CN116511522A - 一种金属表面激光定向能沉积增材制造方法 - Google Patents

一种金属表面激光定向能沉积增材制造方法 Download PDF

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肖海峰
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Abstract

本发明公开了一种金属表面激光定向能沉积增材制造方法，属于激光增材制造技术领域，包括：S1、对高导热金属基体进行第一次热处理，以降低金属基体的导热率；S2、对降低导热率后的金属基体进行表面清洁预处理；S3、在预处理后的金属基体表面进行激光定向能量沉积增材制造。基于所述制造方法，本发明还提供了一种双金属构件。本发明的方法操作方便，精确可靠，能够提升激光加工时的能量利用率，可以避免熔池存在时间短、铺展不足造成的成形熔道极不连续甚至球化的问题，不会增加基体变形，不会降低材料的性能，并且能够提升高导热材料的激光定向能量沉积增材制造的质量。

Description

一种金属表面激光定向能沉积增材制造方法
技术领域
本发明属于激光增材制造技术领域，更具体地，涉及一种金属表面激光定向能沉积增材制造方法。
背景技术
高导热金属如铜合金、铝合金等由于具有极高的导热性，在工业界应用广泛。但是这类金属材料一般强度和硬度较低，耐磨性较差。为了提高其构件使用寿命，一般需要在其构件表面增材制造一定厚度的高强度材料，激光定向能量沉积增材制造是最常用的方法之一，即把这种高导热金属材料构件作为基体，在基体上采用激光定向能量沉积增材制造一定厚度的高强度或者高耐磨材料，如在铜合金和铝合金表面激光定向能量沉积增材制造镍、钢等强化层。但是在增材制造过程中具有熔池存在时间短、铺展不足，成形后的熔道极不连续甚至球化，以及增材制造层成形质量差、容易产生孔洞等冶金缺陷。
目前常用的解决方法一种是提高输入激光能量，这种方式可以一定程度上缓解熔池铺展不足的危害，但是也会使基体变形增大，基体增大会进一步需要更大的激光能量，且无法定量计算，并且也无法完全解决形过程中产生孔洞等冶金缺陷的问题。另一种是采用表面改性方式增加材料对激光的吸收率，如电/化学镀层、气相沉积、冷/热/等离子喷涂等，但是这些方式与提高输入激光能量作用类似，仍然会造成基体变形增大，还可能会引入异种元素，造成材料性能下降。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种金属表面激光定向能沉积增材制造方法，其目的在于不增加基体变形及不降低材料性能的同时，提升高导热金属增材制造的成形质量。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种金属表面激光定向能沉积增材制造方法，包括：
S1、对高导热金属基体进行第一次热处理，以降低所述金属基体的导热率；
S2、对降低导热率后的金属基体进行表面清洁预处理；
S3、在预处理后的金属基体表面进行激光定向能量沉积增材制造。
进一步地，S1中，第一次热处理后，还包括步骤：
在所述金属基体的待沉积部位用激光进行扫描使所述部位处于过溶状态。
进一步地，S1中，降低所述金属基体的导热率至最高导热率的50％以下。
进一步地，S1中，降低所述金属基体的导热率至最低导热率状态。
进一步地，还包括：
S4、对激光定向能量沉积增材制造获得的工件进行第二次热处理，以提升所述金属基体的导热率。
进一步地，所述第一次热处理包括：固溶热处理、冷轧-固溶热处理或化学热处理；
所述第二次热处理包括：时效析出热处理或退火热处理。
进一步地，所述高导热金属基体为析出强化型高导热合金。
进一步地，所述析出强化型高导热合金包括铜合金或铝合金。
进一步地，所述高导热金属基体的制造方法包括：铸造、锻造、轧制、激光粉末床制造、电子束粉末床制造、激光熔丝成形或电弧熔丝成形。
按照本发明的另一方面，提供了一种双金属构件，通过第一方面任意一项所述的方法制备得到。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明的方法，通过对高导热的金属基体进行热处理降低金属基体的导热率，并清洁处理之后，再进行增材制造，可以降低在增材制造过程中金属基体的散热，进而提升激光加工时的能量利用率，避免熔池存在时间短、铺展不足造成的成形熔道极不连续甚至球化的问题，提升了成形质量，同时，本发明的这种先降低金属基体的导热率解决增材制造过程中存在的问题，后续可以再提升金属基体的导热率以发挥高导热金属基体应有作用的方式，不会增加基体变形，也不会引入异种元素，也就不会降低材料的性能，进一步提升了成形质量。
