CN113996806A - 一种30CrMnSi壳体零件激光选区熔化成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光选区熔化增材制造技术领域，涉及一种30CrMnSi壳体零件激光选区熔化成形方法。本发明采用激光选区熔化方法成形壳体、舱体、油箱等30CrMnSi壳体零件，步骤包括：粉末制备、数据处理、激光选区熔化成形、去支撑和热处理。本发明遴选的30CrMnSi合金粉末的元素质量分数组成为：C为0.28～0.34％，Mn为0.8％～1.1％，Si为0.9％～1.2％，S为0～0.015％，P为0～0.025％，Cr为0.8～1.2％，Ni为1.4～1.6％，Cu为0～0.25％，粉末流动性22s/50g，粉末粒度15～53μm。通过控制工艺参数与工艺流程，本发明制备的30CrMnSi壳体零件实现壳体无裂纹，致密度达99.99％，抗拉强度达1863MPa，硬度达500HV，上表面粗糙度Ra4～6，下表面粗糙度Ra13～15，垂直侧面粗糙度Ra5～7。

Description

一种30CrMnSi壳体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－激光选区熔化制造技术领域，尤其涉及一种30CrMnSi壳体零件激光选区熔化成形方法。
背景技术
30CrMnSi合金钢作为一种高强度中碳合金钢，具有较大的抗拉强度和屈服点，在航空航天和军工领域中应用广泛。但是采用传统焊接工艺加工的30CrMnSi合金钢焊接性能较差，易出现裂纹，难以加工甚至无法加工的壳体零件，而且具有生产周期长、加工成本高的缺点。
激光选区熔化(SLM)技术作为一种重要的绿色增材制造方法，其成形精度高、力学性能好、无需工模具、粉末利用率达95％以上、数字化加工；可以高效、高质量地加工出传统方式。在现有专利文献中，中国专利CN2021110417054.8公开了一种30CrMnSi合金钢的加工方法，但该方法制造的30CrMnSi合金钢致密度为86.42％，硬度为39.12HRC，难以满足航空航天工作环境下的性能要求。
发明内容
本发明的目的是：提出一种30CrMnSi壳体零件激光选区熔化成形方法，通过改进30CrMnSi合金钢的成分配比、激光选区熔化成形的工艺参数等方式，实现制造高致密度、高硬度、高抗拉强度的30CrMnSi合金钢壳体零件，同时针对零件的不同成型部位优化工艺参数，实现节省生产周期及成本。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种30CrMnSi壳体零件激光选区熔化成形方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、制备30CrMnSi合金钢粉末，制备得到的粉末用筛网进行筛分，筛分后在真空干燥箱中烘干，将粉末添加到激光选区熔化设备粉料缸中；
步骤二、数据处理，三维建模生成壳体零件的模型，对壳体零件模型进行分层、切片处理，在打印软件中设置激光参数与打印参数；
步骤三、将步骤二的零件模型、激光参数、打印参数导入激光选区熔化成形设备，通过激光选区熔化工艺逐层铺粉打印成形壳体零件；
步骤四、将成形的零件从基板上分离，去除多余粉末，去除支撑；
步骤五、对零件进行热处理去应力退火。
优选地，制备所述30CrMnSi合金钢粉末的方法为气雾化法。
优选地，制备所述30CrMnSi合金钢粉末的元素质量分数组成为：C为0.28～0.34％，Mn为0.8％～1.1％，Si为0.9％～1.2％，S为0～0.015％，P为0～0.025％，Cr为0.8～1.2％，Ni为1.4～1.6％，Cu为0～0.25％，余量为Fe。
优选地，制备所述30CrMnSi合金钢粉末的流动性22s/50g，粉末粒度15～53μm。
