CN115740498B - 选区激光熔化优化成型质量三元耦合调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种选区激光熔化优化成型质量三元耦合调控方法，涉及金属选区激光熔化技术领域。所述方法包括如下步骤：通过对选区激光熔化成型工艺仿真得到较优的工艺范围，利用这个范围中的工艺参数进行成分优化研究，使得成分得到优化；以工艺仿真为基础对工艺进行研究，利用成分优化的结果进行成型实验，优选最佳工艺；对结构进行设计后利用优化的成分和工艺确定成型最终结构。所述方法适用于选区激光熔化成型镁合金的成分、工艺、结构的解耦设计方案，从而显著提高选区激光融化技术成型零件的性能。

Description

选区激光熔化优化成型质量三元耦合调控方法

技术领域

本发明涉及金属选区激光熔化技术领域，尤其涉及一种选区激光熔化优化成型质量三元耦合调控方法。

背景技术

增材制造是一门新兴的智能制造技术，其成型零件的性能受成分、工艺和结构的影响。成分影响微观组织形态及分布的均匀性，微观组织形态及分布是影响耐蚀性能的核心问题。成型工艺影响成型质量，选用不合理的工艺会导致大量孔隙和裂纹，甚至会导致镁元素烧损，孔隙、裂纹、烧损等缺陷会使力学性能大幅下降。结构对降解性能和力学性能均有影响，可通过改变孔径大小调控多孔结构的力学性能，通过改变比表面积调控植入体的降解性能。同时我们发现，不同工艺在同一成分下是有影响的，不同成分在同一工艺下也是有影响的，不同的结构在成分和工艺上也发生了同样的交叉关系。

不能单纯的脱开成分谈工艺或者脱开工艺谈成分，它们两个是交缠在一起的。成分工艺和结构是弱耦合关系，当我们得到了优化的工艺和优化的成分和优化的工艺之后，结合结构优化是可以得到更优的结果。由于三种因素相互作用的影响，研究单一因素对成型结果的影响而忽视另外两者因素的方案并不能得到最优的结果。若想得到性能更加优异的镁合金需要对它们协同的影响做更深入的研究。对于这样的三元强耦合关系，如何进行解耦成了一个问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够显著提高选区激光融化技术成型零件性能的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种选区激光熔化优化成型质量三元耦合调控方法，其特征在于包括如下步骤：

S1：通过对选区激光熔化成型工艺仿真得到较优的工艺范围，利用这个范围中的工艺参数进行成分优化研究，使得成分得到优化；

S2：以工艺仿真为基础对工艺进行研究，利用成分优化的结果进行成型实验，优选最佳工艺；

S3：对结构进行设计后利用优化的成分和工艺确定成型最终结构。

进一步的技术方案在于，所述方法具体包括如下步骤：

S1：利用ANSYS软件定义选区激光熔化成型镁合金过程中粉末床环境、激光热源模型与激光扫描路径，模拟不同工艺参数对熔池形态的影响，再通过致密度仿真最终得到工艺参数与成型质量的工艺范围；

S2：利用仿真给出的工艺范围初选一个工艺参数，通过选区激光熔化成型设备对不同成分的合金打印成型并检测，得到优化成分；

S3：通过优选出的成分和仿真工艺范围开展工艺实验，通过压缩实验与激光功率、扫描速度关系筛选出力学性能最优的工艺参数；

S4：通过对结构进行设计并利用选区激光熔化成型设备成型，利用压缩试验优选力学性能优异的结构。

进一步的技术方案在于，所述方法具体包括如下步骤：

通过单熔道仿真，模拟不同激光功率、扫描速度、扫描间距工艺参数下对单道熔池尺寸比例进行评价，选择出SLM成型Mg-Zn-Gd合金的工艺参数范围；

根据仿真出的工艺范围初选工艺参数并开展成分优化实验，利用SLM成型设备制备Gd含量不同的镁合金并进行腐蚀实验，确定耐蚀性能最佳的Mg-Zn-Gd合金的成分；

将优化成分作为工艺优化的成分，以初步工艺范围为基础开展关于激光功率和扫描速度的双因素工艺实验，对各参数的镁合金成型，并检测其抗压强度，对双因素压缩实验数据进行数值分析，得到最佳的工艺参数；

