CN116237539B - 一种均匀微米级定向多孔金属材料的3d打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种均匀微米级定向多孔金属材料的3D打印方法，属于多孔金属材料增材制造领域。包括：构建金属零部件三维模型，对金属零部件三维模型按照一定层厚进行切片处理，得到切片后的三维模型；根据高速度‑超短间距扫描策略，对切片后的三维模型进行成形路径规划处理，获得三维模型的成形路径；以金属粉末为原料，选择低粒子束能量线密度和高粒子束能量体密度的工艺参数，通过粉末床熔融金属3D打印设备，根据三维模型的成形路径打印单层模型；重复前一步骤，直到成形得到均匀微米级定向多孔金属零部件。本发明工艺流程简单、成本低，可控性好，可制造孔隙分布均匀和方向可控的微米级定向多孔金属零部件。

Description

一种均匀微米级定向多孔金属材料的3D打印方法
技术领域
本发明属于多孔金属材料增材制造领域，具体涉及一种均匀微米级定向多孔金属材料的3D打印方法。
背景技术
多孔金属材料具有密度小、比表面积大、通透性好、强韧性高、耐高/低温和使用寿命长等特点，在储能、催化、吸附和分离及生命科学等领域具有广泛应用。3D打印技术，尤其是粉末床熔融技术(Powder bed fusion,PBF)在复杂结构高精度成形方面具有独到的优势，已成为多孔材料制备的重要方式之一。
现阶段，低粒子束能量线密度法(Low line density of particle beam energy,LLDE)最常用的PBF多孔金属材料制备方式之一，即通过降低粒子束能量线密度实现金属粉末局部熔融成孔。这种方法具有工艺流程简单、制造成本低以及孔隙尺寸小等优势，可以制备孔隙尺寸低于200μm的多孔金属零部件。然而，这种方法目前仍存在以下问题：
(1)LLDE方法主要通过降低粒子束的能量、增加扫描速度来减小粒子束能量线密度，但这种方法在降低能量线密度的同时，也会降低能量体密度，使金属粉末难以发生重熔，制备的多孔金属材料存在孔隙分布均匀性差的问题。例如，采用激光为能量源进行多孔Ti-6Al-4V(TC4)钛合金3D打印时，主要通过降低激光能量(30-50W)和增加扫描速度(2000-4000mm/s)减小激光能量线密度(0.03-0.09J/mm)，其扫描间距基本保持不变(40-100μm)。这导致激光能量体密度也会随着激光能量线密度的降低而下降，约为15-38J/mm3，采用截距法测得的孔隙间距无量纲标准差约为0.34。
(2)由于粒子束能量体密度的降低，随机生成的孔隙难以出现重熔，制备的多孔材料没有表现出明显定向性，使得LLDE方法难以控制孔隙的方向。这使得LLDE方法存在工艺上的局限性，例如难以制备常用于电子元器件的高效散热装置的均匀微米级定向多孔金属零部件，使LLDE方法的进一步推广和应用受到较大影响。
因此，开发孔隙分布均匀和方向可控的多孔金属材料PBF制备新工艺具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种均匀微米级定向多孔金属的PBF制备方法，通过粒子束的高速度和超短间距耦合作用，在降低粒子束能量线密度的同时，提高粒子束能量体密度，从而形成瞬时能量低而累积能量高的热场，产生定向的局部熔融现象，形成均匀、定向的孔隙薄壁，从而兼顾孔隙分布均匀性及孔隙方向控制。
根据本发明技术方案的第一方面，提供一种均匀微米级定向多孔金属的3D打印方法，包括以下步骤：
步骤1：构建金属零部件三维模型，对所述金属零部件三维模型按照一定层厚进行切片处理，得到切片后的三维模型；
步骤2：根据高速度-超短间距扫描策略，对切片后的所述三维模型进行成形路径规划处理，获得所述三维模型的成形路径；
步骤3：以金属粉末为原料，选择低粒子束能量线密度和高粒子束能量体密度的工艺参数，通过粉末床熔融金属3D打印设备，根据所述三维模型的成形路径打印单层模型；
步骤4：重复上述步骤3，直到成形得到均匀微米级定向多孔金属零部件。
进一步的，步骤1中，所述金属零部件三维模型为致密的三维模型。
进一步的，步骤2中，所述高速度-超短间距扫描策略的扫描路径为Z形、S形和交叉扫描路径中的至少一种，扫描间距为1-10μm，扫描速度为3000-15000mm/s。
