CN114833352B - 用于梯度功能金属零件的同步送丝送粉激光增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造相关技术领域，其公开了用于梯度功能金属零件的同步送丝送粉激光增材制造方法，包括如下步骤：1)根据金属零件的形状尺寸及综合性能需求，划分中心部分与壳体部分，确定两部分的激光增材制造方式及具体路径；2)结合金属零件表面与内部力学性能需求，确定合适的粉末材料成分与配比、丝材种类与直径；3)综合考虑加工效率与成形质量，调整送丝激光增材制造工艺参数；4)根据使用工况及壳体部分的成形质量需求，调整送粉激光增材制造工艺参数；5)按设定路径同步进行送粉与送丝激光增材制造，直至完成梯度功能金属零件的制造。本发明能够实现梯度功能金属零件的高效率制造，并满足精度与性能需求。

Description

用于梯度功能金属零件的同步送丝送粉激光增材制造方法

技术领域

本发明涉及激光增材制造领域，具体涉及用于梯度功能金属零件的同步送丝送粉激光增材制造方法。

背景技术

梯度功能金属零件是一种内部的合金成分、组织结构等沿设定方向连续或准连续地变化，使得其性能呈现梯度变化的新型复合零件。由于能够缓和热物理性质差异导致的热应力，梯度功能金属零件可以应用于复杂的工况环境，提高零部件的寿命。然而，目前梯度功能零件的制造方法存在工序复杂、加工周期长、零件形状结构设计受限、材料选取受限、生产成本高等问题，限制了梯度功能金属零件的工业化生产与应用。

激光金属增材制造技术使用激光束作为能量源，熔化金属材料并使其逐层堆积，最终完成金属零件的制造。该技术具有灵活、便捷等优势，使其在梯度功能金属零件的制造方面表现出很好的适用潜力。填料式激光增材制造技术一般可以分为送粉激光增材制造和送丝激光增材制造。送粉激光增材制造技术，通过将粉末吹送入激光熔池中进行熔化堆积成形，实现零件的高精度制造，并且可调整粉末材料的成分与配比，进而达到调控零件性能的目的，但存在材料利用率及生产效率低等缺点。而送丝激光增材制造技术与送粉激光增材制造技术不同，该技术采用向熔池中添加金属丝材的方式，具有沉积效率高、零件内部成分均匀的优势。在送丝激光增材制造中，零件的组分及成形精度主要由丝材决定，难以获得高精度、高性能零件。因此，亟需研发一种高效率、高精度梯度功能金属零件的激光增材制造方法。

发明内容

本发明的目的是为解决上述问题，提供了用于梯度功能金属零件的同步送丝送粉激光增材制造方法，将金属零件划分为中心部分与壳体部分，充分利用送丝激光增材制造技术的高沉积效率特性，快速完成所述中心部分大尺寸范围的制造，且通过激光增材制造方式与具体路径规划满足中心部分力学性能的设计要求；使用送粉激光增材制造技术在所述中心部分的外层完成所述壳体部分的制造，通过调整粉末成分与配比，满足所述壳体部分的个性化需求，最终实现金属零件整体高效率高精度成形。

本发明通过下述技术方案实现：

用于梯度功能金属零件的同步送丝送粉激光增材制造方法，能够获得中心部分与壳体部分之间具有梯度功能特征的金属零件，使用送丝激光增材制造技术高效地完成金属零件中心部分的制造，使用送粉激光增材制造技术在所述中心部分外层完成金属零件壳体部分的制造，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)根据金属零件的形状尺寸及综合性能需求，划分中心部分与壳体部分，确定两部分的激光增材制造方式及具体路径；

2)结合金属零件表面与内部力学性能需求，确定合适的粉末材料成分与配比、丝材种类与直径；

3)综合考虑加工效率与成形质量，调整送丝激光增材制造工艺参数；

4)根据使用工况及壳体部分的成形质量需求，调整送粉激光增材制造工艺参数；

5)按设定路径同步进行送粉与送丝激光增材制造，直至完成梯度功能金属零件的制造。

进一步的，根据金属零件所划分的中心部分与壳体部分，壳体部分均采用送粉激光增材制造方式，具体路径为环形路径；中心部分根据力学性能需求，采用送丝激光增材制造方式或送丝激光增材制造与送粉激光增材制造相结合的方式，并进行具体路径规划。

进一步的，所述中心部分，根据所选择的不同激光增材制造工艺，送丝激光增材制造过程可采用的路径包括横向扫描路径、回旋扫描路径、四边形中空结构扫描路径；送丝激光增材制造与送粉激光增材制造相结合的方式采用大间距丝材沉积路径。