通过结构设计保证力学性能的同时提高耐蚀性能，最后将已优化的成分和工艺对骨填充颗粒打印制。

进一步的技术方案在于，所述步骤S1中：

利用J Mat Pro软件计算Mg-Zn-Gd合金的热物性参数，通过ANSYS Additive软件中的Science模块对其进行SLM工艺仿真研究，对SLM成型Mg-Zn-Gd合金的单道熔池尺寸与孔隙率进行仿真；

在输入SLM成型材料的属性参数后，通过计算机模拟不同激光功率、扫描速度、扫描间距工艺参数下单道熔池的长宽比、宽深比、重熔比判断该参数对镁合金的成型效果，从而选择出SLM成型Mg-Zn-Gd合金的最佳工艺参数，结合孔隙率仿真对单道熔池仿真的结果进行验证。

进一步的技术方案在于，所述步骤S2中：

根据仿真出的工艺范围初选一个工艺参数并开展成分优化实验，配置Mg-1Zn-xGd（x=0，0.25，0.5，1，2wt%）五种镁合金粉末；将不同成分的镁合金粉末通过SLM打印机制成10×10×3 mm的腐蚀试样；随后进行失重实验将腐蚀试样悬挂浸泡在SBF溶液中，利用恒温水浴箱将浸泡温度稳定在37℃，分别经5 h、12 h、24 h、48 h、72 h后捞出试样，最终用电子天平对浸泡后的试样称重并记录数据，经失重实验得出Mg-1Zn-0.5Gd具有最优的耐蚀性能。

进一步的技术方案在于，所述步骤S3中：

根据步骤S2的仿真和实验的成果，选用Mg-1Zn-0.5Gd进行工艺成型实验，在仿真出的工艺范围的基础上设计激光功率70-100 W，每5 W为一跨度，扫描速度300-500 mm/s，每50 mm/s为一跨度，扫描间距60 μm，铺粉层厚50 μm，对该窗口下各参数的镁合金成型，并通过压缩实验测试镁合金的抗压强度。

进一步的技术方案在于，所述步骤S4中：

颗粒整体包括外部多孔层与内部支撑结构，外部多孔层为球体结构，使其在受力后表面应力分布更加均匀，在模型的圆杆相交处进行倒圆角处理，减小颗粒在受压后的应力集中；内部支撑结构与外部多孔层相接，且结构类型可变，向直杆结构组成的填充颗粒内部添加封闭层，使颗粒内部的支撑结构在浸泡初期免受腐蚀，从而减缓骨填充颗粒的总体降解速率；设计内部支撑结构的杆径由外向内梯度减小，当颗粒受浸泡后封闭层由外向内逐层腐蚀破坏，此时颗粒的杆径整体相近。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法以工艺优化为核心，把三因素解耦这件事拆成三部分做。利用工艺仿真的较优工艺参数参与优化成分的流程中弥补实验参数的空白；然后将优化的成分加入到在工艺优化路线中，结合仿真给出的范围研究最优工艺；最后利用成分和工艺参与到结构设计路线中进行打印成型，所设计的结构与成分和工艺相耦合达到最优结果。从而解决了镁合金成分、工艺和结构耦合调控的问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1a-1c为本发明实例中激光功率和扫描速度与熔池比例的模型图；

图2为本发明实例中激光功率和扫描速度与致密度的三维模型图；

图3为本发明实例中激光功率、扫描速度与抗压强度的模型图；

图4a为本发明实例中骨填充颗粒外部多孔层结构示意图：

图4b-4d为本发明实例中骨填充颗粒内部支撑结构示意图；

图5为本发明实例中SLM成型骨填充颗粒成型结果示意图；

图6为本发明实例中两种结构在SBF溶液中浸泡后力学性能变化趋势图；

图7为本本发明实施例所述方法的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图7所示，本发明实施例公开了一种选区激光熔化优化成型质量三元耦合调控方法，所述方法能够解决镁合金力学性能和降解性能不匹配问题的方法，包括如下步骤：

S1：通过工艺仿真的得到较优的工艺范围，利用这个范围中的工艺参数进行成分优化的研究，使得成分得到优化。

S2：以工艺仿真为基础对工艺进行研究，利用成分优化的结果进行成型实验，优选最佳工艺。

S3：对结构进行设计后利用优化的成分和工艺确定成型最终结构。

本发明提供的方法与现有技术相比，通过单熔道仿真，模拟不同激光功率、扫描速度、扫描间距等工艺参数下对单道熔池尺寸比例进行评价，选择出SLM成型Mg-Zn-Gd合金的工艺参数范围。根据仿真出的工艺范围初选工艺参数并开展成分优化实验，利用SLM成型设备制备Gd含量不同的镁合金并进行腐蚀实验，确定耐蚀性能最佳的Mg-Zn-Gd合金的成分。将优化成分作为工艺优化的成分，以初步工艺范围为基础开展关于激光功率和扫描速度的双因素工艺实验，对各参数的镁合金成型，并检测其抗压强度，对双因素压缩实验数据进行数值分析，得到最佳的工艺参数。通过结构设计保证力学性能的同时提高耐蚀性能，最后将已优化的成分和工艺对骨填充颗粒打印制备，有效解决了镁合金成分、工艺和结构耦合调控的问题。

