CN114833354B - 一种激光增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供的激光增材制造方法，于惰性环境中，将基板加热至500‑900℃，所述基板为铜或铜合金，保持惰性环境，采用蓝光激光光束熔化所述基板以及铜或铜合金粉末，以实现部件的增材制造，相比现有双光束增材制造技术，仅采用单蓝光，无需双激光器和光学结构复杂的复合熔覆头，设备更为简单，成本低，此外设备中不涉及红外激光，避免铜对红外光束高反率导致的光学器件损伤、人员安全威胁等问题；同时，通过蓝光激光，辅以铜基板加热降低了温度梯度，提高激光吸收率，激光能量利用率高，打印过程中熔化和冶金反应充分，熔合质量好，增材制造构件致密度好。
Description
技术领域
本申请涉及激光加工技术领域，特别涉及一种激光增材制造方法。
背景技术
金属激光增材制造技术是一种新型成形技术，通过逐层堆积成形实现零部件的制造，具有流程短、材料利用率高、可成形复杂结构等优点。铜合金具有优良的导热、导电性能，广泛使用于电力电子、电动汽车、仪器仪表等领域。通过增材制造技术制造铜材料的零部件，可以克服传统加工技术的不足，拓宽产品结构设计空间，实现复杂结构的快速制造，采用增材制造技术制造铜材料的零部件具有非常广阔的应用前景。目前，针对铜及铜合金的增材制造，可见报道有通过激光选区熔化(SLM)、电弧-激光送丝复合增材、红外-蓝光双光束增材制造等方法来进行。其中激光选区熔化目前打印效率低，成本高；电弧-激光送丝复合虽然能提高效率，但成形精度差，热量输入大，残余应力大；红外-蓝光双光束复合熔覆具有良好的成形质量，但工艺较复杂，需要双波长复合熔覆头，对设备要求高，设备成本相对较高。因此，需要开发新的铜合金高质量增材制造成形方法。
发明内容
鉴于此，有必要针对现有技术中存在缺陷提供一种解决铜或铜合金对于目前常见的红外激光反射率高，加之自身过高的热导率，难以实现高质量增材制造成形的问题的激光增材制造方法。
为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：
本申请提供了一种激光增材制造方法，包括下述步骤：
于惰性环境中，将基板加热至500-900℃，所述基板为铜或铜合金；
保持惰性环境，采用蓝光激光光束熔化所述基板以及铜或铜合金粉末，以实现部件的增材制造。
在其中一些实施例中，在将基板加热至500-900℃的步骤中，具体包括下述步骤：采用蓝光激光光束在离焦状态下对所述基板加热至500-900℃。
在其中一些实施例中，在将基板加热至500-900℃的步骤中，具体包括下述步骤：通过感应加热或电阻加热将所述基板加热至500-900℃。
在其中一些实施例中，所述基板加热温度为600-800℃。
在其中一些实施例中，在采用蓝光激光光束熔化所述基板以及铜或铜合金粉末，以实现部件的增材制造的步骤中，具体包括下述步骤：
同步送入铜或铜合金粉末，采用蓝光激光光束按照预定的扫描路径进行扫描，熔化所述基板以及所述铜或铜合金粉末，通过逐层逐道熔化沉积实现部件的增材制造。
在其中一些实施例中，所述蓝光激光光束的波长为450nm±10nm。
在其中一些实施例中，所述蓝光激光光束由蓝光激光器通过光纤输出或由半导体激光器直接输出。
在其中一些实施例中，所述蓝光激光光束的波长为450nm±10nm，所述蓝光激光光束形成的蓝光激光光斑为方形，边长0.8～1.6mm。
所述蓝光激光光束形成的蓝光激光光斑为方形，边长0.8～1.6mm。
在其中一些实施例中，所述基板厚度≤30mm，基板体积≤30*100*100mm3。
在其中一些实施例中，所述铜或铜合金粉末尺寸为50～150um，送粉量5～15g/min，扫描速度10～30mm/s，搭接率为40～60％，Z轴抬升量为0.4～0.6mm。
在其中一些实施例中，还包括下述步骤：
实时检测所述基板和工件温度，当所述基板和工件温度低于设定值时，继续对所述基板和所述工件加热至设定温度。
本申请采用上述技术方案，其有益效果如下：