进一步的，所述中心部分与所述壳体部分在增材制造过程中每一层厚度保持一致。

进一步的，粉末可以采用316L不锈钢、Ti-6Al-4V、42CrMo钢、镍包碳化钨、二氧化铈、Fe-36Ni，粒径范围为14～61μm；丝材可以采用316L不锈钢、Ti-6Al-4V、42CrMo钢丝材，直径为0.8～3mm。

进一步的，保护气体为浓度99.99％的高纯氩气，具体操作为，首先打开中心部分的保护气体喷嘴，采用电磁预热器给丝材预热，然后通过激光束向基材输送能量形成熔池，待熔池稳定后向将材料加入到熔池中，最后逐层同步实现中心部分与壳体部分的激光增材制造过程，获得梯度功能的金属零件。

本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具有以下有益效果：

1、本发明提供的用于梯度功能金属零件的同步送丝送粉激光增材制造方法，采用送丝激光增材制造与送粉激光增材制造相结合的方式同步进行零件制造，充分利用送丝激光增材制造高沉积效率与送粉激光增材制造高精度的特点，在保证梯度功能金属零件尺寸精度的前提下提高生产效率。

2、本发明提供的用于梯度功能金属零件的同步送丝送粉激光增材制造方法，使金属零件的壳体部分与中心部分形成良好冶金结合，零件性能从表面到内部呈梯度变化，能够有效实现零件梯度功能的需求，316L不锈钢、Ti-6Al-4V、42CrMo钢等材料均可通过本方法获得梯度功能的金属零件，具有广泛的适用性。

3、本发明提供的用于梯度功能金属零件的同步送丝送粉激光增材制造方法，调整送粉激光增材制造使用的粉末材料成分与配比，能够满足金属零件不同的表面性能需求；通过选取不同的激光增材制造方式与具体路径，能够满足所述中心部分的不同性能需求，从而更加灵活地完成梯度功能金属零件的制造过程。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的用于梯度功能金属零件的同步送丝送粉激光增材制造方法示意图；

图2为本发明的中心部分送丝激光增材制造回旋扫描路径的二维示意图；

图3为本发明的中心部分送丝激光增材制造横向扫描路径的二维示意图；

图4为本发明的中心部分送丝激光增材制造四边形中空结构扫描路径的二维示意图；

图5为本发明的大间距丝材沉积路径的同步送丝送粉激光增材制造方式下梯度功能金属零件的制造过程示意图；

图6为本发明的中心部分送丝激光增材制造与送粉激光增材制造相结合的大间距丝材沉积路径的二维示意图；

图中：1-中心部分，2-壳体部分，3-中心部分送丝增材制造激光头，4-送丝枪嘴，5-丝材电磁预热器，6-中心部分保护气嘴，7-壳体部分送粉增材制造激光头，8-壳体部分粉末喷嘴，101-回旋扫描路径，102-横向扫描路径，103-四边形中空结构扫描路径，104-中心部分送粉增材制造激光头，105-中心部分粉末喷嘴，106-中心部分粉末填充层，107-大间距丝材沉积路径，108-粉末填充路径。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本发明的示意性实施方式仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。以下结合附图使用几个具体实施例来对本发明进行进一步的详细说明。

用于梯度功能金属零件的同步送丝送粉激光增材制造方法，根据金属零件的形状尺寸及综合性能需求，将金属零件划分为中心部分1与壳体部分2。

下述的实施例中，金属零件选取42CrMo钢作为主要材料。金属零件形状均为长方体，所述中心部分1为上表面边长较零件小6mm的长方体，所述壳体部分2为整体尺寸与零件相同，壁厚为3mm的腔体，如图1所示。针对梯度功能金属零件的材料成分、性能及使用工况需求，制造所述中心部分1所使用到的丝材选取42CrMo钢丝材，直径为0.8mm；针对梯度功能金属零件的工况，需要提高42CrMo钢金属零件表面的耐磨性及硬度，制造所述壳体部分2的送粉激光增材制造所用到的粉末材料主要为42CrMo钢粉末、镍包碳化钨粉末与二氧化铈粉末。

实施例1

本实施例中，针对梯度功能42CrMo钢金属零件的表面耐磨性好、尺寸精度高、制造效率高的需求，所述中心部分1的激光增材制造方式采用回旋扫描路径101送丝激光增材制造，如图2所示，制造的中心部分1各个方向的性能基本一致，内部组分及结构均匀，沉积效率较高；其中，所述丝材电磁预热器5为42CrMo钢丝材预热，提高熔化效率；按照所述回旋扫描路径101制造所述中心部分1时，在所述中心部分1外表面同步送粉激光增材制造所述壳体部分2，最终实现梯度功能42CrMo钢金属零件的制造；

