CN117102512B - 一种双合金件的激光复合增材制造装置及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双合金件的激光复合增材制造装置及制造方法，包括平台其上设置具有第一部分和第二部分的构件；第一成形部利用第一种金属材料在平台上成形出第一部分；第二成形部利用第二种金属材料在平台上成形出第二部分；第三成形部利用过渡合金材料在平台上成形出第一部分与第二部分的结合部位；第一部分与第二部分的成形路径方向相同；第一成形部开始成形第一部分后，第二成形部与第三成形部同步成形第二部分及结合部位；使构成第一部分的金属材料还处于未烧结完成的状态，并在此状态下通过过渡合金材料使两种金属材料熔液能够充分混合相溶而实现结合，不仅能够有效避免在两个部分的结合界面造成界面损伤，两个部分成形时间大致相同。

Description

一种双合金件的激光复合增材制造装置及制造方法

技术领域

本发明涉及双合金构件制造技术领域，尤其涉及一种双合金件的激光复合增材制造装置及制造方法。

背景技术

双金属材料，又称双合金材料，是把两种具有不同物理、化学以及力学性能的金属材料在界面上实现冶金结合的一种新型复合材料。由于双金属材料是用各自金属材料的性能优势进行复合而成的，所以它既可以克服两种金属材料本身的不足，又能发挥两种金属材料的优点。

目前，双合金材料的制造方法主要采用焊接工艺，例如用于航天推进器的炎喷管道，其内管由高性能铜合金制成，而其外壳则由高强度不锈钢制成，内管和外壳可以通过焊接工艺成为一体；但内管和外壳的焊接部位会存在缺陷而影响焊接效果，且工艺难度极大、工期较长。因此，通过焊接工艺制造双合金普遍受限于工序复杂、加工周期长、零件形状结构设计、生产成本高等问题，难以制造形状复杂且高性能的构件。

现在的增材制造技术能够不受限于零件复杂形状结构而实现形状复杂构件的制造，因此有些工艺选用激光定向能量沉积技术生产铜-钢双金属结构，但由于两种金属热膨胀系数和晶体结构差异较大，铜与钢难以互溶，尤其是产品在高温下使用易在铜界面产生裂纹。采用激光定向能量沉积技术制造双合金材料构件同样受限于双金属材料的类型。

中国专利CN109759588B公开了一种大型双金属零件快速增材制造方法，先采用一种材料打印出外壳，然后在采用另一种材料打印内部件；但上述方法仍然存在两个问题：其一，在打印内部件并使内部件与外壳成为一体时，需要利用大功率激光照射外壳与内部件的结合界面使两种金属材料熔化并实现结合，但这样也会对外壳与内部件的连接部位造成损伤，产生界面缺陷而影响构件的强度；其二，整个制造工艺需要两步成形，导致工期仍然较长且效率降低。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种双合金件的激光复合增材制造装置及制造方法，用于解决目前的增材制造技术制造双金属材料构件时，需要利用大功率激光照射外壳与内部件的结合界面使两种金属材料熔化并实现结合，容易造成界面缺陷，而且整个制造工艺需要两步成形的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种双合金件的激光复合增材制造装置，包括平台，其上设置构件，构件包括第一部分和第二部分；第一成形部，利用第一种金属材料在平台上成形出第一部分；第二成形部，利用第二种金属材料在平台上成形出第二部分；第三成形部，利用过渡合金材料在平台上成形出第一部分与第二部分的结合部位；其中，第一部分与第二部分的成形路径方向相同；第一成形部开始成形第一部分后，第二成形部与第三成形部同步成形第二部分及结合部位。

在以上技术方案的基础上，优选的，第一成形部包括激光器，用于发射主光束；第一送料机构，用于向平台上输送第一种金属材料；其中，主光束沿成形路径照射第一种金属材料，并使第一种金属材料成形为第一部分。

更进一步优选的，第二成形部包括第一分光机构，用于从主光束中分割出第一分光束；第二送料机构，用于向平台上输送第二种金属材料；第三成形部包括第二分光机构；用于从第一分光束中分割出第二分光束；第三送料机构，用于向平台上输送过渡合金材料；其中，第一分光束沿成形路径照射第二种金属材料，并使第二种金属材料成形为第二部分；第二分光束沿成形路径照射过渡合金材料，并使过渡合金材料成形为结合部位。

