CN115430840A - 一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于表面改性相关技术领域，其公开了一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法，包括如下步骤：1)根据弱刚度零件的刚度调整需求，确定表面加强筋参数；2)确定激光雕刻加工路径与工艺参数，完成表面加强筋定位槽加工；3)确定送丝激光增材制造加工路径与工艺参数，完成表面加强筋加工；4)根据弱刚度零件的表面性能改善需求，确定表面改性涂层参数；5)确定送粉激光增材制造加工路径与工艺参数，完成表面改性涂层加工。本发明通过在弱刚度零件表面制造分布间距变化的表面加强筋和材料成分变化的表面改性涂层，实现对弱刚度零件的个性化刚度调整和表面性能改善，满足弱刚度零件多功能表面改性的效率和性能需求。

Description

一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法
技术领域
本发明涉及表面改性技术，特别涉及一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法。
背景技术
为了满足零件表面的耐腐蚀性、耐磨性、装饰美观及其它特殊性功能需求，常采用机械打磨、化学试剂处理、表面热处理、表面喷涂等方法对零件进行表面改性。随着高性能装备中复杂结构件对轻量化的要求日益提高，如航天发动机的变曲率叶片、整体叶盘及大型壁板等薄壁弱刚度零件，采用传统的表面改性工艺方法进行加工存在容易变形、改性效果差及效率低等缺点，难以满足弱刚度零件表面性能的改善需求。激光增材制造技术具有高质量、高灵活性等优点，能够用于改善弱刚度零件的表面性能。激光送丝增材制造，具有效率高、操作便捷等优点；激光送粉增材制造，具有精度高、成分调节灵活等优点。目前，主要采用送丝或送粉激光增材单一制造技术对零件表面的性能进行改善，难以同时实现对弱刚度零件的刚度及表面性能进行个性化改善，亟需提出一种能够用于弱刚度零件的多功能表面改性方法。
发明内容
本发明的目的是为解决上述问题，提出了一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法，采用高效率的激光雕刻和送丝激光增材制造技术在零件表面制造表面加强筋提高零件刚度，并通过灵活调节表面加强筋的排列方式和分布间距实现对零件刚度的个性化调整；采用高精度的送粉激光增材制造技术在零件表面制造表面改性涂层提高零件表面性能，并通过动态调整加工过程中粉末材料的成分配比和工艺参数实现对零件表面性能的个性化改善，高效率、高质量地完成弱刚度零件多功能表面改性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法，采用送丝激光增材制造技术在零件表面制造表面加强筋，采用送粉激光增材制造技术在零件表面制造表面改性涂层，实现对弱刚度零件的刚度调整和表面性能改善，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)根据弱刚度零件的刚度调整需求，确定表面加强筋参数；
2)确定激光雕刻加工路径与工艺参数，完成表面加强筋定位槽加工；
3)确定送丝激光增材制造加工路径与工艺参数，完成表面加强筋加工；
4)根据弱刚度零件的表面性能改善需求，确定表面改性涂层参数；
5)确定送粉激光增材制造加工路径与工艺参数，完成表面改性涂层加工。
进一步的，通过激光雕刻和送丝激光增材制造技术在弱刚度零件表面制造表面加强筋提高零件刚度，针对不同工况下弱刚度零件刚度的个性化调整需求，确定表面加强筋的排列方式、尺寸及材料参数，调节零件表面加强筋的分布间距，对弱刚度零件的刚度进行个性化调整。
进一步的，所述表面加强筋采用的排列方式包括横向、纵向及井字等，通过调节横向表面加强筋分布间距进行零件纵向刚度的个性化调整，通过调节纵向表面加强筋分布间距进行零件横向刚度的个性化调整，通过调节井字表面加强筋分布间距进行零件多方向刚度的个性化调整，其中相同排列方式的表面加强筋的尺寸、材料及加工过程中的工艺参数相同。
进一步的，采用浓度为99.99％的氩气作为送丝激光增材制造过程中的保护气体，采用直径为0.8-1.2mm的高强度金属丝材作为送丝激光增材制造过程中的填充材料；表面加强筋制造的具体操作为：打开雕刻激光，沿着激光雕刻加工路径在零件表面逐条雕刻出表面加强筋定位槽，然后打开保护气、送丝增材激光和送丝机构，丝材在激光的辐射作用下熔化形成熔融金属，沿着送丝激光增材制造加工路径填充至表面加强筋定位槽中形成表面加强筋，直至完成弱刚度零件表面加强筋制造。