其中，所述中心部分送丝增材制造激光头3输出激光束，向熔池提供能量，所述送丝枪嘴4向熔池添加42CrMo钢丝材，所述中心部分保护气嘴6吹送保护气体，保护熔池熔融金属被氧化，所述中心部分送丝增材制造激光头3、所述送丝枪嘴4、所述丝材电磁预热器5和所述中心部分保护气嘴6四部分位置保持相对静止，以所述中心部分送丝增材制造激光头3的光斑中心为路径移动基点，四部分整体沿设定的回旋扫描路径101移动，完成所述中心部分1的制造；制造所述壳体部分2时，所述壳体部分送粉增材制造激光头7输出激光束提供能量，加热所述中心部分1的外表面并形成熔池，所述壳体部分粉末喷嘴8通过吹送保护气，向熔池吹送粉末材料进行堆积并保护熔融金属被氧化，所述壳体部分送粉增材制造激光头7和所述壳体部分粉末喷嘴8逐层以环形扫描路径在所述中心部分1的外表面完成所述壳体部分2的制造；

其中，所述中心部分1具体选取的送丝激光增材制造工艺参数为：激光功率选取1000W，激光扫描速度选取1.5m/min，保护气体选取浓度99.99％的高纯氩气，保护气体流速为2L/min，送丝速度选取2m/min，电磁加热功率选取500W；所述壳体部分2具体选取的送粉激光增材制造工艺参数为：激光功率选取500W，激光扫描速度选取0.5m/min，吹送气体选取浓度99.99％的高纯氩气，吹送气体流速为6L/min，粉末流量选取8g/min。

实施例2

本实施例的基本操作步骤同实施例1一致，其区别在于，针对梯度功能42CrMo钢金属零件的表面耐磨性好、尺寸精度高、制造效率高且各方向力学性能要求存在差异性需求，所述中心部分1的激光增材制造方式采用横向扫描路径102的送丝激光增材制造，能够满足所述中心部分1的横向与纵向性能差异性的需求，如图3所示；按照所述横向扫描路径102制造所述中心部分1的同时，在中心部分1外表面同步进行送粉激光增材制造，完成所述壳体部分2的制造，最终实现梯度功能42CrMo钢金属零件的增材制造；

其中，所述中心部分1具体选取的送丝激光增材制造工艺参数为：激光功率选取900W，激光扫描速度选取1.5m/min，保护气体选取浓度99.99％的高纯氩气，保护气体流速为2L/min，送丝速度选取1.8m/min，电磁加热功率选取300W；所述壳体部分2具体选取的送粉激光增材制造工艺参数同实施例1保持一致。

实施例3

本实施例的基本操作步骤同实施例1一致，其区别在于，针对梯度功能42CrMo钢金属零件的表面耐磨性好、尺寸精度高、制造效率高且需要实现轻量化的制造需求，所述中心部分1的激光增材制造方式采用四边形中空结构扫描路径103送丝激光增材制造，能够在保证所述中心部分1力学性能的前提下，尽可能地减少所述中心部分1的自重，如图4所示；所述四边形中空结构扫描路径103送丝激光增材制造过程中，首先制造的是所述中心部分1的外层四边熔覆层，随后降低激光功率，此时激光能量主要用于在已成形熔覆层上形成浅长熔池，提高所述丝材电磁预热器5的功率，42CrMo钢丝材主要由所述丝材电磁预热器5加热并进入熔池中，避免所述中心部分1内部中空结构成形过程中由于激光能量过高导致塌陷；按照所述四边形中空结构路径103送丝激光增材制造所述中心部分1的同时，在中心部分1外表面同步进行送粉激光增材制造，完成所述壳体部分2的制造，最终实现梯度功能42CrMo钢金属零件的增材制造；

其中，所述中心部分1具体选取的送丝激光增材制造工艺参数为：激光功率选取500～1000W，激光扫描速度选取1.5m/min，保护气体选取浓度99.99％的高纯氩气，保护气体流速为2L/min，送丝速度选取1m/min，电磁加热功率选取300～800W；所述壳体部分2具体选取的送粉激光增材制造工艺参数同实施例1保持一致。

实施例4

本实施例的基本操作步骤同实施例1一致，其区别在于，针对梯度功能42CrMo钢金属零件的表面耐磨性好、尺寸精度高且运用工况复杂的制造需求，所述中心部分1的激光增材制造方式采用所述大间距丝材沉积路径107的送丝激光增材制造与送粉激光增材制造相结合的方式，在进行送丝激光增材制造的同时，同步使用中心部分送粉增材制造激光头104与中心部分粉末喷嘴105，完成中心部分粉末填充层106的制造，所述中心部分粉末填充层106为本实施所述中心部分1中的一部分，如图5和图6所示；