进一步的，在步骤S1中，制备不同成分的粉末，通过工艺仿真出的工艺范围选一个工艺参数进行成型实验。

利用J Mat Pro软件计算Mg-Zn-Gd合金的热物性参数，通过ANSYS Additive软件中的Science模块对其进行SLM工艺仿真研究，对SLM成型Mg-Zn-Gd合金的单道熔池尺寸与孔隙率进行仿真。在输入SLM成型材料的属性参数后，通过计算机模拟不同激光功率、扫描速度、扫描间距等工艺参数下单道熔池的长宽比、宽深比、重熔比判断该参数对镁合金的成型效果，从而初选出SLM成型Mg-Zn-Gd合金的最佳工艺参数，结合孔隙率仿真对单道熔池仿真的结果进行验证。通常认为激光功率与扫描速度是影响SLM成型质量的最主要参数。通过APDL参数化语言对不同类型的粉末床环境、激光热源模型与激光扫描路径进行定义，可模拟多种成型条件下工艺参数对SLM成型镁合金熔池温度的影响，不同参数对熔池形态的影响参阅图1a-1c，工艺参数对孔隙率影响模型参阅图2。

利用SLM成型设备制备Gd含量不同的镁合金并进行腐蚀实验和微观结构表征分析，确定耐蚀性能最佳的Mg-Zn-Gd合金的成分。

根据仿真出的工艺范围初选一个工艺参数并开展成分优化实验，配置Mg-1Zn-xGd（x=0，0.25，0.5，1，2wt%）五种镁合金粉末。将不同成分的镁合金粉末通过SLM打印机制成10×10×3 mm的腐蚀试样。随后进行失重实验将腐蚀试样悬挂浸泡在SBF溶液中，利用恒温水浴箱将浸泡温度稳定在37℃，分别经5 h、12 h、24 h、48 h、72 h后捞出试样，最终用电子天平对浸泡后的试样称重并记录数据。经失重实验得出Mg-1Zn-0.5Gd具有最优的耐蚀性能。

进一步的，在步骤S2中，根据步骤S1的仿真和实验的成果，选用Mg-1Zn-0.5Gd进行工艺成型实验，在仿真出的工艺范围的基础上设计激光功率70-100 W，每5 W为一跨度，扫描速度300-500 mm/s，每50 mm/s为一跨度，扫描间距60 μm，铺粉层厚50 μm，对该窗口下各参数的镁合金成型，并通过压缩实验测试镁合金的抗压强度。

激光功率70-100W（每5W一个间隔），扫描速度300~500mm/s（每50mm/s一个间隔）工艺参数窗口下激光功率、扫描速度与抗压关系模型，详细关系模型参阅图3。可以看出，当激光功率95W扫描速度350mm/s时，其抗压强度最优。所以工艺参数为激光功率95W扫描速度350mm/s扫描间距60μm铺粉层厚50 μm

进一步的，在步骤S3中，对其进行结构设计，并与优化成分和优化工艺对结构进行成型。

颗粒整体由外部多孔层与内部支撑结构组成。外部多孔层为球体结构（图4a），使其在受力后表面应力分布更加均匀，在模型的圆杆相交处进行倒圆角处理，减小颗粒在受压后的应力集中。内部支撑结构与外部多孔层相接，且结构类型可变，结构设计如图4b-4d所示。向直杆结构组成的填充颗粒内部添加封闭层，使颗粒内部的支撑结构在浸泡初期免受腐蚀，从而减缓骨填充颗粒的总体降解速率。设计内部支撑结构的杆径由外向内梯度减小，当颗粒受浸泡后封闭层由外向内逐层腐蚀破坏，此时颗粒的杆径整体相近。