优选地，步骤三中设置的激光参数为：对于零件表面与基板面夹角＞45°的外表面位置，激光功率为200～250W、扫描速度为250～400mm/s，扫描厚度0.10mm～0.30mm；对于零件表面与基板面夹角＜45°的外表面位置，激光功率为100～250W、扫描速度为350～500mm/s，扫描厚度0.10mm～0.30mm；对于零件的内表面位置，激光功率为200～250W、扫描速度为200～350mm/s，扫描厚度0.10mm～0.30mm；对于零件与基板面、支撑接触面位置，激光功率为100～200W、扫描速度为2000～3000mm/s，扫描厚度0.10mm～0.30mm；对于零件的其他部位，激光功率为200～600W、扫描速度为500～700mm/s；对于支撑，激光功率为220～250W、扫描速度为1600～1800mm/s。
优选地，步骤三中设置的打印参数为：铺粉层厚0.06mm，搭接率0.1，填充类型为短直线，填充角度67°。
优选地，步骤四中粉末去除方法为使用高压气枪与超声振动平台去除壳体表面金属粉末，使用高压气枪去除壳体内部残留的金属粉末，高压气枪使用压缩空气，气压为0.6Mpa～0.8Mpa。
优选地，步骤五中热处理工艺为：热处理温度为900℃，保温时间为2h，保温后空气冷却。
本发明提供了一种30CrMnSi壳体零件激光选区熔化成形方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
利用本发明遴选的30CrMnSi合金材料，采用激光选区熔化方法，成形的30CrMnSi壳体结构无裂纹，致密度99.99％，抗拉强度1863MPa，硬度500HV，上表面粗糙度Ra4～6，下表面粗糙度Ra13～15，垂直侧面粗糙度Ra5～7，同时可极大节省生产周期及成本。
附图说明
图1为本发明实施例所使用的工艺流程图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。下面结合具体实施例描述本发明的30CrMnSi壳体零件激光选区熔化成形方法。
实施例
本发明采用激光选区熔化成形方法制造30CrMnSi壳体零件的一种实施例。本实施例所述的30CrMnSi发动机油泵壳体激光选区熔化成形方法为：
步骤一、原料准备，材料选用30CrMnSi合金钢粉末，粉末的元素质量分数组成为：C为0.29％，Mn为0.99％，Si为1.02％，P为0.015％，Cr为0.86％，Ni为1.40％，余量Fe，采用气雾化方式制粉，粉末流动性22s/50g，粒径分布为15～53um，以此减少内部裂纹、气孔等缺陷，提高零件致密度；金属粉末使用前先将200目筛网筛分，筛分后在真空干燥箱中烘干4小时后，去除粉末水分，将粉末添加到激光选区熔化设备粉料缸中。
步骤二、数据处理，三维建模生成壳体零件的模型，对壳体零件模型进行分层、切片处理，在打印软件中分别对零件和支撑进行参数设置，其中：对于壳体表面与基板面夹角＞45°的外表面，激光功率为250W、扫描速度为350mm/s，扫描厚度0.20mm；对于壳体表面与基板面夹角＜45°的外表面，激光功率为150W、扫描速度为400mm/s，扫描厚度0.20mm；对于壳体的内表面，激光功率为210、扫描速度为325mm/s，扫描厚度0.20mm；对于壳体与基板面、支撑相接触的面，激光功率为150W、扫描速度为2500mm/s，扫描厚度0.20mm；对于零件的其他部位，激光功率为350W、扫描速度为570mm/s；对于支撑，激光功率为220W、扫描速度为1700mm/s，扫描厚度0.20mm。铺粉层厚0.06mm，搭接率0.1，填充类型为短直线，填充角度67°，通过上述参数设置，防止零件表层产生应力集中开裂。零件和支撑参数设置后得到可打印的数据文件。
步骤三、将步骤二得到的数据导入激光选区熔化成形设备，调平基板后建造打印条件，等待条件满足后启动设备进行打印，完成零件的制造。
步骤四、先将基板及零件表面浮粉去除，先采用0.6Mpa～0.8Mpa的压缩空气配合超声振动平台对成形叶轮表面进行吹除，在去除粉末的同时防止零件表面结构开裂。然后采用高压气枪对壳体零件内部的残留金属粉末进行彻底清除。线切割零件分离，去除支撑。