本申请提供的激光增材制造方法，于惰性环境中，将基板加热至500-900℃，所述基板为铜或铜合金，保持惰性环境，采用蓝光激光光束熔化所述基板以及铜或铜合金粉末，以实现部件的增材制造，相比现有双光束增材制造技术，仅采用单蓝光，无需双激光器和光学结构复杂的复合熔覆头，设备更为简单，成本低，此外设备中不涉及红外激光，避免铜对红外光束高反率导致的光学器件损伤、人员安全威胁等问题；同时，通过蓝光激光，辅以铜基板加热降低了温度梯度，提高激光吸收率，激光能量利用率高，打印过程中熔化和冶金反应充分，熔合质量好，增材制造构件致密度好。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请提供的激光增材制造方法的步骤流程图。
图2为本申请提供的激光增材制造方法的结构示意图。
图3为本申请提供的密封舱惰性气体氛围打印示意图。
图4为本申请提供的局部惰性气体保护打印示意图。
图5为本申请实施例制备得到的铜合金样品示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。
请参阅图1，为本实施例提供的一种激光增材制造方法的步骤流程图：包括下述步骤S10至S30，以下详细说明各个步骤的实现方案。
步骤S10：于惰性环境中，将基板加热至500-900℃，所述基板为铜或铜合金。
在其中一些实施例中，在将基板加热至500-900℃的步骤中，具体包括下述步骤：采用蓝光激光光束在离焦状态下对所述基板加热至500-900℃。
请参阅图2，为本实施例提供的通过蓝光离焦实现基板加热示意图。
可以理解，直接采用蓝光光束对基板进行加热，蓝光激光在离焦状态下对基板进行加热，离焦可增加基板的加热面积和降低激光作用区域基板损伤，另外，由于铜对于蓝光吸收率高，可以较快实现加热，而铜基板自身高的热传导速率，可以较好的实现整体温度的均匀化。
在其中一些实施例中，在将基板加热至500-900℃的步骤中，具体包括下述步骤：通过感应加热或电阻加热将所述基板加热至500-900℃。
可以理解，将基板加热至500-900℃(红热状态)的目的在于：高温的铜板降低了温度梯度，避免了常温条件下铜高热传导率导致热量散失过快的问题，降低了铜基板表面熔池形成难度；而且，提高基板温度还能进一步提高蓝光激光吸收率，因此，使得蓝光激光更容易在基板上形成稳定的熔池。
在其中一些实施例中，所述基板加热温度为600-800℃。
可以理解，加热温度过低，不利于基板和粉末熔化，可能造成未熔合，降低打印质量。而加热温度过高，一方面耗费大量能源，另一方面，会导致基板晶粒粗化，而后续打印过程中，由于打印部件晶粒是在基板晶粒上外延生长的，基板晶粒尺寸粗化势必影响打印工件的晶粒尺寸，降低打印工件的性能。
步骤S20：保持惰性环境，采用蓝光激光光束熔化所述基板以及铜或铜合金粉末，以实现部件的增材制造。
在其中一些实施例中，在采用蓝光激光光束熔化所述基板以及铜或铜合金粉末，以实现部件的增材制造的步骤中，具体包括下述步骤：
同步送入铜或铜合金粉末，采用蓝光激光光束按照预定的扫描路径进行扫描，熔化所述基板以及所述铜或铜合金粉末，通过逐层逐道熔化沉积实现部件的增材制造。
可以理解，稳定的熔池对铜粉末熔化也更充分，从而获得良好的熔化沉积效果；且整个加热和打印过程均在惰性气体保护环境下进行，避免产生过多的氧化。
请参阅图3及图4，分别表示为惰性环境的示意图，上述惰性环境可以在封闭的惰性气体保护环境中进行，从而减少打印过程中的氧化；也可以在熔池局部保护气氛下进行。
在其中一些实施例中，所述蓝光激光光束由蓝光激光器通过光纤输出或由半导体激光器直接输出。
在其中一些实施例中，所述蓝光激光光束的波长为450nm±10nm，所述蓝光激光光束形成的蓝光激光光斑为方形，边长0.8～1.6mm，蓝光激光功率800～1000W。
在其中一些实施例中，所述基板厚度≤30mm，基板体积≤30*100*100mm3。
可以理解，基板厚度太大或者体积太大，都会造成热量耗散过快，基板加热和熔化困难，在本发明采用的激光器的激光功率和功率密度条件下，影响打印效果或者根本无法打印。
在其中一些实施例中，采用的铜或铜合金粉末尺寸50～150um，送粉量5～15g/min，扫描速度10～30mm/s，搭接率为40～60％，Z轴抬升量为0.4～0.6mm。
可以理解，合适的粉末尺寸和送粉量，配合扫描速度、搭接率等参数设置，可以保证充分熔合，降低孔洞缺陷率，提高打印质量。Z轴抬升量则是在单层打印厚度的基础上，通过试验测试和优化得到的参数，可以保证在打印的过程中工作距离固定在合适范围内，使得增高方向能持续正常进行，避免产生严重离焦问题导致打印过程中断。