(2)作为优选，当对金属基体整体进行第一次热处理后，再用激光在要沉积的部位扫描，由于激光扫描时的超高冷却速率，使得激光作用区域的材料处于过固溶状态，整体热处理结合局部激光热处理，进一步降低基体的导热率，进一步提升成形质量。
(3)作为优选，对于同一种金属基体材料，当导热率降低至其最高导热率的50％以下时，可以较好的降低金属基体的散热，提升后续激光加工时的能量利用率，提升成形质量。
(4)作为优选，当降低金属基体的导热率至最低导热率状态时，可以最大程度上降低金属基体的散热，激光加工时的能量利用率最高，成形质量最好。
(5)通过对激光定向能量沉积增材制造获得的工件进行第二次热处理，提升金属基体的导热率，用于发挥高导热金属基体应有的价值。
(6)本发明的方法，对高导热金属基体的制造方法并无特殊要求，常用的制造方式均可适用，且所有的析出强化型高导热合金均可作为金属基体，应用范围广泛。
(7)本发明的方式可以对环形、异形等复杂结构进行处理，尤其是针对大型零件进行处理的优势更明显，适用性广泛。
总而言之，本发明的方法操作方便，精确可靠，能够提升高导热材料的激光定向能量沉积增材制造的质量。
附图说明
图1为本发明的金属表面激光定向能沉积增材制造方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
如图1所示，本发明的金属表面激光定向能沉积增材制造方法，主要包括如下步骤：
S1、对高导热金属基体进行第一次热处理，以降低金属基体的导热率；
S2、对降低导热率后的金属基体进行表面清洁预处理，使之适合激光定向能量沉积增材制造；
S3、在预处理后的金属基体表面进行激光定向能量沉积增材制造。
S1中，作为优选，该高导热金属基体优选为析出强化型高导热合金，如铜合金、铝合金等。
第一次热处理包括但不限于固溶热处理、冷轧-固溶热处理、化学热处理等中的任一种。
作为优选，降低金属基体的导热率至最高导热率的50％以下；对于同一种金属基体材料，当导热率降低至其最高导热率的50％以下时，可以较好的降低金属基体的散热，提升后续激光加工时的能量利用率，提升成形质量。
作为进一步优选，降低金属基体的导热率至最低导热率状态，此时的效果最好。其中，针对不同金属基体，在不同的制造方法下的最低导热率可以通过实验获得。
高导热金属基体的制造方法包括但不限于：铸造、锻造、轧制、激光粉末床制造、电子束粉末床制造、激光熔丝成形、电弧熔丝成形等中的任一种。
作为优选，在S1中，第一次热处理后，还包括步骤：在金属基体的待沉积部位用激光进行扫描使该部位处于过溶状态；由于激光扫描时的超高冷却速率，使得激光作用区域的材料处于过固溶状态，整体热处理结合局部激光热处理，可以进一步降低基体的导热率，进一步提升成形质量。
进一步地，本发明的方法还包括：
S4、对激光定向能量沉积增材制造获得的工件进行第二次热处理，以提升金属基体的导热率。
作为优选，第二次热处理包括但不限于退火热处理、时效析出热处理等。
按照本发明的另一方面，提供了一种双金属构件，该双金属构件通过上述的金属表面激光定向能沉积增材制造方法制备得到。
本发明的方法，通过对高导热的金属基体进行热处理降低金属基体的导热率，并清洁处理之后，再进行增材制造，可以降低在增材制造过程中金属基体的散热，进而提升激光加工时的能量利用率，避免熔池存在时间短、铺展不足造成的成形熔道极不连续甚至球化的问题，提升了成形质量，同时，本发明的这种先降低金属基体的导热率解决增材制造过程中存在的问题，后续可以再提升金属基体的导热率以发挥高导热金属基体应有作用的方式，不会增加基体变形，也不会引入异种元素，也就不会降低材料的性能，进一步提升了成形质量。
为了进一步解释本发明的方法，下面以具体的实施例进行进一步说明，当然，本发明的方法不限于实施例给出的具体材料，只要服从该方法的实施例均能够满足要求。
实施例1
轧制CuCr0.8铜合金基体表面激光定向能量沉积沉积增材制造GH4169高温合金
S1：采用保温1020℃/1.5h(水淬)的固溶热处理工艺对轧制CuCr0.8基体进行处理，使得第二相颗粒(Cr强化粒子)全部固溶进入铜基体，在水淬快速冷却条件下获得过饱和固溶体，使基体导热率最低；其中，在其它实施例中，也可以采用化学热处理、冷轧-固溶热处理等其他热处理方式来降低基体的导热率；
S2：通过机加工对S1处理后的基体表面进行处理并使用酒精超声波清洗进行清洁；