更进一步优选的，第一成形部还包括第三分光机构，用于从主光束中分割出第三分光束；其中，第三分光束用于对主光束照射形成的熔池进行激光整形。

更进一步优选的，预设第一部分沿其成形路径上具有第一位置，第二部分与结合部位的成形路径上也对应具有第二位置；主光束在第一位置照射产生熔池后，第三分光束对熔池开始进行激光整形的5-10s内，第一分光束与第二分光束也同步达到第二位置。

更进一步优选的，主光束的激光功率为1500W-3000W，第一分光束的激光功率为500W-1000W，第二分光束与第三分光束的激光功率为600W-800W。

更进一步优选的，第一送料机构与第三送料机构通过送丝方式输送材料；第二送料机构通过下落铺粉方式输送材料。

在以上技术方案的基础上，优选的，第一种金属材料为S06不锈钢材料，第二种金属材料为铬青铜材料，过渡合金材料为铜钒合金材料。

另一方面，本发明还提供了一种双合金件的激光复合增材制造方法，采用上述的激光复合增材制造装置，包括以下步骤，步骤一，通过激光扫描获得构件的第一部分与第二部分的外轮廓三维模型并根据增材制造原理进行分层，同时根据单层模型绘制第一部分、第二部分及结合部位的成形路径；步骤二，第一成形部对第一部分进行成形；步骤三，在第一成形部对第一部分开始进行成形后且完成第一层的成形前，第二成形部及第三成形部开始同步对第二部分及结合部位进行成形，直至最终完成构件的成形。

在以上技术方案的基础上，优选的，在步骤二中，在每层成形过程中，主光束在第一部分上的第一位置照射材料形成熔池，第三分光束紧跟随主光束路径对熔池进行激光整形；在步骤三中，在第三分光束开始进行激光整形的5-10s内，第一分光束与第二分光束同步达到第二部分与结合部位对应的第二位置。

本发明的一种双合金件的激光复合增材制造装置及制造方法相对于现有技术具有以下有益效果：

（1）本发明通过第一成形部先行开始成形第一部分，并在第一部分并未完成成形过程前，使第二成形部后续开始成形第二部分，并使第三成形部与第二成形部同步开始成形结合部位，使构成第一部分的金属材料还处于未烧结完成的状态，并在此状态下通过过渡合金材料使两种金属材料熔液能够充分混合相溶而实现结合，不仅能够有效避免在两个部分的结合界面造成界面损伤，而且两个部分的成形时间大致相同，因此效率较高。

（2）本发明通过高功率和次高功率的激光光束分别照射两个部分，通过低功率的激光光束照射结合部位，在两个部分与二者的结合部位上形成了合理的熔融梯度有助于两种金属材料结合过渡合金材料进行充分的混合相溶，同时通过低功率的激光光束对第一部位上的熔池进行激光整形，不仅能够提高第一部分的成形效果，而且对第一部分上形成的熔池进行保温，使后续第二部分成形时能够与第一部分及其结合部位进行有效结合。

（3）本发明的第一部分作为外壳主要起到结构支撑的作用，因此采用送丝方式送料并通过大功率激光进行烧结，能够大幅提高第一部分的成形速度，而第二部分作为内部件需要较好的强度和精密度，因此采用下落铺粉方式送料并通过小功率激光进行烧结，尽管速度相对较慢但能够大幅提高第二部分的成形强度及精密度，同时结合部位采用送丝方式并通过小功率激光进行熔融，使两个部分快速且充分的进行混合相溶并实现有效结合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的制造装置的立体示意图；

图2为本发明的各光束扫描顺序的原理示意图。

图中：1、平台；2、第一成形部；21、激光器；22、第一送料机构；23、第三分光机构；3、第二成形部；31、第一分光机构；32、第二送料机构；4、第三成形部；41、第二分光机构；42、第三送料机构；10、第一部分；20、第二部分；30、结合部位；100、第一位置；200、第二位置；101、主光束；102、第一分光束；103、第二分光束；104、第三分光束。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一种双合金件的激光复合增材制造装置，包括平台1、

其中，平台1指代增材制造工艺中的设备箱体或氛围环境，平台1其上通过增材制造技术成形出所需的构件，由于构件为双金属材料构件，因此包括由不同金属材料制成的第一部分10和第二部分20；第一部分10和第二部分20之间具有结合界面。第一部分10与第二部分20的成形路径方向相同。本实施例以航天推进器的炎喷管道为例，因此本实施例的构件为管体，管体构件具有外壳和内管，外壳的主要作用是结构定型及结构支撑，内管则需要具有较高的强度和产品精密度。

