CN116887934A - 激光粉末床熔合增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

披露了一种激光粉末床熔合增材制造方法，该方法包括在包含氮气的保护气氛中对钢粉末的粉末床的层进行激光熔化，其中该粉末床的温度低于220℃。该钢粉末的组成可以按重量计包含：3％至7％的Cr、2％‑5％的Mo、0.2％至0.7％的V、最多0.7％的Si、最多1％的Mn、最多1.5％的C，以及其余的为Fe。

Description

激光粉末床熔合增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种激光粉末床熔合增材制造方法。本发明特别地应用于由钢、更特别地工具钢、并且甚至更优选热作工具钢(hot tool work steel)如BOHLER W360AMPO来构建物体。
背景技术
激光粉末床熔合增材制造包括使用激光束对粉末(如金属粉末材料)进行逐层固化。将粉末层沉积在构建室中的粉末床上，并且将激光束扫过该粉末层的与正在构造的物体的截面相对应的部分。激光束将粉末熔化以便形成固化层。在层的选择性固化之后，使粉末床降低新固化的层的厚度，并且根据需要在表面上铺展另一层粉末并使其固化。
为了避免金属在构建期间氧化，该构建是在含有保护气氛的室中进行的。氩气通常被用作保护气氛的气体，但是也可以使用其他稀有气体(noble gas)或氮气。该室被清除氧气并填充有保护气体，从而将该室中的氧气含量降低至小于0.1％。
使用激光粉末床熔合增材制造由钢(如BOHLER W360 AMPO)构建物体的问题在于材料在固化时容易开裂。为了避免裂纹的形成，已知的是对粉末床进行预热。WO 2019/233962披露了对钢粉末进行粉末床熔合增材制造的实例，其中将粉末床加热至230℃、400℃和500℃。
将粉末床预热到这样的温度的问题在于，它需要在激光粉末床熔合增材制造机器内的加热元件，并且该机器必须设计成经受住粉末床的这些温度。这增加了机器的复杂性，并因此增加了成本且降低了机器的可靠性。此外，完成构建与从机器中移出物体之间的时间增加了，因为用户可能不得不等待粉末床和物体冷却之后再将物体与粉末分离并从机器中移出。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种激光粉末床熔合增材制造方法，该方法包括在包含氮气的保护气氛中对钢粉末的粉末床的层进行激光熔化，其中该粉末床的(本体)温度低于220℃。
已经发现，通过在包含氮气的保护气氛中熔化工具钢粉末，可以降低粉末床的温度而不引入不可接受的数目的裂纹。特别地，据信将氮吸收到熔池中延缓了奥氏体向马氏体的转变，与在类似条件下但在氩气气氛中构建物体相比，增加了最终固化的材料中残余奥氏体的量(按体积分数计)。额外的柔软且具可塑性的奥氏体可以适应由激光粉末床熔合过程期间的快速冷却产生的高残余应力，从而防止硬但脆的部件开裂。以这种方式，该方法可以在不将粉末预热至高于230℃的温度的情况下在机器中进行。
该方法可以包括将粉末床的粉末层激光熔化，其中粉末床的(本体)温度低于200℃并且优选低于170℃。该方法可以包括将粉末床的粉末层激光熔化，其中支撑粉末床的构建平台的温度低于220℃、优选低于200℃、并且最优选低于170℃。该方法可以包括将粉末床的粉末层激光熔化，其中含有粉末床的构建室的壁的温度低于220℃、优选低于200℃、并且最优选低于170℃。该方法可以包括将粉末床的粉末层激光熔化，其中粉末床的表面温度低于220℃、优选低于200℃、并且最优选低于170℃。
通过在低于220℃、并且优选低于200℃、并且最优选低于170℃的粉末床温度下进行该方法，没有必要将该方法在能够将粉末床加热至230℃及以上的激光粉末床熔合机器中进行。此外，由于较低的粉末床温度，因此可以减少构建完成与将物体从机器中移出之间的时间。
该方法可以包括将粉末床预热至高于80℃、优选高于100℃、更优选高于120℃并且任选高于150℃的(本体)温度。该方法可以包括将构建平台预热至高于80℃、优选高于100℃、更优选高于120℃并且任选高于150℃的温度。该方法可以包括将含有粉末床的构建室的壁预热至高于80℃、优选高于100℃、更优选高于120℃并且最任选高于150℃。该方法可以包括将粉末床的粉末层熔化，其中粉末床的表面温度高于80℃、优选高于100℃、更优选高于120℃并且任选高于150℃。据信即使在氮气气氛的存在下，可能也需要对钢粉末进行预热以抑制在熔融材料的固化期间的马氏体形成，这被认为将减少固化开裂，尽管预热温度将低于若在氩气气氛下熔化粉末时。预热温度将与钢粉末在氮气气氛下的马氏体起始温度有关，根据钢粉末的组成和固溶体中存在的氮量，该温度可能在80℃至150℃的范围内。