这里，当扫描间距低于1μm时，成形效率降低为十分之一左右，没有实际应用价值；当扫描间距超过10μm时，孔隙的定向特征消失，如对比例2和3所示。此外，当扫描速度低于4000mm/s时，粒子束能量线密度较大，部分金属粉末发生完全熔融，孔隙率大幅降低；当扫描速度超过15000mm/s时，激光能量体密度较低，难以发生重熔，形成的孔隙壁不定向不连续。
优选地，扫描间距为2-9μm，扫描速度为4000-13000mm/s；更优选地，扫描间距为3-8μm，扫描速度为5000-11000mm/s；进一步优选地，扫描间距为4-7μm，扫描速度为6000-10000mm/s。
此外，粒子束能量线密度由粒子束功率和扫描速度决定，粒子束功率越小、扫描速度越快，粒子束能量线密度越小。粒子束能量体密度由粒子束能量线密度和扫描间距共同决定，粒子束能量线密度越大、扫描间距越短，粒子束能量体密度越大。因此，在保证制造效率的前提下，在降低粒子束能量线密度的同时提高粒子束能量体密度，需要增加扫描速度、减小扫描间距，且两者发生耦合作用，保证扫描间距对粒子束能量体密度的增加作用超过扫描速度的削弱作用。
进一步的，步骤3中，所述粉末床熔融金属3D打印设备为激光粉末床成形设备、电子束粉末床成形设备和等离子束粉末床成形设备中的至少一种。
进一步的，步骤1中，所述层厚为20-200μm，所述粒子束功率为60-500W。
进一步的，步骤3中，所述粒子束能量线密度为0.005-0.050J/mm，粒子束能量体密度为50-150J/mm3。
进一步的，步骤4中，所述多孔金属零部件的孔隙尺寸为10-300μm，孔隙间距无量纲标准差为0.05-0.25。
进一步的，通过增加粒子束体能量密度来增大所述多孔金属零部件的孔隙方向与水平面的夹角，夹角范围为0-75°。
根据本发明的第二方面，提供一种均匀微米级定向多孔金属的3D打印系统，所述系统包括：
处理器和用于存储可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令，以执行如上任一方面所述的均匀微米级定向多孔金属的3D打印方法。
根据本发明的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一方面所述的均匀微米级定向多孔金属的3D打印方法。
本发明的有益效果包括：
本发明提供的一种均匀微米级定向多孔金属材料的3D打印成形方法，无需使用额外的设备，通过降低粒子束能量线密度且增加粒子束能量体密度，实现孔隙壁的定向重熔，在保证成孔的同时提高了孔隙的均匀性，解决了现有PBF多孔金属材料存在的孔隙均匀性和可控性差的问题。本发明实现了均匀微米级定向多孔金属材料3D打印直接成形，具有工艺简单、成本低、孔隙均匀性好及孔隙方向可控等优势，对特殊功能、复杂结构的均匀微米级定向多孔材料的制备具有重大意义。
附图说明
图1是本发明的一种均匀微米级定向多孔金属的3D打印方法的工艺流程图。
图2是实施例1中均匀微米级定向多孔TC4钛合金的微观结构。
图3是实施例2中均匀微米级定向多孔TC4钛合金的微观结构。
图4是对比例1中传统方法制备多孔TC4钛合金的微观结构。
图5是对比例2中非定向多孔TC4钛合金的微观结构。
图6是对比例3中非定向多孔TC4钛合金的微观结构。
具体实施方式
以下结合附图1-6、实施例和对比例对本发明作进一步的详细说明。
本发明技术方案提供了一种均匀微米级定向多孔金属的3D打印方法，该方法首先通过计算机设计出致密金属零部件三维模型并利用软件进行切片；然后，根据高速度-超短间距扫描策略，对所述切片后的三维模型进行成形路径规划处理；最后，选择低粒子束能量线密度和高粒子束能量体密度的工艺参数，通过粉末床熔融成形3D打印设备，实现均匀微米级定向多孔金属零部件的直接成形。
如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤一：采用计算机构建金属零部件三维模型。该金属零部件三维模型为致密的三维模型。
步骤二：利用分层切片软件对金属零部件三维模型按照一定层厚进行切片处理，得到切片后的三维模型。层厚例如为20-200μm，粒子束功率为60-500W。
步骤三：根据高速度-超短间距扫描策略，对切片后的三维模型进行成形路径规划处理，获得三维模型的成形路径。这里，高速度-超短间距扫描策略的扫描路径为Z形、S形和交叉扫描路径中的至少一种，扫描间距为1-10μm，扫描速度为3000-15000mm/s。
