CN113953530A - 增强金属增材制造层间结合强度的方法 - Google Patents

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刘胜
周剑涛
申胜男
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Abstract

本发明公开了一种增强金属增材制造层间结合强度的方法，其目的是为了增强增材制造层间结合强度，提供一种在可集成在打印系统在线处理的方法，通过在前层金属表面进行飞秒激光微纳加工处理，得到特定形貌和取向的微沟槽和微孔洞阵列结构或其他超浸润性阵列结构，实现在前层材料表面实现金属液滴定向传输。这种方法成本低、无污染，仅需通过改变飞秒激光聚焦点，样品无需移动，可以选择性地增强界面，从而优化增材制造产品性能。

Description

增强金属增材制造层间结合强度的方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种增强金属增材制造层间结合强度的方法。
背景技术
增材制造(Additive manufacturing,AM)，也常被称为3D打印，是工业生产的一种变革性方法。增材制造产品的每一层都是与前一层熔化或部分熔化的材料相结合。制造对象由计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD)软件进行数字定义，这将会指导喷嘴或打印头的路径精确地将材料沉积在前一层上，或者，指导激光或电子束选择性地在粉末材料层中熔化或部分熔化。当材料冷却或固化时，它们熔合在一起形成一个三维物体。然而，由于增材制造“逐层堆积”的制造特性，每一层的质量无法完全保证，比如某一层的金属粉末不完全熔化，通常就会出现层间未完全结合的情况。层与层之间由于热应力的作用，极易发生开裂。并且制造过程中产生的表面孔洞和微裂纹等缺陷更会加剧层间失效。因此急需一种增强层间结合强度的方法，来改善其性能。
为了增强增材制造层间结合强度，通常采用机械后处理的方法改善前层质量，但是这种方式不仅效率低、精度差，并且不能集成于打印系统，无法实时调整。
发明内容
本发明的目的是为了增强增材制造层间结合强度，提供一种增强金属增材制造层间结合强度的方法，即一种在可集成在打印系统在线处理的方法，通过在前层金属表面进行飞秒激光微纳加工处理，得到特定形貌和取向的微沟槽和微孔洞阵列结构或其他超浸润性阵列结构，实现在前层材料表面实现金属液滴定向传输。这种方法成本低、无污染，仅需通过改变飞秒激光聚焦点，样品无需移动，可以选择性地增强界面，从而优化增材制造产品性能。
为实现上述目的，本发明提供的增强金属增材制造层间结合强度的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将金属粉末放入送粉器中，调整纳秒激光器的激光加工头，使激光焦点位于粉末上；
S2、采用纳秒激光束按照规划的路径先沉积出一层熔覆层；
S3、采用飞秒激光束辐射熔覆层，加工微沟槽、微孔洞或其他超浸润性阵列结构，并用氮气吹去表面附着废料；
S4、继续采用纳秒激光束沉积下一层；
重复S1至S4，直至沉积完成。
作为优选方案，所述步骤S1中的纳秒激光器采用Nd:YAG固体连续激光器，波长为1064nm。
进一步地，所述步骤S3中飞秒激光为中心波长为532nm，脉冲宽度为90fs，重复频率为1kHz的飞秒脉冲激光。
更进一步地，所述步骤S3中飞秒激光光斑直径为3～10μm。
更进一步地，所述沉积完成即纳秒激光束沉积出的最后一层熔覆层不需要再用飞秒激光束辐射加工。
与现有技术相比，本发明的优点有益效果如下：
本发明利用飞秒激光微纳加工技术，在金属增材制造中，无需移动样品，可以在线在沉积层表面加工微沟槽或微孔洞阵列结构，从而制备出超浸润性区域，实现金属液滴沿沟槽和孔洞方向的定向快速输运，增强层间结合强度，改善样品由于逐层堆积产生的孔洞、裂纹等缺陷，提高样品的力学性能，延长其服役寿命；本发明具体创新点为：
(1)基于飞秒激光在线加工微结构，原位在线处理增材制造表面，避免后处理；
(2)基于飞秒激光在线加工微孔洞或微沟槽实现液滴定向运输，愈合缺陷；
(3)基于飞秒激光在线加工超浸润结构增强金属液滴与打印层的接触，从而增强增材制造表面质量。
附图说明
图1为本发明方法的工艺步骤示意图。
图中：1.飞秒激光发生器，2.纳米激光发生器，3.光纤，4.纳秒激光器激光头，5.纳米激光束，6.沉积层，7.基板，8.扫描振镜，9.飞秒激光器激光头，10.送粉器，11.氩气气瓶。
图2为本发明实施例1的微孔洞阵列示意图；
图3为本发明实施例1的微沟槽阵列示意图；
图4为本发明实施例1的超浸润性阵列结构及接触角示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的一种基于飞秒激光微加工增强金属增材制造层间结合强度的增材制造装置包括纳米激光制造模块，飞秒激光加工模块，基板7。纳米激光沉积模块包括纳米激光发生器2、纳米激光器激光头4、送粉器10和氩气气瓶11。纳米激光发生器2与纳米激光器激光头4相连，为其提供纳米激光光源。氩气气瓶11，在激光增材制造过程中持续向熔池中提供氩气，以防止熔池氧化。纳米激光器激光头4的位置可以进行上下左右调整以使激光焦点位于粉末上。纳米激光器激光头4所发射的纳米激光束5作用于沉积层6上。所示飞秒激光加工模块包括飞秒激光发生器1、飞秒激光器激光头9、扫描振镜8。飞秒激光发生器1与飞秒激光器激光头9相连，为其提供飞秒激光光源。扫描振镜8利用内部两反射镜偏转角度的任意组合，可以实现飞秒激光在整个视场内任意位置的扫描，从而在纳米激光沉积的熔覆层上加工出微沟槽或者微孔洞阵列结构等超浸润性结构。基板7用于承接沉积层6。
如图2-3所示，本实施例提供的一种微孔洞阵列或微沟槽阵列示意图。如图4所示，本发明实施例提供的液滴与沉积层之间接触角的示意图，通常情况下沉积层表面与金属液滴之间存在较大角度的接触角，以致金属增材制造过程中两层之间结合强度不强而产生孔洞和裂纹等缺陷。当利用飞秒激光在沉积层表面加工出图2所示的微孔洞阵列或微沟槽阵列时，金属液滴可沿沟槽或孔洞方向进行快速输运，增强层间的结合强度。
下面以激光增材制造铝合金为例，对本实施例的基于飞秒激光微加工增强金属增材制造层间结合强度的方法进行更加详细的说明。本发明的实施例要求：沉积的铝合金样品几何尺寸为10mm×10mm×2.5mm，采用JK1002型Nd:YAG固体连续激光器对铝合金粉末进行定向能量沉积，并在每一层沉积后采用飞秒激光对金属表面进行图案化处理，具体成形步骤如下：
S1：选择直径为35～60μm的近球形铝合金粉末放入送粉器内；沉积前，将成形基板用砂纸打磨，并用酒精和去离子水清洗；调整纳秒激光加工头与基板表面的工作距离，使纳秒激光束的焦点位于粉末上；
S2：设置纳秒激光功率为200W，扫描速度为1m/s，打开送粉器，激光束按照预定的路径进行粉末沉积加工，沉积一层后，暂停加工，停止位置保证不会干涉飞秒激光的加工过程；
S3-S4：打开飞秒激光器，调整激光功率和扫描间距，在沉积层表面，按照指定路径进行图案化烧蚀，制备超浸润性局部区域，最后一层沉积层不需要进行飞秒激光加工；
重复步骤S1～步骤S2，直至样品沉积完成。
本实施例利用飞秒激光微纳加工技术，在线在沉积层表面加工微沟槽、微孔洞阵列结构，或仿生超浸润性区域，实现金属液滴沿沟槽或孔洞方向的定向快速输运，以此来增强后续沉积层与前置沉积层的层间结合强度，改善铝合金样品由于逐层堆积产生的孔洞、裂纹等缺陷，提高样品的力学性能，延长其服役寿命。

