CN116550996A - 一种用于激光粉末床熔融空间异质结构成形的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于激光粉末床熔融空间异质结构成形的方法，涉及到激光增材制造领域，包括如下步骤：步骤一：粉料缸内通过弹性板分成数个区域，数个区域内粉末种类不同，其中，弹性板的设置方向与刮刀运动方向平行；步骤二：通过刮刀将步骤一中的粉末刮至成形缸内的基板上；步骤三：采用激光对步骤二中的粉末熔化/凝固，完成一层打印；步骤四：粉料缸上升一个供粉量，成形缸下降一个层厚的高度，重复步骤二和三，完成N层打印。在粉料缸中添加与刮刀运动方向平行的弹性板、成形缸绕轴旋转从而获得空间异质复杂成形结构，本发明方法无需额外增加粉料缸，同时可克服现有异质材料铺粉设备中漏斗落粉堵粉的问题，成形工艺简单，成形过程稳定可靠。

Description

一种用于激光粉末床熔融空间异质结构成形的方法
技术领域
本发明涉及到激光增材制造领域，具体涉及一种用于激光粉末床熔融空间异质结构成形的方法。
背景技术
传统金属结构由均质材料组成，性能单一，然而随着构件越来越严苛的服役环境，同一构件不仅需要两种或更多性能，同时其不同部位需具有不同的功能。因此，传统单一材料已无法满足工业生产对材料综合性能的实际需要。异质材料可结合不同材料的性能特点，实现局部定制化的性能及功能，使构件适应极端服役环境(超高温、高压等)，满足航空航天复杂构件轻量化-性能/功能一体化-智能化的发展方向。
激光增材制造(Laser Additive Manufacturing,LAM)具有“材料制备”与“构件成形”一体化的工艺特点，为异质材料成形提供了一条技术途径。基于LAM工艺可将合适的材料分布在合适的位置，在同一构件上实现不同材料布局，达到“好钢用在刀刃上”的目的，实现对金属构件性能/功能的主动调控，显著提高结构效率。
送粉式的激光定向能量沉积技术通过多个粉筒协调作用较易实现异质材料成形，然其成形精度不高，无法制备复杂精密结构构件。铺粉式的激光粉末床熔融技术在精密复杂构件成形方面具有显著优势，然受制于铺粉原理，其不易在成形过程中按需自由分布所需的异种材料，最终难以自由制造异质材料构件。现有基于激光粉末床熔融技术制备异质材料时会在成形腔体内设置多个粉料筒，或采用多漏斗重力落粉，或采用多个刮刀铺粉。上述方法不仅占据成形腔体空间，同时增加设备成本，降低成形效率；此外，多漏斗落粉方法还易产生堵粉等问题。现有中国专利CN114799229A提出一种用于选区激光熔化成形异质材料的螺旋式送粉方法及装置，该方法通过具有分路送粉功能和多个具有双螺旋结构特征的送粉器来实现。尽管上述方法可精确控制不同粉末，然其仅能制备层间异质材料，仍无法实现异质材料层内按需分布。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种用于激光粉末床熔融空间异质结构成形的方法，在粉料缸中添加与刮刀运动方向平行的弹性板、成形缸绕结构形心Z轴旋转从而获得空间异质复杂成形结构，本发明方法无需额外增加粉料缸，同时可克服现有异质材料铺粉设备中漏斗落粉堵粉的问题，成形工艺简单，成形过程稳定可靠。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种用于激光粉末床熔融空间异质结构成形的方法，包括如下步骤：
步骤一：粉料缸内通过弹性板分成数个区域，数个区域内粉末种类不同，其中，弹性板的设置方向与刮刀运动方向平行；
步骤二：通过刮刀将步骤一中的粉末刮至成形缸内的基板上；
步骤三：采用激光对步骤二中的粉末熔化/凝固，完成一层打印；
步骤四：粉料缸上升一个供粉量，成形缸下降一个层厚的高度，重复步骤二和三，完成N层打印。
上述方案中，在步骤四结束后，通过旋转成形缸能够获得不同空间异质结构的金属构件。
上述方案中，成形缸的旋转角度α范围0～360°。
上述方案中，弹性板厚度为0.2～0.5mm，相邻弹性板之间间距为0.5～10mm。
上述方案中，粉末球形度>90％，纯度>99.9％，粒径5～50μm。
上述方案中，激光光斑直径为70μm，激光功率50～500W，扫描速度200～3000mm/s，采用之字形、正交形、棋盘形或者扫描策略，扫描间距30～100μm。