在一些实施例中，可能希望具有基本上由氮气组成的保护气氛。在这些实施例中，可以使用具有99.998％纯度的氮气，并且可以实现具有高至99.998％氮气的保护气氛，在具有基本上包含氮气的保护气氛的其他实施例中可以实现具有99.99％氮气、99.95％氮气、99.9％氮气或99.8％的保护气氛。
任选地，保护气氛可以基本上由氮气和另外的保护气体(例如稀有气体如氩气或氦气)组成。保护气氛可以包含按体积计至少5％的氮气，任选地，保护气氛可以包含按体积计在6％至99.998％、任选地7％至99.99％任选地99.95％、任选地8％至99.9％、任选地9％至99.8％、任选地10％至95％、任选地20％至90％、任选地30％至80％、任选地40％至70％、任选地50％至60％的范围内的氮气，任选地，在保护气氛中氧气浓度可以小于1000ppm、任选地小于500ppm。
保护气氛可以包含按体积计至少5％、任选地至少10％、任选地至少20％、任选地至少30％、任选地至少40％、任选地至少50％、任选地至少60％的氩气。
在保护气氛中氧气浓度可以小于1000ppm、任选地小于900ppm、任选地小于800ppm、任选地小于700ppm、任选地小于600ppm、任选地小于500ppm、任选地小于400ppm、任选地小于300ppm、任选地小于200ppm、任选地小于100ppm。
钢粉末可以包含按重量计3％-7％的铬含量。钢粉末可以是Cr-Mo-V钢。
钢粉末可以是工具钢粉末。工具钢粉末可以是热作工具钢(hot working toolsteel)粉末。
工具钢粉末可以是热作工具钢(hot working tool steel)粉末。工具钢/热作钢粉末可以包含5％的铬含量。工具钢/热作钢粉末可以是Cr-Mo-V工具钢/热作钢粉末。
钢可以具有按重量计0.3％至0.6％的碳含量。
钢粉末的组成可以按重量计包含：
铬，Cr 3％-7％、优选4％至6％、并且更优选4.2％至5.0％
钼，Mo 0.5％-5％、优选2％-5％、并且甚至更优选2.8％至3.3％
硅，Si 最多1.5％、优选最多0.7％、并且更优选0.05％-0.7％、并且甚至更优选0.1％至0.3％
钒，V 0.1％至1.5％、优选0.2％至0.7％、并且更优选0.41％至0.69％
锰，Mn 最多1％、并且更优选0.1％至0.4％
碳，C 最多1.5％、并且优选0.3％至0.6％、并且甚至更优选0.45％至0.56％
铁，Fe 其余
该组成可以不包含其他主要成分(按重量计大于0.5％)。其他元素可以少量存在(按重量计小于0.5％)，如镍、铜、磷和硫。
钢粉末的组成可以按重量计基本上由以下组成：
铬，Cr 3％-7％、优选4％至6％、并且更优选4.2％至5.0％
钼，Mo 0.5％-5％、优选2％-5％、并且甚至更优选2.8％至3.3％
硅，Si 最多1.5％、优选最多0.7％、并且更优选0.05％-0.7％、并且甚至更优选0.1％至0.3％
钒，V 0.1％至1.5％、优选0.2％至0.7％、并且更优选0.41％至0.69％
锰，Mn 最多1％、并且更优选0.1％至0.4％
碳，C 最多1.5％、并且优选0.3％至0.6％、并且甚至更优选0.45％至0.56％
其余是铁(Fe)和由制造过程产生的杂质。
钢粉末可以是 W360 AMPO。
钢粉末可以是H13工具钢粉末。
钢粉末可以包含以下粒度分布15-45μm：
D10 18-24μm
D50 29-35μm
D90 42-50μm
表观密度 ≥3.6(基于ASTM B964或DIN EN ISO 3923-1)
对粉末床的层进行激光熔化可以包括根据一组暴露参数控制激光和/或激光扫描器，以将激光引导至粉末层的相继层的选定区域。
暴露参数可以是这样的，即使得熔池以过渡或传导模式形成。将理解，如本文使用的“传导模式”意指能量束的能量主要通过热传导耦合到粉末床中，从而创建宽度等于或大于其深度两倍(深宽比小于0.5)的熔池。这与锁孔模式形成对比，在锁孔模式下，在熔池中形成孔，在熔池中，材料通过暴露于能量束而汽化。以锁孔模式形成的熔池具有深而窄的轮廓，深宽比大于1.5。在传导模式与锁孔模式之间存在过渡模式，其中能量没有足够快地消散并且处理温度升高到汽化温度以上。熔池的深度增加，并且熔池的渗透可以开始。优选地，该方法包括将该层暴露于至少一个能量束来以传导或过渡模式形成深宽比小于1.5、优选地小于1、更优选小于0.75、并且最优选小于或等于0.5的熔池。