Claims (6)

1.一种增强金属增材制造层间结合强度的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将金属粉末放入送粉器中，调整纳秒激光器的激光加工头，使激光焦点位于粉末上；
S2、采用纳秒激光束按照规划的路径先沉积出一层熔覆层；
S3、采用飞秒激光束辐射熔覆层，加工微沟槽、微孔洞或其他超浸润性阵列结构，并用氮气吹去表面附着废料；
S4、继续采用纳秒激光束沉积下一层；
重复S1至S4，直至沉积完成。
2.根据权利要求1所述的增强金属增材制造层间结合强度的方法，其特征在于：所述步骤S1中的纳秒激光器采用Nd:YAG固体连续激光器，波长为1064nm。
3.根据权利要求1或2所述的增强金属增材制造层间结合强度的方法，其特征在于：所述步骤S3中飞秒激光为中心波长为532nm，脉冲宽度为90fs，重复频率为1kHz的飞秒脉冲激光。
4.根据权利要求1或2所述的增强金属增材制造层间结合强度的方法，其特征在于：所述步骤S3中飞秒激光光斑直径为3～10μm。
5.根据权利要求3所述的增强金属增材制造层间结合强度的方法，其特征在于：所述步骤S3中飞秒激光光斑直径为3～10μm。
6.根据权利要求1或2或5所述的增强金属增材制造层间结合强度的方法，其特征在于：所述沉积完成即纳秒激光束沉积出的最后一层熔覆层不需要再用飞秒激光束辐射加工。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015030260A (ja) * 2013-08-07 2015-02-16 アイシン精機株式会社 複合成形品
CN109226755A (zh) * 2018-10-16 2019-01-18 江苏大学 提高增材构件沉积层间结合强度的增材制造装置和方法
CN110369725A (zh) * 2019-08-02 2019-10-25 上海工程技术大学 基于激光增减材复合制造精细工件的近净成形方法及装置
CN111593382A (zh) * 2020-06-01 2020-08-28 南京航空航天大学 一种亚毫米-微米-纳米跨尺度三维图案化超浸润表面电化学加工方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015030260A (ja) * 2013-08-07 2015-02-16 アイシン精機株式会社 複合成形品
CN109226755A (zh) * 2018-10-16 2019-01-18 江苏大学 提高增材构件沉积层间结合强度的增材制造装置和方法
CN110369725A (zh) * 2019-08-02 2019-10-25 上海工程技术大学 基于激光增减材复合制造精细工件的近净成形方法及装置
CN111593382A (zh) * 2020-06-01 2020-08-28 南京航空航天大学 一种亚毫米-微米-纳米跨尺度三维图案化超浸润表面电化学加工方法

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