步骤五、进行热处理，热处理参数如下：在高真空度条件下，升温至900℃保温2小时，空冷，完成去应力退火。
本发明使用激光选区熔化方法成功制备30CrMnSi壳体零件，对零件进行射线检测构件整体均无可见宏观气孔、未熔合、裂纹等质量缺陷，对随炉试样进行微纳CT检测，致密度达到99.99％。经力学性能测试，抗拉强度1863MPa，硬度500HV，上表面粗糙度Ra4～6，下表面粗糙度Ra13～15，垂直侧面粗糙度Ra5～7。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种30CrMnSi壳体零件激光选区熔化成形方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：制备30CrMnSi合金钢粉末，制备得到的粉末用筛网进行筛分，筛分后在真空干燥箱中烘干，将粉末添加到激光选区熔化设备粉料缸中；
S2：数据处理，三维建模生成壳体零件的模型，对壳体零件模型进行分层、切片处理，在打印软件中设置激光参数与打印参数；
S3：将S2的零件模型、激光参数、打印参数导入激光选区熔化成形设备，通过激光选区熔化工艺逐层铺粉打印成形壳体零件；
S4：将成形的零件从基板上分离，去除多余粉末，去除支撑；
S5：对零件进行热处理去应力退火。
2.根据权利要求1所述的30CrMnSi壳体零件激光选区熔化成形方法，其特征在于：制备所述30CrMnSi合金钢粉末的方法为气雾化法。
3.根据权利要求1所述的30CrMnSi壳体零件激光选区熔化成形方法，其特征在于：所述30CrMnSi合金钢粉末的元素质量分数组成为：C为0.28～0.34％，Mn为0.8％～1.1％，Si为0.9％～1.2％，S为0～0.015％，P为0～0.025％，Cr为0.8～1.2％，Ni为1.4～1.6％，Cu为0～0.25％，余量为Fe。
4.根据权利要求1所述的30CrMnSi壳体零件激光选区熔化成形方法，其特征在于：所述30CrMnSi合金钢粉末流动性22s/50g，粉末粒度15～53μm。
5.根据权利要求1所述的30CrMnSi壳体零件激光选区熔化成形方法，其特征在于：在S3中所述的激光参数为：对于零件表面与基板面夹角＞45°的外表面位置，激光功率为200～250W、扫描速度为250～400mm/s，扫描厚度0.10mm～0.30mm；对于零件表面与基板面夹角＜45°的外表面位置，激光功率为100～250W、扫描速度为350～500mm/s，扫描厚度0.10mm～0.30mm；对于零件的内表面位置，激光功率为200～250W、扫描速度为200～350mm/s，扫描厚度0.10mm～0.30mm；对于零件与基板面、支撑接触面位置，激光功率为100～200W、扫描速度为2000～3000mm/s，扫描厚度0.10mm～0.30mm；对于零件的其他部位，激光功率为200～600W、扫描速度为500～700mm/s；对于支撑，激光功率为220～250W、扫描速度为1600～1800mm/s。
6.根据权利要求1所述的30CrMnSi壳体零件激光选区熔化成形方法，其特征在于：在S3中所述的打印参数为：铺粉层厚0.06mm，搭接率0.1，填充类型为短直线，填充角度67°。
7.根据权利要求1所述的30CrMnSi壳体零件激光选区熔化成形方法，其特征在于：在S4中粉末去除方法为使用高压气枪与超声振动平台去除壳体表面金属粉末，使用高压气枪去除壳体内部残留的金属粉末，高压气枪使用压缩空气，气压为0.6Mpa～0.8Mpa。
8.根据权利要求1所述的30CrMnSi壳体零件激光选区熔化成形方法，其特征在于：在S5中所述的热处理工艺为：热处理温度为900℃，保温时间为2h，保温后空气冷却。
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