对上述两种结构的骨填充颗粒SLM成型（如图5所示），在SBF溶液中浸泡9 h后取出，检测其残余压缩强度。颗粒浸泡后的压缩曲线如图6所示。实验结果表明，在相同的结构参数与浸泡条件下，内部具有封闭层的骨填充颗粒在浸泡后的残余压缩强度提高了16.3%，说明封闭层能够延缓骨填充颗粒的总体降解速率，验证了通过添加封闭层实现对降解性能优化的可行性。

综上所述，本发明方法通过成分、工艺和结构的耦合调控使得镁合金的力学性能和耐蚀性能的到了显著提高。获得从成分、工艺、结构三个维度下解耦优化镁合金耐蚀性能和力学性能的最佳结果，提出的三元耦合调控的优化路线有效提高了SLM成型镁合金的耐蚀性能和力学性能。

Claims (4)

1.一种选区激光熔化优化成型质量三元耦合调控方法，其特征在于所述方法具体包括如下步骤：

S1：通过单熔道仿真，模拟不同激光功率、扫描速度、扫描间距工艺参数下对单道熔池尺寸比例进行评价，选择出SLM成型Mg-Zn-Gd合金的工艺参数范围；

S2：根据仿真出的工艺范围初选工艺参数并开展成分优化实验，利用SLM成型设备制备Gd含量不同的镁合金并进行腐蚀实验，确定耐蚀性能最佳的Mg-Zn-Gd合金的成分；

S3：将优化成分作为工艺优化的成分，以初步工艺范围为基础开展关于激光功率和扫描速度的双因素工艺实验，对各参数的镁合金成型，并检测其抗压强度，对双因素压缩实验数据进行数值分析，得到最佳的工艺参数；

S4：通过结构设计保证力学性能的同时提高耐蚀性能，最后将已优化的成分和工艺对骨填充颗粒打印制造；

所述步骤S1中：

利用J Mat Pro软件计算Mg-Zn-Gd合金的热物性参数，通过ANSYS Additive软件中的Science模块对其进行SLM工艺仿真研究，对SLM成型Mg-Zn-Gd合金的单道熔池尺寸与孔隙率进行仿真；

在输入SLM成型材料的属性参数后，通过计算机模拟不同激光功率、扫描速度、扫描间距工艺参数下单道熔池的长宽比、宽深比、重熔比判断该参数对镁合金的成型效果，从而选择出SLM成型Mg-Zn-Gd合金的最佳工艺参数，结合孔隙率仿真对单道熔池仿真的结果进行验证。

2.如权利要求1所述的选区激光熔化优化成型质量三元耦合调控方法，其特征在于所述步骤S2中：

根据仿真出的工艺范围初选一个工艺参数并开展成分优化实验，配置Mg-1Zn-xGd（x=0，0.25，0.5，1，2wt%）五种镁合金粉末；将不同成分的镁合金粉末通过SLM打印机制成10×10×3 mm的腐蚀试样；随后进行失重实验将腐蚀试样悬挂浸泡在SBF溶液中，利用恒温水浴箱将浸泡温度稳定在37℃，分别经5 h、12 h、24 h、48 h、72 h后捞出试样，最终用电子天平对浸泡后的试样称重并记录数据，经失重实验得出Mg-1Zn-0.5Gd具有最优的耐蚀性能。

3.如权利要求2所述的选区激光熔化优化成型质量三元耦合调控方法，其特征在于所述步骤S3中：

根据步骤S2的仿真和实验的成果，选用Mg-1Zn-0.5Gd进行工艺成型实验，在仿真出的工艺范围的基础上设计激光功率70-100 W，每5 W为一跨度，扫描速度300-500 mm/s，每50mm/s为一跨度，扫描间距60 μm，铺粉层厚50 μm，对该窗口下各参数的镁合金成型，并通过压缩实验测试镁合金的抗压强度。

4.如权利要求1所述的选区激光熔化优化成型质量三元耦合调控方法，其特征在于所述步骤S4中：

颗粒整体包括外部多孔层与内部支撑结构，外部多孔层为球体结构，使其在受力后表面应力分布更加均匀，在模型的圆杆相交处进行倒圆角处理，减小颗粒在受压后的应力集中；内部支撑结构与外部多孔层相接，且结构类型可变，向直杆结构组成的填充颗粒内部添加封闭层，使颗粒内部的支撑结构在浸泡初期免受腐蚀，从而减缓骨填充颗粒的总体降解速率；设计内部支撑结构的杆径由外向内梯度减小，当颗粒受浸泡后封闭层由外向内逐层腐蚀破坏，此时颗粒的杆径整体相近。