该至少一个能量束的暴露参数可以使得固化前沿速度和/或冷却速率引起微观结构的改进，该改进改变了通过用该至少一个能量束辐照粉末而形成的熔融材料的液体膜。该至少一个能量束的暴露参数可以使得固化前沿速度和/或冷却速率高于预定阈值。冷却速率阈值可以高于1.4x 106K/s。冷却速率可以是1.4x 106K/s至1.5x 107K/s。
暴露参数可以包括能量束的功率、能量束的扫描速度、扫描路径之间的距离(在下文中称为影线距离)、沿扫描路径的点之间的点距和每个点的暴露时间(以及任选地点暴露之间的延迟时间)和/或光斑尺寸(或焦距)。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的粉末床熔合增材制造设备的示意图；
图2是用于构建实例1的样品的暴露参数的表；
图3是实例1样品的功率、点距和影线距离的坐标图，展示了具有可见裂纹的样品和没有可见裂纹的样品；
图4是用于构建实例2的样品的暴露参数的表；
图5是实例2样品的功率、点距和影线距离的坐标图，展示了具有可见裂纹的样品和没有可见裂纹的样品；
图6是BOHLER W360的连续冷却转变(CCT)图；
图7是实例2的样品9的图像；
图8是实例2的样品9的放大图像；
图9是用于构建实例3的样品的暴露参数的表；以及
图10a至图10o分别是实例3的样品1至样品9和样品11至样品16的放大图像。
具体实施方式
参考图1，根据本发明的实施例的粉末床熔合增材制造设备包括构建室101，该构建室可以与外部环境密封开，使得可以在其中维持保护气氛。在构建室101内的是分隔件115、116，这些分隔件限定了构建套筒117。构建平台102可在构建套筒117中降低。当通过选择性激光熔化粉末来构建工件时，构建平台102支撑粉末床104和工件(零件)103。随着工件103的相继层的形成，平台102在驱动器(未示出)的控制下在构建套筒117内降低。
在通过层形成装置，在此实施例中，通过分配设备和擦拭器(未示出)构建工件103时，形成粉末104的层。例如，分配设备可以是如在WO 2010/007396中描述的设备。分配设备将粉末分配到由分隔件115限定的上表面上，并通过擦拭器铺展在粉末床上。擦拭器的下边缘的位置限定了工作平面190，粉末在该工作平面处固结。构建方向BD垂直于工作平面190。
多个激光模块105a、105c产生用于熔化粉末104的激光束118a、118c，这些激光束118a、118c按需要由对应光学模块(扫描器)106a、106c引导。激光束118a、118c穿过共用激光窗口107进入。在另一个实施例中，提供分开的窗口，典型地每个激光束一个，尽管多个激光束可以透射穿过单一窗口。每个光学模块106a、106c包括用于使激光束118沿垂直方向在整个工作平面上转向的转向光学器件121(如安装在检流计上的两个反射镜)以及用于改变对应激光束118的焦点的聚焦光学器件120(如两个可移动透镜)。扫描器被控制成使得当激光束118在工作平面上移动时，激光束118的焦点位置保持在工作平面190中。代替使用动态聚焦元件将激光束的焦点位置维持在平面中，可以使用f-θ透镜。
入口和出口(未示出)被布置用于产生跨过形成在构建平台102上的粉末床的气体流。入口和出口被布置为产生具有从入口到出口的流动方向的层流。气体通过气体再循环回路(未示出)从出口再循环到入口。
该设备包括在构建平台102内用于将粉末床104预热的加热器125。加热器也可以设置在构建套筒内或周围或在粉末床上方。设置了温度传感器(未示出)如热电偶用于测量构建平台102的温度。控制器140响应于来自温度传感器的信号来控制加热器125。除了该温度传感器之外或作为该温度传感器的替代物，还可以设置其他温度传感器，例如测量构建套筒117和/或粉末床104的温度的温度传感器。可以设置温度传感器来测量粉末床104的表面温度。
控制器140(包括处理器161和存储器162)与增材制造设备的模块(即，激光模块105a、105b、105c、105d，光学模块106a、106b、106c、106d，构建平台102、分配设备108和擦拭器109)通信。如下所述，控制器140基于存储在存储器162中的软件来控制这些模块。