第一成形部2利用第一种金属材料在平台1上成形出第一部分10。

第二成形部3利用第二种金属材料在平台1上成形出第二部分20。

第三成形部4利用过渡合金材料在平台1上成形出第一部分10与第二部分20的结合部位30。第一成形部2开始成形第一部分10后，第二成形部3与第三成形部4同步成形第二部分20及结合部位30。

本实施例的增材制造工艺原理与目前常规的增材制造工艺原理的区别有两点：

其一，尽管本实施例也是先行开始成形第一部分10，后续开始第二部分20的成形，但本实施例在对每层成形层进行制造时，第一部分10还未成形完成时就已经开始第二部分20的成形作业。且由于第一部分10为外壳而第二部分20为内管，因此第一部分10的成形面积要大于第二部分20的成形面；同时第一部分10作为外壳，对于产品强度及精密度的要求较低，因此成形速度较快，而第二部分20作为内管，对于产品强度及精密度的要求较高，因此成形速度较慢。因而第一部分10的成形面积且成形速度快，第二部分20的成形面积小且成形速度慢，因此通过控制第一成形部2及第二成形部3的激光功率及激光扫描速度就能够使每层成形完毕时，第一部分10与第二部分20完成成形作业的时间基本一致，因此相比常规的增材制造需要两步分别成形外壳及内管，本实施例可以通过一步完成成形工序，从而大幅提高生产效率。

其二，本实施例使第一部分10及第二部分20通过结合部位30进行结合。双金属材料构件制造中的其中一个难点就在于，两种金属材料由于组成元素的热力学不混溶性，因此相溶时难以获得均匀合金双金属化合物。但本实施例采用过渡合金材料作为结合部位30的原料，通过选用与两种金属材料都具有良好相溶性的合金材料，使两种金属材料通过激光烧结分别成形为第一部分10与第二部分20时，能够通过同时熔融的合金材料实现三者的充分有效熔合，进而实现第一部分10与第二部分20通过结合部位30进行有效结合。在此过程中，第一部分10烧结时间与第二部分20及结合部位30的烧结时间间隔较短，因此避免了对二者的结合界面造成界面损伤，从而大幅提高了构件强度及精密度。

在图1所示的一优选实施例中，第一成形部2包括激光器21。

其中，激光器21用于发射主光束101。主光束101沿成形路径照射第一种金属材料，使其成形为第一部分10。

第一送料机构22用于向平台1上输送第一种金属材料。

需要说明的是，第一成形部2能够根据第一部分10的成形路径进行移动以实现增材制造目的，因此第一成形部2还包括多轴移动机构、驱动机构及控制机构等必要部件，但本申请并不涉及对增材制造技术原理的改进，仅涉及对双合金构件的制造装置及制造方法的改进，因此并未对第一成形部2以及第二成形部3、第三成形部4等部件的具体结构及工作原理进行详尽的描述。

在图1所示的一优选实施例中，各激光光束可以利用同一激光器21提供光源，具体来说，第二成形部3包括第一分光机构31及第二送料机构32，第三成形部4包括第二分光机构41及第三送料机构42。

其中，第一分光机构31用于从主光束101中分割出第一分光束102。第一分光束102沿成形路径照射第二种金属材料，使其成形为第二部分20。

第二送料机构32用于向平台1上输送第二种金属材料。

第二分光机构41用于从第一分光束102中分割出第二分光束103。第二分光束103沿成形路径照射过渡合金材料，使其成形为结合部位30。

第三送料机构42用于向平台1上输送过渡合金材料。

需要说明的是，第一分光机构31包括有聚焦透镜、反射透镜等光学部件从而形成有效光路，本实施例的目的是通过光路设计实现从三个成形部中发射的各光束均利用同一激光器21作为光源，而并未对分光机构的原理进行了改进，因此并未对第一分光机构31及第二分光机构41、第三分光机构23的结构及其工作原理进行详尽的描述。

在图1所示的一优选实施例中，由于第一部分10为外壳且对于成形精度要求交低而成形速度较快，因此通常采用大功率激光对材料进行烧结，但这会造成熔池面积大而不规则，熔池深度深浅不一，容易造成凝固缺陷，同时在激光照射材料使其熔融的过程中会产生较强烈的熔液对流而造成熔滴飞溅，不仅影响第一部分10的成形效果及产品强度，而且熔滴飞溅也会对后续的第二部分10及结合部位30的成形造成不良影响。考虑到上述问题，需要对第一部分10上形成的熔池进行激光整形，因此第一成形部2还包括第三分光机构23。