步骤四：以金属粉末为原料，选择低粒子束能量线密度和高粒子束能量体密度的工艺参数，通过粉末床熔融金属3D打印设备，根据三维模型的成形路径打印单层模型。PBF金属3D打印设备为激光粉末床成形设备、电子束粉末床成形设备和等离子束粉末床成形设备中的至少一种。粒子束能量线密度为0.005-0.050J/mm，粒子束能量体密度为50-150J/mm3。
步骤五：重复上述步骤四，直到成形得到均匀微米级定向多孔金属零部件。该多孔金属零部件的孔隙尺寸为10-300μm，孔隙间距无量纲标准差为0.05-0.25。此外，该多孔金属零部件的孔隙方向可以通过增加粒子束体能量密度来增大孔隙方向与水平面的夹角，夹角范围为0-75°。
本发明技术方案涉及的制备方法具有制造成本低、孔隙分布均匀和可控性强等优势，工艺简单灵活性强，可制造形状复杂的均匀微米级定向多孔金属零部件。例如，采用激光为能量源进行多孔Ti-6Al-4V(TC4)钛合金3D打印时，通过高速度和超短间距耦合作用，激光能量线密度可降低至0.008-0.150J/mm，激光能量体密度可提高至53-90J/mm3，采用截距法测得的孔隙间距无量纲标准差可达0.05。
实施例1：
一种均匀微米级定向多孔TC4钛合金3D打印方法，包括以下步骤：
采用计算机构建尺寸为10mm×10mm×10mm的TC4三维模型；利用分层切片软件对TC4三维模型按照30μm层厚进行切片处理，得到切片后的三维模型；采用高速度-超短间距Z形扫描策略，对切片后的三维模型进行成形路径规划处理，扫描速度为7000mm/s，扫描间距为5μm，获得三维模型的成形路径；根据三维模型的成形路径，以TC4钛合金粉末为原料，利用选区激光熔融3D打印机，采用功率为80W激光束打印单层模型(激光能量线密度为0.011J/mm，激光能量体密度为76.19J/mm3)；重复单层模型打印，直到成形得到多孔TC4块体，其内部孔隙与水平面的夹角为60°，孔隙直径为30-120μm，孔隙间距无量纲标准差为0.11，如图2所示。
实施例2：
一种均匀微米级定向多孔TC4钛合金3D打印方法，包括以下步骤：
采用计算机构建尺寸为10mm×10mm×10mm的TC4三维模型；利用分层切片软件对TC4三维模型按照30μm层厚进行切片处理，得到切片后的三维模型；采用高速度-超短间距Z形扫描策略，对切片后的三维模型进行成形路径规划处理，扫描速度为10000mm/s，扫描间距为5μm，获得三维模型的成形路径；根据三维模型的成形路径，以TC4钛合金粉末为原料，利用选区激光熔融3D打印机，采用功率为90W激光束打印单层模型(激光能量线密度为0.009J/mm，激光能量体密度为60J/mm3)；重复单层模型打印，直到成形得到多孔TC4块体，其内部孔隙与水平面的夹角为45°，孔隙直径为30-120μm，孔隙间距无量纲标准差为0.05，如图3所示。
实施例3：
一种均匀微米级定向多孔K418高温合金3D打印方法，包括以下步骤：
采用计算机构建尺寸为5mm×5mm×4mm的K418三维模型；利用分层切片软件K418三维模型按照30μm层厚进行切片处理，得到切片后的三维模型；采用高速度-超短间距Z形扫描策略，对切片后的三维模型进行成形路径规划处理，扫描速度为4000mm/s，扫描间距为5μm，获得三维模型的成形路径；根据三维模型的成形路径，以K418高温合金粉末为原料，利用选区激光熔融3D打印机，采用功率为85W激光束打印单层模型(激光能量线密度为0.021J/mm，激光能量体密度为141.67J/mm3)；重复单层模型打印，直到成形得到多孔K418块体，其内部孔隙与水平面的夹角为15°，孔隙直径为60-280μm，孔隙间距无量纲标准差为0.10。
对比例1：
一种传统多孔TC4钛合金3D打印方法，包括以下步骤：
采用计算机构建尺寸为10mm×10mm×10mm的TC4三维模型；利用分层切片软件对TC4三维模型按照30μm层厚进行切片处理，得到切片后的三维模型；采用低功率的Z形扫描策略，对切片后的三维模型进行成形路径规划处理，扫描速度为900mm/s，扫描间距为80μm，获得三维模型的成形路径；根据三维模型的成形路径，以TC4钛合金粉末为原料，利用选区激光熔融3D打印机，采用功率为35W激光束打印单层模型(激光能量线密度为0.039J/mm，激光能量体密度为16.20J/mm3)；重复单层模型打印，直到成形得到多孔TC4块体，孔隙直径为30-300μm，孔隙间距无量纲标准差为0.34，如图4所示。