其中，在送丝激光增材制造时，所述中心部分送丝增材制造激光头3、所述送丝枪嘴4、所述丝材电磁预热器5、所述中心部分保护气嘴6按所述大间距粉末沉积路径107完成带间隙的多道熔覆层的制造，所述中心部分送粉增材制造激光头104与所述中心部分粉末喷嘴105按粉末填充路径108在所述中心部分1的多道熔覆层间隙中完成中心部分粉末填充层106的制造，所述中心部分粉末喷嘴105通过吹送保护气，向熔池吹送粉末材料进行堆积并保护熔融金属被氧化，所述中心部分粉末喷嘴105的粉末材料主要为Fe-36Ni合金粉末，制造出的所述中心部分粉末填充层106能够使所述中心部分1具有改善热变形的性能；所述丝材电磁预热器5为42CrMo钢丝材提供能量，提高熔化效率；所述中心部分送丝增材制造激光头3输出激光，提供能量加热，并在所述中心部分1上形成浅长熔池，所述送丝枪嘴4将42CrMo钢丝材送入浅长熔池中；同时，在所述中心部分1外表面同步进行送粉激光增材制造，完成所述壳体部分2的制造，最终实现梯度功能42CrMo钢金属零件的增材制造；

其中，所述中心部分1具体选取的送丝激光增材制造工艺参数为：激光功率选取800W，激光扫描速度选取1.5m/min，保护气体选取浓度99.99％的高纯氩气，保护气体流速为2L/min，送丝速度选取2m/min，电磁加热功率选取800W；所述中心部分粉末填充层106送粉激光增材制造工艺参数为：激光功率选取500W，激光扫描速度选取0.5m/min，吹送气体选取浓度99.99％的高纯氩气，吹送气体流速为6L/min，粉末流量选取7g/min；所述壳体部分2具体选取的送粉激光增材制造工艺参数同实施例1保持一致。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用以限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.用于梯度功能金属零件的同步送丝送粉激光增材制造方法，能够获得中心部分与壳体部分之间具有梯度功能特征的金属零件，使用送丝激光增材制造技术高效地完成金属零件中心部分的制造，使用送粉激光增材制造技术在所述中心部分外层完成金属零件壳体部分的制造，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）根据金属零件的形状尺寸及综合性能需求，划分中心部分与壳体部分，确定两部分的激光增材制造方式及具体路径；

2）结合金属零件表面与内部力学性能需求，确定合适的粉末材料成分与配比、丝材种类与直径；

3）综合考虑加工效率与成形质量，调整送丝激光增材制造工艺参数；

4）根据使用工况及壳体部分的成形质量需求，调整送粉激光增材制造工艺参数；

5）按设定路径同步进行送粉与送丝激光增材制造，直至完成梯度功能金属零件的制造；

根据金属零件所划分的中心部分与壳体部分，壳体部分均采用送粉激光增材制造方式，具体路径为环形路径；中心部分根据力学性能需求，采用送丝激光增材制造方式或送丝激光增材制造与送粉激光增材制造相结合的方式，并进行具体路径规划；所述中心部分，根据所选择的不同激光增材制造工艺，送丝激光增材制造过程可采用的路径包括横向扫描路径、回旋扫描路径、四边形中空结构扫描路径；送丝激光增材制造与送粉激光增材制造相结合的方式采用大间距丝材沉积路径；所述中心部分与所述壳体部分在增材制造过程中每一层厚度保持一致。

2.根据权利要求1所述的用于梯度功能金属零件的同步送丝送粉激光增材制造方法，其特征在于，粉末可以采用316L不锈钢、Ti-6Al-4V、42CrMo钢、镍包碳化钨、二氧化铈、Fe-36Ni，粒径范围为14～61μm；丝材可以采用316L不锈钢、Ti-6Al-4V、42CrMo钢丝材，直径为0.8～3mm。

3.根据权利要求1所述的用于梯度功能金属零件的同步送丝送粉激光增材制造方法，其特征在于，保护气体为浓度99.99％的高纯氩气，具体操作为，首先打开中心部分的保护气体喷嘴，采用电磁预热器给丝材预热，然后通过激光束向基材输送能量形成熔池，待熔池稳定后向将材料加入到熔池中，最后逐层同步实现中心部分与壳体部分的激光增材制造过程，获得梯度功能的金属零件。

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