进一步的，考虑所述表面改性涂层不同厚度区域的性能需求存在差异，将表面改性涂层划分为主要用于提高表面改性涂层冶金结合性能的结合层、主要用于提高表面改性涂层韧性的支撑层和主要用于提高表面改性涂层耐磨性、耐腐蚀性及防辐射性等特殊性能的核心层，通过动态调控送粉增材制造过程中粉末材料的成分配比和工艺参数，依次完成表面改性涂层各个分层的加工。
进一步的，针对不同工况下的弱刚度零件的表面性能改善需求，确定所述表面改性涂层的结合层、支撑层和核心层的厚度、各层所需粉末材料的成分配比及送粉激光增材制造工艺参数，进行弱刚度零件表面性能的个性化改善。
进一步的，考虑表面加强筋和表面改性涂层采用相似的加工路径利于两者进行冶金结合且便于进行同步加工，采用横向扫描送粉激光增材制造加工路径制造横向表面加强筋上部的表面改性涂层，采用纵向扫描送粉激光增材制造加工路径制造纵向表面加强筋上部的表面改性涂层，采用回字扫描送粉激光增材制造加工路径制造井字表面加强筋上部的表面改性涂层，在制造同一性能需求层的表面改性涂层时采用相同粉末材料的成分配比、扫描送粉激光增材制造加工路径及工艺参数。
进一步的，所述送粉激光增材制造过程中采用浓度为99.99％的氩气作为吹送气体，采用直径为18-35μm、综合性能良好的金属颗粒混合成分粉末作为送粉激光增材制造加工过程中的填充材料；表面改性涂层制造的具体操作为：打开送粉机构和送粉增材激光，粉末在激光的辐射作用下熔化形成熔融金属，沿着送粉激光增材制造加工路径在弱刚度零件表面和表面加强筋上部逐层铺设沉积，形成表面改性涂层，依次制造表面改性涂层的结合层、支撑层及核心层，直至完成弱刚度零件的表面改性涂层制造。
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.本发明提出的一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法，采用激光雕刻和送丝激光增材制造技术制造表面加强筋提高弱刚度零件的刚度，采用送粉激光增材制造技术制造表面改性涂层改善零件的表面性能，实现对弱刚度零件的高效率、高质量地多功能表面改性。
2.本发明提出的一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法，通过在弱刚度零件表面制造不同排列方式且分布间距变化的表面加强筋，实现对弱刚度零件刚度的个性化调整。
3.本发明提出的一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法，通过动态调整表面改性涂层送粉激光增材制造加工过程中粉末材料的成分配比和工艺参数，依次加工具备不同性能的表面改性涂层各个分层，实现对弱刚度零件表面性能的个性化改善。
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为本发明的一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法的过程示意图；
图2为本发明的横向表面加强筋排列方式、尺寸、位置及分布间距示意图；
图3为本发明的表面加强筋定位槽的激光雕刻加工路径示意图；
图4为本发明的表面加强筋的送丝激光增材制造加工路径示意图；
图5为本发明的不同性能需求的表面改性涂层各个分层划分示意图；
图6为本发明的横向扫描送粉激光增材制造加工路径示意图；
图7为本发明的纵向表面加强筋排列方式、尺寸、位置及分布间距示意图；
图8为本发明的纵向扫描送粉激光增材制造加工路径示意图；
图9为本发明的井字表面加强筋排列方式、尺寸、位置及分布间距示意图；
图10为本发明的回字扫描送粉激光增材制造加工路径示意图；
图中：1-弱刚度零件，2-表面加强筋定位槽，3-表面加强筋，4-雕刻激光，5-保护气嘴，6-送丝增材激光，7-送丝机构，8-表面改性涂层，9-送粉机构，10-送粉增材激光，11-激光雕刻加工路径，12-送丝激光增材制造加工路径，13-横向扫描送粉激光增材制造加工路径，14-纵向扫描送粉激光增材制造加工路径，15-回字扫描送粉激光增材制造加工路径，301-横向表面加强筋，302-纵向表面加强筋，303-井字表面加强筋，801-结合层，802-支撑层，803-核心层。
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：