使用时，计算机接收描述将使用粉末床熔合增材制造设备构建的三维物体的几何模型，如STL文件。计算机基于限定的层厚度将几何模型切片成多个切片，以在粉末床熔合增材制造设备中构建为层。在此实施例中，限定的层厚度L小于50微米、并且优选40微米。
计算机可以包括布置以提供用于选择将要由其来构建物体的材料的用户输入的界面。然后计算机从数据库中选择适合于识别的材料的暴露参数。然后确定用于每个层的熔化区域的激光暴露图案，以形成物体的对应截面(切片)。基于这些计算，计算机生成发送到控制器140的指令，以使增材制造设备根据期望的暴露策略进行构建。
根据本发明的实施例的方法包括使用该设备通过熔化相继层的选定区域以逐层的方式构建物体来由BOHLER W360 AMPO钢粉末构建物体。为了构建一个物体/多个物体，用氮气填充构建室101以形成保护气氛。启动加热器125以将构建平台102加热至低于150℃的温度。然后开始用激光束熔化粉末。
据信氮气保护气氛的存在延缓了材料固化期间奥氏体向马氏体的转变，从而增加了最终固化的物体中残余奥氏体的量(按体积分数计)。额外的柔软且具可塑性的奥氏体可以适应由激光粉末床熔合过程期间的快速冷却产生的高残余应力，从而防止硬但脆的部件开裂。
更特别地，据信保护气氛中的氮气溶解到熔融金属中。熔融溶液中的氮使奥氏体相稳定并降低马氏体起始温度(Ms)。来自L.John,J.K.Damian,Welding metallurgy andweldability of stainless steels[不锈钢的焊接冶金学和可焊性],John Wiley&Sons,Inc.[约翰·威利父子出版公司],Hoboken,New Jersey[新泽西州霍博肯市]，2005的以下等式预测了具有在10至18wt％内的铬含量的钢的Ms温度：-Ms(°F)＝75×(14.6-Cr)+110×(98.9-Ni)+60×(1.33-Mn)+50×(0.47-Si)+3000×
(0.068-C-N)
(1)
BOHLER W360 AMPO具有在等式(1)适用的所述的范围之外的铬含量。然而，等式(1)预测了270℃的W360的Ms，其与CCT图中的值很好地对应(参见图6)。因此，据信等式(1)可以用于给出在氮存在于固溶体中的情况下BOHLER W360AMPO的Ms的指示。该等式预测，氮对Ms具有与碳类似的影响。假设在固溶体中有0.1wt％的氮，则钢将经历大约150℃的Ms下降。因此，对于固溶体中的这样的氮量，BOHLER W360 AMPO的Ms将为104℃。
一旦达到Ms，马氏体转变的程度仅取决于低于Ms温度的过冷的量。因此，钢中马氏体的体积分数(f)可以以如下进行估算：
f ＝ 1 - exp[ - (1.10 × 10-2ΔT)] (2)
其中ΔT是低于Ms的过冷(以℃计)。如果我们假设两种钢都将被冷却至室温(22℃)。当固溶体中存在零氮时，W360中马氏体的体积分数将为0.935。而对于固溶体中有0.1wt％的氮，W360中马氏体的体积分数将为0.594。因此，随着在固溶体中氮的增加，可以预期马氏体体积分数下降，因此降低裂纹敏感性。
即使氮过量并且没有完全溶解在奥氏体基体中，氮在MC和M2C中仍然具有高溶解度。因此，平衡碳化物体积分数增加。同时，氮化物的形成也可能随着氮的增加而增加。这些碳化物/氮化物可以通过位错与沉淀物的弹性场之间的相互作用或通过Orowan钉扎机制(pinning mechanism)而充当阻碍马氏体转变所需的位错运动的额外障碍。这也将延缓马氏体的形成，并产生更多的残留奥氏体，因此降低钢样品的裂纹敏感性。
此外，据信允许该一个或多个物体更快速地冷却(甚至在该一个或多个物体已被构建之后)有助于减少开裂。因此，应在构建完成后将该一个或多个物体从粉末床中移出，以促进尽快冷却。较低的预热温度有助于促进从粉末床中快速移出该一个或多个物体。可以在构建完成的2小时内将物体从粉末床中移出。
本发明还可以适用于由于马氏体脆性而经历冷开裂或开裂的其他钢，例如H13工具钢。对于这样的其他钢，当存在氮气保护气氛时，马氏体起始温度Ms可能不同于BOHLERW360 AMPO，因此可能必须调整预热温度以抑制马氏体的形成(或者可能根本不需要预热)。假设在固溶体中有0.1wt％的氮，则等式(1)预测H13钢的Ms为207℃。使用等式(2)，当固溶体中存在零氮时，H13中马氏体的体积分数将为0.979。而对于在固溶体中有0.1wt％的氮，H13中马氏体的体积分数将为0.869。
实例1