对比例2：
一种非定向多孔TC4钛合金3D打印方法，包括以下步骤：
采用计算机构建尺寸为10mm×10mm×10mm的TC4三维模型；利用分层切片软件对TC4三维模型按照30μm层厚进行切片处理，得到切片后的三维模型；采用低功率的Z形扫描策略，对切片后的三维模型进行成形路径规划处理，扫描速度为7000mm/s，扫描间距为15μm，获得三维模型的成形路径；根据三维模型的成形路径，以TC4钛合金粉末为原料，利用选区激光熔融3D打印机，采用功率为80W激光束打印单层模型(激光能量线密度为0.011J/mm，激光能量体密度为25.40J/mm3)；重复单层模型打印，直到成形得到多孔TC4块体，孔隙无定向特征，尺寸为20-160μm，孔隙间距无量纲标准差为0.18，如图5所示。
对比例3：
一种非定向多孔TC4钛合金3D打印方法，包括以下步骤：
采用计算机构建尺寸为10mm×10mm×10mm的TC4三维模型；利用分层切片软件对TC4三维模型按照30μm层厚进行切片处理，得到切片后的三维模型；采用低功率的Z形扫描策略，对切片后的三维模型进行成形路径规划处理，扫描速度为7000mm/s，扫描间距为20μm，获得三维模型的成形路径；根据三维模型的成形路径，以TC4钛合金粉末为原料，利用选区激光熔融3D打印机，采用功率为80W激光束打印单层模型(激光能量线密度为0.011J/mm，激光能量体密度为19.05J/mm3)；重复单层模型打印，直到成形得到多孔TC4块体，孔隙无定向特征，尺寸为20-110μm，孔隙间距无量纲标准差为0.20，如图6所示。
以上对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种均匀微米级定向多孔金属的3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建金属零部件三维模型，对所述金属零部件三维模型按照一定层厚进行切片处理，得到切片后的三维模型；
步骤2：根据高速度-超短间距扫描策略，对切片后的所述三维模型进行成形路径规划处理，获得所述三维模型的成形路径；其中，所述高速度-超短间距扫描策略的扫描路径为Z形、S形和交叉扫描路径中的至少一种，扫描间距为1-10μm，扫描速度为3000-15000mm/s；
步骤3：以金属粉末为原料，选择低粒子束能量线密度和高粒子束能量体密度的工艺参数，通过粉末床熔融金属3D打印设备，根据所述三维模型的成形路径打印单层模型；其中，所述粒子束能量线密度为0.005-0.050J/mm，粒子束能量体密度为50-150J/mm3；
步骤4：重复上述步骤3，直到成形得到均匀微米级定向多孔金属零部件。
2.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，步骤1中，所述金属零部件三维模型为致密的三维模型。
3.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，步骤3中，所述粉末床熔融金属3D打印设备为激光粉末床成形设备、电子束粉末床成形设备和等离子束粉末床成形设备中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述层厚为20-200μm，所述粒子束功率为60-500W。
5.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，步骤4中，所述多孔金属零部件的孔隙尺寸为10-300μm，孔隙间距无量纲标准差为0.05-0.25。
6.根据权利要求5所述的3D打印方法，其特征在于，通过增加粒子束体能量密度来增大所述多孔金属零部件的孔隙方向与水平面的夹角，夹角范围为0-75°。
7.一种均匀微米级定向多孔金属的3D打印系统，其特征在于，所述系统包括：
处理器和用于存储可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令，以执行根据权利要求1-6中任一项所述的均匀微米级定向多孔金属的3D打印方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1-6中任一项所述的均匀微米级定向多孔金属的3D打印方法。
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