一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法，根据弱刚度零件1的刚度调整和表面性能改善需求，通过激光雕刻技术和送丝激光增材制造技术在弱刚度零件1表面制造表面加强筋3调整零件刚度，通过送粉激光增材制造技术在弱刚度零件1表面制造表面改性涂层8改善零件表面性能，如图1所示。
下述实施例中，弱刚度零件1选取为3.5mm的Q235钢板，用于制造表面加强筋3的填充丝材选取为高强度的Q345结构钢丝材，丝材直径d为1.2mm，在弱刚度零件1表面制造表面加强筋3能够显著提高弱刚度零件1的刚度。表面改性涂层8的填充粉末选取为Q235钢、Mn纯金属和W-Mo-V HSS高速钢的混合粉末，Q235钢粉末主要用于提高表面改性涂层8与弱刚度零件1的冶金结合性能，Mn纯金属粉末主要用于改善表面改性涂层8的韧性，W-Mo-V HSS高速钢粉末主要用于改善表面改性涂层8的硬度、耐磨和耐腐蚀等综合性能。
实施例1
本实施例中，针对在单方向线性递减应力作用工况下弱刚度零件1纵向刚度呈线性递减的个性化调整需求，采用分布间距沿纵向呈连续变化的横向表面加强筋301对弱刚度零件1的刚度进行调整，如图2所示。所述横向表面加强筋301宽度W1为6倍d,所述横向表面加强筋301深度h1为0.15倍W1，所述横向表面加强筋301横向偏移距离a1为0.4倍W1，所述横向表面加强筋301纵向偏移距离a2为0.8倍W1，所述横向表面加强筋301分布间距按相同比例P1缩小，A1/A2＝A2/A3＝A3/A4＝P1＝1.2，所述横向表面加强筋301最大分布间距A1为4倍W1。
其中，根据确定的横向表面加强筋301的尺寸和位置等参数，采用沿着横向表面加强筋301轴向递进、径向扫描的激光雕刻加工路径11，在弱刚度零件1表面雕刻表面加强筋定位槽2，如图3所示。所述雕刻激光4沿着激光雕刻加工路径11进行多次激光雕刻，弱刚度零件1的基材在雕刻激光4的辐射作用下气化，形成表面加强筋定位槽2，依次完成弱刚度零件1表面加强筋定位槽2的加工；本实施例中的激光雕刻工艺参数为：雕刻速度860mm/s，激光功率100W，脉宽240ns，频率120kHz，填充距离0.04mm，离焦量-2mm，重复雕刻次数100次。
其中，所述送丝机构7送出的丝材在送丝增材激光6的辐射作用下熔化形成熔融金属，填充至所述表面加强筋定位槽2中，与所述弱刚度零件1的基材形成良好的冶金结合，保护气嘴5向激光加工区域吹送保护气体，防止熔融金属氧化，采用沿着表面加强筋3径向递进、轴向扫描的送丝激光增材制造加工路径12，如图4所示。考虑送丝激光增材制造过程中熔融金属的流动特性，设置送丝起始端偏移距离e1为0.8倍d和送丝终端偏移距离e2为1.6倍d。本实施例中具体的送丝激光增材制造工艺参数为：激光功率1300W，送丝速度1.2m/min，扫描速度0.5m/min，离焦量+25mm，保护气体流量25L/min。
其中，根据所述表面改性涂层8的不同高度区域的性能需求差异，将厚度为H表面改性涂层8分为结合层801、支撑层802和核心层803，如图5所示。所述结合层801粉末材料的成分配比为42.2％Q235钢、8.6％Mn纯金属和49.2％W-Mo-V HSS高速钢粉末，所述支撑层802粉末材料的成分配比为25.3％Q235钢、15.4％Mn纯金属和59.3％W-Mo-V HSS高速钢粉末，所述核心层803粉末材料的成分配比为15.7％Q235钢、11.5％Mn纯金属和72.8％W-Mo-VHSS高速钢粉末，所述表面改性涂层8的厚度H为弱刚度零件1厚度的0.3倍，所述结合层801的厚度H1为0.15倍H，所述支撑层802的厚度H2为0.25倍H，所述核心层803的厚度H3为0.6倍H。
其中，采用横向扫描送粉激光增材制造加工路径13进行横向表面加强筋301上部的表面改性涂层8加工，如图6所述。所述送粉机构9与所述送粉增材激光10沿着所述横向扫描送粉激光增材制造加工路径13同步移动，调节不同性能需求层粉末材料的成分配比和加工工艺参数，依次完成结合层801、支撑层802和核心层803的制造，直至完成表面改性涂层8的加工。本实施中具体的送粉激光增材制造工艺参数为：结合层801送粉激光增材制造加工工艺参数为激光功率1100W，送粉速率13g/min，扫描速度4.5mm/s，气体流量13L/min，离焦量+18mm；支撑层802送粉激光增材制造加工工艺参数为激光功率1150W，送粉速率17g/min，扫描速度5.5mm/s，气体流量17L/min，离焦量+22mm；核心层803送粉激光增材制造加工工艺参数为激光功率1250W，送粉速率15g/min，扫描速度5mm/s，气体流量15L/min，离焦量+20mm。