上述方案中，当成形缸腔体内氧含量不超过20ppm时，开启激光器，同时开启基板预热功能升高基板温度至150℃，激光根据路径规划对不同成形缸内粉末进行熔化。
上述方案中，所述刮刀设置在粉料缸上方，刮刀根据设置的竖直进给量下行后沿预定轨道划粉。
上述方案中，成形缸铺粉层厚30～50μm。
上述方案中，粉末缸内粉末供粉量为1～3倍成形缸内粉末铺粉层厚。
有益效果：
1.本发明仅需在粉料缸中添加弹性板同时成形缸绕结构的形心Z轴旋转，即可自由地在不同层内及层间不同区域按需分布不同的材料，实现空间异质复杂结构成形，方法简单，加工效率较高。
2.本发明无需增加额外粉料缸，降低了使用成本，同时可克服异质材料铺粉成形过程中基于多漏斗重力落粉方式的粉末卡粉、工艺不稳定的问题。
3.本发明方法制备的空间异质结构成形精度及致密度均较高，具有很好的成形质量，可适用于多种复杂结构打印。
附图说明
图1为本发明实施例涉及到的用于激光粉末床熔融空间异质结构成形的方法的流程图；
图2为刮刀、粉料缸及弹性板配合示意图；
图3为成形缸绕构件形心Z轴旋转的示意图；
图4为根据本发明方法获得的异质材料示意图一；
图5为根据本发明方法获得的异质材料示意图二。
附图标记：
1-弹性板；2-材料A；3-材料B；4-材料C；5-材料D；6-材料E。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“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发明和简化描述，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发明的限制。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种用于激光粉末床熔融空间异质规则结构的成形方法，包括如下步骤：
步骤一：根据构件形状尺寸在粉料缸中设置多个弹性板，弹性板放置方向与刮刀运动方向平行，相邻弹性板空间内可倒入不同的粉末，使其在二维平面内具有多种异质材料分布；
步骤二：通过刮粉装置将步骤一中的粉末刮至成形缸，使粉末在基板均匀铺展；
步骤三：基于激光粉末床熔融技术对步骤二中的粉末进行熔化/凝固，完成一层打印；
步骤四：粉料缸上升一个供粉量，成形缸下降一个层厚的高度，重复上述二和三步骤，完成N层打印；
步骤五：根据金属构件的结构特征，在步骤四结束后成形缸绕金属构件形心Z轴旋转角度α；
步骤六：重复上述步骤五-六直至完成空间异质结构加工。
其中，步骤一中，填充异质材料种类数最多不超过弹性板数量+1；弹性板具有变形能力，弹性板厚度为0.2-0.5mm，弹性板间距为0.5-10mm，且可不等间距排列；异种粉末球形度>90％，纯度>99.9％，粒径5～50μm，以使粉末具有较好的流动性。
其中，步骤二中，弹性板在刮粉装置刮粉时会有序下降；基板种类按照异质材料成分相似原则进行选择，即打印构件由哪几种材料组成，则定制基板的成分就为上述异质材料成分，且不同成分含量相似。
其中，步骤三中，不同弹性板空间内，由于不同材料对激光吸收率且成形特性各异，因此不同材料需选择成形性最优的激光加工参数进行打印(光斑直径为70μm，激光功率50～500W，扫描速度200～3000mm/s，采用之字形、正交形、棋盘形、重熔等多种扫描策略，铺粉层厚30～50μm，扫描间距30～100μm)。为隔绝腔体内的氧气防止构件出现气孔，同时吹散当前成形层的热量，成形过程中需不断通入保护气体。
其中，步骤四中，当成形腔体内氧含量低于20ppm时，开启激光器；设置粉末供粉量为3倍的铺粉层厚保证顺利铺粉；同时为了降低基板与前面几层的温度梯度，需开启基板预热功能对其预热，当基板温度升高至150℃，激光根据路径规划对不同粉末进行熔化。
其中，步骤5中，成形缸绕构件形心Z轴的旋转角度在0～360°之间。添加弹性板后已在层内实现异质分布，因此当构件为空间规则结构时成形缸无需旋转；而当构件为空间螺旋或其他不规则结构时，成形缸需绕Z轴旋转，旋转角度＞0°；每打印完N层后旋转1次，直至完成空间异质结构成形。
实施例1
结合附图所示，一种用于激光粉末床熔融空间异质规则结构的成形方法，包括以下步骤：
