闭截面，因而采用在激光打印的同时进行局部随动轧制的方案；
对于整体随动轧制：其轧辊间距等于坯料的成形壁厚，轧辊长度等于单道单层沉积层总长度，轧辊直径等于坯料分层厚度，其中，轧辊转速的计算具体过程为：
h＝n·t1·π·d (1)
其中：h表示坯料分层厚度，n表示轧辊转速，t1表示激光头单道单层扫描时间，d表示轧辊直径；
t1＝L/V (2)
其中：L表示单道单层沉积层的总长度，V表示激光扫描速度；
整体随动轧制方案中轧辊转速的表达式为：
Figure FDA0003585881280000021
对于局部随动轧制：其轧辊间距等于坯料的成形壁厚，轧辊轴向长度大于等于3倍的坯料分层厚度，轧辊直径等于坯料分层厚度，其中轧辊转速的具体计算过程为：
n·t2·π·d＝V·t2 (4)
其中：n表示轧辊转速，t2表示激光头的运动时间，d表示轧辊直径，V表示激光扫描速度；
局部随动轧制方案中轧辊转速的表达式为：
Figure FDA0003585881280000022
步骤四、激光打印第n层并完成随动轧制：根据步骤二中确定的激光金属沉积工艺参数与步骤三中确定的轧辊随动轧制方案及工艺参数打印第n层沉积层，在打印过程中轧辊与激光头同步运动，并对激光打印完成后的沉积区域进行随动轧制；
步骤五、重复步骤二到步骤四：根据薄壁坯料的总成形高度与步骤二中确定的分层厚度计算出激光打印总层数；其中，打印总层数等于薄壁坯料的总成形高度除以分层厚度；重复步骤二到步骤四，并能在打印完成一层后能够预测下一层的沉积情况，然后逐层进行沉积成形，直至薄壁坯料被打印完成；
步骤六、薄壁坯料后处理：通过激光金属沉积完成薄壁坯料的制备后，对成形后的薄壁坯料在高温高压条件下进行热等静压处理，以消除激光金属沉积制造后薄壁坯料内部存在的微裂纹、气孔及未熔合缺陷，并对坯料的端部和表面进行必要的抛光和清洗处理，得到最终用于热气胀成形复杂薄壁构件时所需的薄壁坯料。
2.根据权利要求1所述的采用激光金属沉积与随动轧制制备薄壁坯料的方法，其特征在于，
步骤二中，
对于性质活泼、容易发生氧化反应的薄壁坯料的制备在含氧量低于0.05％的氩气环境中进行；
对于抗氧化性较好的薄壁坯料的制备，其所需的气氛环境根据所使用的材料进行调整。
3.根据权利要求1或2所述的采用激光金属沉积与随动轧制制备薄壁坯料的方法，其特征在于，
步骤三中，
局部随动轧制工艺方案中轧辊对当前层的沉积区域进行随动轧制的同时对前一层的沉积层进行再次随动轧制。
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