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，本实施例中，针对在中间向两端线性递减应力作用工况下弱刚度零件1横向刚度中间高两端低的个性化调整需求，采用分布间距在横向呈中间密两端疏的纵向表面加强筋302对弱刚度零件1的刚度进行调整，如图7所示。所述纵向表面加强筋302宽度W2为4倍d，所述纵向表面加强筋302深度h2为0.2倍W2，所述纵向表面加强筋302横向偏移距离b1为0.6倍W2，所述纵向表面加强筋302纵向偏移距离b2为0.4倍W2，所述纵向表面加强筋302分布间距按相同比例P2向中横向中心缩小，B2/B1＝P2＝1.25，所述纵向表面加强筋302最小分布间距B1为2.5倍W2。
其中，本实施例中具体的激光雕刻工艺参数为：雕刻速度580mm/s，激光功率80W，脉宽240ns，频率120kHz，填充间距0.04mm，离焦量-2mm，重复雕刻次数95次。
其中，本实施例中具体的送丝激光增材制造工艺参数为：激光功率1400W，送丝速度1.4m/min，扫描速度0.55m/min，离焦量+25mm，保护气体流量28L/min。
其中，采用纵向扫描送粉激光增材制造加工路径14进行纵向表面加强筋302上部的表面改性涂层8加工，如图8所示。所述结合层801的厚度H1为0.2倍H，所述支撑层802的厚度H2为0.2倍H，所述核心层803的厚度H3为0.6倍H。本实施例中具体的送粉激光增材制造工艺参数为：结合层801的送粉激光增材制造加工工艺参数为激光功率1160W，送粉速率14g/min，扫描速度4.8mm/s，气体流量14L/min，离焦量+19mm；支撑层802送粉激光增材制造加工工艺参数为激光功率1220W，送粉速率18g/min，扫描速度5.7mm/s，气体流量18L/min，离焦量+23mm；核心层803送粉激光增材制造加工工艺参数为激光功率1290W，送粉速率16g/min，扫描速度5.4mm/s，气体流量16L/min，离焦量+21mm；
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，针对在中心向四周递减应力作用工况下弱刚度零件1横向刚度与纵向刚度为中心区域高和边缘区域低的个性化调整需求，采用分布间距中心密四周疏的井字表面加强筋303对弱刚度零件1的刚度进行调整，如图9所示。所述井字表面加强筋303宽度W3为3倍d，所述井字表面加强筋303深度h3为0.25倍W3，所述井字表面加强筋303横向偏移距离c1为0.5倍W3，所述井字表面加强筋303纵向偏移距离c2为1.2倍W3，所述井字表面加强筋303纵向分布间距按相同比例P3向中心缩小，C2/C1＝P3＝1.5，所述井字表面加强筋303横向分布间距按相同比例P4向中心缩小，D2/D1＝P4＝1.2，所述井字表面加强筋303最小纵向分布间距C1为5倍W3，所述井字表面加强筋303最小横向分布间距D1为3倍W3。
其中，本实施例中具体的激光雕刻工艺参数为：雕刻速度430mm/s，激光功率65W，脉宽240ns，频率120kHz，填充间距0.04mm，离焦量-2mm，重复雕刻次数90次。
其中，本实施例中具体的送丝激光增材制造工艺参数为：激光功率1150W，送丝速度1.1m/min，扫描速度0.46m/min，离焦量+25mm，保护气体流量23L/min。
其中，采用回字扫描送粉激光增材制造加工路径15进行井字表面加强筋303上部的表面改性涂层8加工，如图10所示。所述结合层801的厚度H1为0.25倍H，所述支撑层802的厚度H2为0.2倍H，所述核心层803的厚度H3为0.55倍H。本实施中具体的送粉激光增材制造工艺参数为：结合层801的送粉激光增材制造加工工艺参数为激光功率1050W，送粉速率12g/min，扫描速度4.3mm/s，气体流量12L/min，离焦量+17mm；支撑层802送粉激光增材制造加工工艺参数为激光功率1100W，送粉速率16g/min，扫描速度5.2mm/s，气体流量16L/min，离焦量+21mm；核心层803送粉激光增材制造加工工艺参数为激光功率1190W，送粉速率14g/min，扫描速度4.8mm/s，气体流量14L/min，离焦量+19mm。
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 (8)