步骤一：根据构件形状尺寸在粉料缸中平行于刮刀运动方向添加两块弹性板1，不同弹性板1分割出的空间内分别倒入钛合金、铝合金和镍基合金粉末，从而使其在同一平面内具有多种异质材料分布；
步骤二：成形缸内安装定制基板，其中，基板成分为Al、Ti、Fe，Al、Ti、Fe三种元素含量接近，通过刮粉装置将粉料缸中的3种粉末(球形度>90％，纯度>99.9％，粒径5～50μm)刮至成形缸，使粉末在基板均匀铺展；刮粉时，弹性薄板1可有序下降；
步骤三：当成形腔内氧含量低于20ppm时，开启基板预热功能，当基板预热温度为150℃时，基于激光粉末床熔融技术对上述三种粉末分别进行熔化/凝固，完成一层打印；
基于优化的工艺参数，三种粉末均采用分区岛状扫描策略，层厚设置为30μm，扫描间距50μm；铝合金激光功率为400W，扫描速度3000mm/s；钛合金激光功率为350W，扫描速度2000mm/s；镍基合金300W，1000mm/s；
步骤四：一层打印结束后，粉料缸上升90μm，成形缸下降30μm，重复步骤四打印100层直至完成构件打印。
附图4为实施例1打印后得到的空间异质结构，其中，左边为镍基合金，中间为铝合金，右边为钛合金。
实施例2
实施例2与具体实施例1不同的是在每成形30层后，成形缸绕成形缸Z轴旋转30°；重复旋转3次直至完成构件打印，其它步骤与实施例1一样。
附图5为实施例2得到的空间异质结构。
表1实施例1和2获得的空间异质结构的参数
结构 致密度(％) 尺寸精度
1 99.8 ±0.08mm
2 99.6 ±0.1mm
表1中激光粉末床熔融成形两种结构的致密度及尺寸精度，其中，实施例1中空间异质结构的致密度为99.8％，尺寸精度为±0.08mm；实施例2中空间异质结构的致密度为99.6％，尺寸精度为±0.1mm。因此，根据本发明方法制备的空间异质结构成形精度及致密度均较高，具有很好的成形质量，可适用于多种复杂结构打印。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种用于激光粉末床熔融空间异质结构成形的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：粉料缸内通过弹性板分成数个区域，数个区域内粉末种类不同，其中，弹性板的设置方向与刮刀运动方向平行；
步骤二：通过刮刀将步骤一中的粉末刮至成形缸内的基板上；
步骤三：采用激光对步骤二中的粉末熔化/凝固，完成一层打印；
步骤四：粉料缸上升一个供粉量，成形缸下降一个层厚的高度，重复步骤二和三，完成N层打印。
2.根据权利要求1所述的用于激光粉末床熔融空间异质结构成形的方法，其特征在于，在步骤四结束后，通过旋转成形缸能够获得不同空间异质结构的金属构件。
3.根据权利要求2所述的用于激光粉末床熔融空间异质结构成形的方法，其特征在于，成形缸的旋转角度α范围0～360°。
4.根据权利要求1所述的用于激光粉末床熔融空间异质结构成形的方法，其特征在于，弹性板厚度为0.2～0.5mm，相邻弹性板之间间距为0.5～10mm。
5.根据权利要求1所述的用于激光粉末床熔融空间异质结构成形的方法，其特征在于，粉末球形度>90％，纯度>99.9％，粒径5～50μm。
6.根据权利要求1所述的用于激光粉末床熔融空间异质结构成形的方法，其特征在于，激光光斑直径为70μm，激光功率50～500W，扫描速度200～3000mm/s，采用之字形、正交形、棋盘形或者扫描策略，扫描间距30～100μm。
7.根据权利要求1所述的用于激光粉末床熔融空间异质结构成形的方法，其特征在于，当成形缸腔体内氧含量不超过20ppm时，开启激光器，同时开启基板预热功能升高基板温度至150℃，激光根据路径规划对不同成形缸内粉末进行熔化。
8.根据权利要求1所述的用于激光粉末床熔融空间异质结构成形的方法，其特征在于，所述刮刀设置在粉料缸上方，刮刀根据设置的竖直进给量下行后沿预定轨道划粉。
9.根据权利要求1所述的用于激光粉末床熔融空间异质结构成形的方法，其特征在于，成形缸铺粉层厚30～50μm。
10.根据权利要求1所述的用于激光粉末床熔融空间异质结构成形的方法，其特征在于，粉末缸内粉末供粉量为1～3倍成形缸内粉末铺粉层厚。
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