S3：在处理后的CuCr0.8基体上进行激光定向能量沉积增材制造Inconal718高温合金制造。其中，工艺参数为激光功率1400W，扫描速度10mm/s，送粉量7g/min；最终在固溶态CuCr0.8基体激光定向能量沉积成形In718熔池深度为165.0±6.3μm。
对比例1
与实施例1不同的是，对比例1直接采用轧制态CuCr0.8基体进行激光定向能量沉积，与实施例1采用相同的工艺参数(激光功率1400W，扫描速度10mm/s，送粉量7g/min)，最终成形In718熔池深度为126.7±14.8μm。也即，相比于对比例1，实施例1中的熔深提升了30.2％。
对比例2
与实施例1不同的是，对比例2直接采用轧制态CuCr0.8基体进行激光定向能量沉积，经过激光定向能量沉积成形In718熔池深度要达到165.0μm时，在相同成形环境下需要1600W的激光能量。也即，相比于对比例2，实施例1中可以减少14.3％的激光能量输入。
实施例2
激光选区熔化成形AlSi10Mg构件表面激光定向能量沉积增材制造316L钢。
S1：采用保温540℃/4h(水淬)的固溶热处理工艺对AlSi10Mg构件进行处理，使得块状Si颗粒和纳米级第二相颗粒Mg2Si强化粒子固溶进入铝基体，获得过饱和固溶体，降低基体的导热率；
S2：对S1处理后的构件表面进行喷砂处理并使用酒精清洁；
S3：在处理后的AlSi10Mg构件上进行激光定向能量沉积增材制造316L钢。
实施例3
挤压成形7050铝合金环形零件表面激光定向能量沉积增材制造SiC/Al基复合材料；
S1：采用保温480℃/2h(水淬)的固溶热处理工艺对挤压成形7050环形零件进行处理，使得第二相颗粒(Al7Cu2Fe和MgZn2)固溶进入铝基体，获得过饱和固溶体，降低基体的导热率；
S2：清洗S1处理后的零件并烘干；
S3：在处理后的7050环形零件上进行激光定向能量沉积增材制造SiC/Al基复合材料。
通过上述三个实施例，可以得到，在相同的工艺参数，与直接对基体材料进行激光定向能量沉积相比，本发明实施例可以提升熔深；在相同成形环境下，若两者达到相同的熔深，本发明实施例需要更小的激光能量输入。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种金属表面激光定向能沉积增材制造方法，其特征在于，包括：
S1、对高导热金属基体进行第一次热处理，以降低所述金属基体的导热率；
S2、对降低导热率后的金属基体进行表面清洁预处理；
S3、在预处理后的金属基体表面进行激光定向能量沉积增材制造。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中，第一次热处理后，还包括步骤：
在所述金属基体的待沉积部位用激光进行扫描使所述部位处于过溶状态。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，S1中，降低所述金属基体的导热率至最高导热率的50％以下。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，S1中，降低所述金属基体的导热率至最低导热率状态。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括：
S4、对激光定向能量沉积增材制造获得的工件进行第二次热处理，以提升所述金属基体的导热率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一次热处理包括：固溶热处理、冷轧-固溶热处理或化学热处理；
所述第二次热处理包括：时效析出热处理或退火热处理。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述高导热金属基体为析出强化型高导热合金。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述析出强化型高导热合金包括铜合金或铝合金。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述高导热金属基体的制造方法包括：铸造、锻造、轧制、激光粉末床制造、电子束粉末床制造、激光熔丝成形或电弧熔丝成形。
10.一种双金属构件，其特征在于，通过权利要求1-9任意一项所述的方法制备得到。
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