1.一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法，采用送丝激光增材制造技术在零件表面制造表面加强筋，采用送粉激光增材制造技术在零件表面制造表面改性涂层，对弱刚度零件进行刚度调整和表面性能改善，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)根据弱刚度零件的刚度调整需求，确定表面加强筋参数；
2)确定激光雕刻加工路径与工艺参数，完成表面加强筋定位槽加工；
3)确定送丝激光增材制造加工路径与工艺参数，完成表面加强筋加工；
4)根据弱刚度零件的表面性能改善需求，确定表面改性涂层参数；
5)确定送粉激光增材制造加工路径与工艺参数，完成表面改性涂层加工。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法，其特征在于，通过激光雕刻和送丝激光增材制造技术在弱刚度零件表面制造表面加强筋提高零件刚度，针对不同工况下弱刚度零件刚度的个性化调整需求，确定表面加强筋的排列方式、尺寸及材料参数，调节零件表面加强筋的分布间距，对弱刚度零件的刚度进行个性化调整。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法，其特征在于，所述表面加强筋采用的排列方式包括横向、纵向及井字等，通过调节横向表面加强筋分布间距进行零件纵向刚度的个性化调整，通过调节纵向表面加强筋分布间距进行零件横向刚度的个性化调整，通过调节井字表面加强筋分布间距进行零件多方向刚度的个性化调整，其中相同排列方式的表面加强筋的尺寸、材料及加工过程中的工艺参数相同。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法，其特征在于，采用浓度为99.99％的氩气作为送丝激光增材制造过程中的保护气体，采用直径为0.8-1.2mm的高强度金属丝材作为送丝激光增材制造过程中的填充材料；表面加强筋制造的具体操作为：打开雕刻激光，沿着激光雕刻加工路径在零件表面逐条雕刻出表面加强筋定位槽，然后打开保护气、送丝增材激光和送丝机构，丝材在激光的辐射作用下熔化形成熔融金属，沿着送丝激光增材制造加工路径填充至表面加强筋定位槽中形成表面加强筋，直至完成弱刚度零件表面加强筋制造。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法，其特征在于，考虑所述表面改性涂层不同厚度区域的性能需求存在差异，将表面改性涂层划分为主要用于提高表面改性涂层冶金结合性能的结合层、主要用于提高表面改性涂层韧性的支撑层和主要用于提高表面改性涂层耐磨性、耐腐蚀性及防辐射性等特殊性能的核心层，通过动态调控送粉增材制造过程中粉末材料的成分配比和工艺参数，依次完成表面改性涂层各个分层的加工。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法，其特征在于，针对不同工况下的弱刚度零件的表面性能改善需求，确定所述表面改性涂层的结合层、支撑层和核心层的厚度、各层所需粉末材料的成分配比及送粉激光增材制造工艺参数，进行弱刚度零件表面性能的个性化改善。
7.根据权利要求6所述的一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法，其特征在于，考虑表面加强筋和表面改性涂层采用相似的加工路径利于两者进行冶金结合且便于进行同步加工，采用横向扫描送粉激光增材制造加工路径制造横向表面加强筋上部的表面改性涂层，采用纵向扫描送粉激光增材制造加工路径制造纵向表面加强筋上部的表面改性涂层，采用回字扫描送粉激光增材制造加工路径制造井字表面加强筋上部的表面改性涂层，在制造同一性能需求层的表面改性涂层时采用相同粉末材料的成分配比、扫描送粉激光增材制造加工路径及工艺参数。
8.根据权利要求7所述的一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法，其特征在于，所述送粉激光增材制造过程中采用浓度为99.99％的氩气作为吹送气体，采用直径为18-35μm、综合性能良好的金属颗粒混合成分粉末作为送粉激光增材制造加工过程中的填充材料；表面改性涂层制造的具体操作为：打开送粉机构和送粉增材激光，粉末在激光的辐射作用下熔化形成熔融金属，沿着送粉激光增材制造加工路径在弱刚度零件表面和表面加强筋上部逐层铺设沉积，形成表面改性涂层，依次制造表面改性涂层的结合层、支撑层及核心层，直至完成弱刚度零件的表面改性涂层制造。
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