本实施例提供的激光增材制造方法，还包括下述步骤：
步骤S30：实时检测所述基板和工件温度，当所述基板和工件温度低于设定值时，继续对所述基板和所述工件加热至设定温度。
可以理解，在打印过程中，随着激光热量的不断输入，当打印尺寸较小时，基板和前序层道能够保持较为稳定的温度分布，从而保证了后续层道的正常堆积和良好熔合。当打印尺寸较大时，由于打印热量输入不足可能导致基板和前序打印部件温度降低至设定温度以下，此时可以通过增加温度监控，如果检测到温度低于设定值时，则继续采用外部加热对基板和工件加热至设定温度从而保证整个打印过程正常进行。
请参阅图5，为本申请采用上述实施例制备得到的铜合金样品示意图。
本申请提供的激光增材制造方法，相比现有双光束增材制造技术，仅采用单蓝光，无需双激光器和光学结构复杂的复合熔覆头，设备更为简单，成本低，此外设备中不涉及红外激光，避免铜对红外光束高反率导致的光学器件损伤、人员安全威胁等问题；同时，通过蓝光激光，辅以铜基板加热降低了温度梯度，提高激光吸收率，激光能量利用率高，打印过程中熔化和冶金反应充分，熔合质量好，增材制造构件致密度好。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，仅具体描述了本申请的技术原理，这些描述只是为了解释本申请的原理，不能以任何方式解释为对本申请保护范围的限制。基于此处解释，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本申请的其他具体实施方式，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种激光增材制造方法，其特征在于，包括下述步骤：
于惰性环境中，将基板加热至500-900℃，所述基板为铜或铜合金；
保持惰性环境，采用蓝光激光光束熔化所述基板以及铜或铜合金粉末，以实现部件的增材制造；
在采用蓝光激光光束熔化所述基板以及铜或铜合金粉末，以实现部件的增材制造的步骤中，具体包括下述步骤：
同步送入铜或铜合金粉末，采用蓝光激光光束按照预定的扫描路径进行扫描，熔化所述基板以及所述铜或铜合金粉末，通过逐层逐道熔化沉积实现部件的增材制造；
所述蓝光激光光束由蓝光激光器通过光纤输出或由半导体激光器直接输出；
所述蓝光激光光束的波长为450nm±10nm，所述蓝光激光光束形成的蓝光激光光斑为方形，边长0.8~1.6mm，蓝光激光功率800~1000W；
所述基板厚度≤30mm，基板体积≤30×100×100mm3；
所述铜或铜合金粉末尺寸为50~150um，送粉量5~15g/min，扫描速度10~30mm /s，搭接率为40~60%，Z轴抬升量为0.4~0.6mm。
2.如权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，在将基板加热至500-900℃的步骤中，具体包括下述步骤：采用蓝光激光光束在离焦状态下对所述基板加热至500-900℃。
3.如权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，在将基板加热至500-900℃的步骤中，具体包括下述步骤：通过感应加热或电阻加热将所述基板加热至500-900℃。
4.如权利要求2或3所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述基板加热温度为600-800℃。
5.如权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述铜或铜合金粉末尺寸为50~150um，送粉量10g/min，扫描速度20mm /s，搭接率为50%，Z轴抬升量为0.5mm。
6.如权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，还包括下述步骤：
实时检测所述基板和工件温度，当所述基板和工件温度低于设定值时，继续对所述基板和所述工件加热至设定温度。
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