在Renishaw RenAM 500E粉末床熔合设备中，使用图2中陈述的暴露参数并在氮气保护气氛中构建十六个12mm x 12mm x 12mm立方体。这些立方体是使用曲折扫描策略构建的，该策略在各层之间旋转67°。加热器将构建平台加热至80℃。
通过肉眼检验这些立方体，并且结果示于图2的表中。除了一个立方体之外，所有的立方体都可见裂纹。图3是该组立方体的功率相对于影线距离相对于点距的坐标图，示出了在具有裂纹的立方体之中的无裂纹立方体。
实例2
在Renishaw RenAM 500E粉末床熔合设备中，使用图4中陈述的暴露参数并在氮气保护气氛中构建十六个12mm x 12mm x 12mm立方体。这些立方体是使用曲折扫描策略构建的，该策略在各层之间旋转67°。加热器将构建平台加热至100℃。
通过肉眼并通过400x放大的金相检验来检验这些立方体。结果示于图4的表中。如可以看到的，立方体中无通过肉眼可见的裂纹。在放大下一些立方体具有可见裂纹。图5是该组立方体的功率相对于影线距离相对于点距的坐标图，示出了在具有裂纹的立方体之中的无裂纹立方体。
图7是样品9的图像，示出了没有可见裂纹。图8是样品9的放大图像。在该图像中可以看到熔池形状。熔池具有宽、浅的形状，对应于熔池以传导或过渡模式的形成。
实例3
在Renishaw RenAM 500E粉末床熔合设备中，使用图9中陈述的暴露参数并在氩气保护气氛中构建十六个12mm x 12mm x 12mm立方体。这些立方体是使用曲折扫描策略构建的，该策略在各层之间旋转67°。加热器将构建平台加热至100℃。
通过肉眼并通过400x放大的金相检验来检验这些立方体。对于肉眼裂纹不可见，但在放大下，所有立方体都具有微裂纹。图10a至图10o是样品的放大图像，示出了样品1至样品9和样品11至样品16中可见的微裂纹。没有样品10的图像，因为样品10由于样品10的参数提供的过量能量而没有构建。可以将这些含有微裂纹的图像与图8中所示的其中没有可见的微裂纹的图像进行比较。

Claims (12)

1.一种激光粉末床熔合增材制造方法，该方法包括在包含氮气的保护气氛中对钢粉末的粉末床的层进行激光熔化，其中该粉末床的温度低于220℃，并且该钢粉末的组成按重量计包含：
3％至7％的Cr，
2％-5％的Mo，
0.2％至0.7％的V，
最多0.7％的Si，
最多1％的Mn，
最多1.5％的C，以及
其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的激光粉末床熔合增材制造方法，其中，该粉末床的温度低于170℃。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的激光粉末床熔合增材制造方法，该方法包括：将该粉末床预热至高于80℃的温度。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的激光粉末床熔合增材制造方法，该方法包括：将该粉末床预热至高于100℃的温度。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的激光粉末床熔合增材制造方法，该方法包括：将该粉末床预热至高于120℃的温度。
6.根据权利要求1所述的激光粉末床熔合增材制造方法，该方法包括：将该粉末床预热至高于150℃的温度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的激光粉末床熔合增材制造方法，其中，该保护气氛基本上由氮气组成。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的激光粉末床熔合增材制造方法，其中，该保护气氛基本上由氮气和另外的保护气体组成。
9.根据权利要求8所述的激光粉末床熔合增材制造方法，其中，该另外的保护气体是稀有气体。
10.根据权利要求9所述的激光粉末床熔合增材制造方法，其中，该另外的保护气体是氩气。
11.根据前述权利要求中任一项所述的激光粉末床熔合增材制造方法，其中，在该保护气氛中氧气浓度小于1000ppm。
12.根据前述权利要求中任一项所述的激光粉末床熔合增材制造方法，其中，对该粉末床的层进行激光熔化包括根据一组暴露参数控制激光和/或激光扫描器，以将该激光引导至这些粉末层的相继层的选定区域，其中这些暴露参数是这样的，即使得熔池以过渡或传导模式形成。
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