其中，第三分光机构23用于从主光束101中分割出第三分光束104；第三分光束104用于对主光束101照射形成的熔池进行激光整形。激光整形是一种利用小效率激光照射熔池以调控熔池形状、宽高比，控制熔滴飞溅的技术。

本实施例采用第三分光束104作为整形激光，具有两点优势：

其一，第三分光束104在照射第一部分10不与第二部分20相结合的部分时，整形激光能够有效对熔池进行整形，使熔池具有更好的熔液对流、更小的熔滴飞溅、更大的熔池宽高比和更少的凝固缺陷。

其二，第三分光束104在照射第一部分10抵近第二部分20及结合部位30的边界时，由于主光束101在第一部分10的边界上形成熔池，而此时该位置上，第一分光束102还未烧结金属材料形成第二部分20，第二分光束103也还未烧结过渡合金材料形成结合部位30；而当第二部分20及结合部位30成形到该熔池的位置时，熔池已经发生了一定程度的凝固，此时第二部分20及结合部位30上产生的熔池与第一部分10上的该熔池进行熔融结合时，难以保证两种金属材料与过渡合金材料的熔液实现充分有效的相溶。因此在主光束101照射形成熔池后，使第三分光束104跟踪路径对熔池进行照射，在对熔池进行整形的同时，还能够对熔池进行一定程度的保温，使熔池的熔融状态能够持续一段时间，使后续的第二部分20及结合部位30上产生的熔池与第一部分10上的该熔池能够实现熔融结合，从而能够大幅提高产品强度及精密度。

在图2所示的一优选实施例中，在前一实施例中已经描述了第三分光束104的作用效果及其原理，但由于第三分光束104是跟随第一部分10的成形路径，因此第三分光束104在熔池上的停留时间并不长，因此需要后续的成形作业在第三分光束104产生的效果时间内达到该熔池位置。预设第一部分10沿其成形路径上具有第一位置100，第二部分20及结合部位30的成形路径上也对应具有第二位置200；主光束101在第一位置100照射产生熔池后，第三分光束104对熔池开始进行激光整形的5-10s内，第一分光束102与第二分光束103也同步达到第二位置200。

在图1所示的一优选实施例中，主光束101的激光功率为1500W-3000W，具体来说为1064nm的红外激光，激光扫描速度为1m/min；第一分光束102的激光功率为500W-1000W，具体来说为532nm的绿激光，激光扫描速度为0.5m/min；第二分光束103与第三分光束104的激光功率为600W-800W，激光扫描速度分别为0.5m/min及1m/min。

在图1所示的一优选实施例中，第一送料机构22通过送丝方式输送材料，送丝速度为1.5m/min，电磁加热功率为1000W；第二送料机构通过下落铺粉方式输送材料，粉末流量为6-10g/min；第三送料机构通过送丝方式输送材料，送丝速度为0.8m/min,电磁加热功率为600W，丝材直接插入熔池内。

在图1所示的一优选实施例中，第一种金属材料为S06不锈钢丝材，丝材直径为1-3mm，第二种金属材料为铬青铜粉末材料，粒径范围为10-50μm；过渡合金材料为铜钒合金丝材。

在图1所示的一优选实施例中，本发明的一种双合金件的激光复合增材制造方法，采用上述任意实施例之一的激光复合增材制造装置，包括以下步骤。

步骤一，通过激光扫描获得构件的第一部分10与第二部分20的外轮廓三维模型并根据增材制造原理进行分层，同时根据单层模型绘制第一部分10、第二部分20及结合部位30的成形路径。以前述管状构件为例，具体来说，首先根据双金属构件的形状尺寸及综合性能要求，划分中心内壳部分为第二部分20与外壳部分为第一部分10，确定两部分的增材制造方式及具体路径；再根据金属零件表面与内部力学性能要求，确定合适的粉末材料成分与配比、丝材种类与直径；再综合考虑加工效率、成形精度、应用要求及壳体的成形质量需求等因素，调整送粉和送丝增材制造工艺参数；最后根据设定路径开始进行送粉与送丝增材制造，每个部分在制备过程中的每一层厚度保持一致。

步骤二，第一成形部2对第一部分10进行成形。在进行成形前，抽真空直到大气压低于5×10^-2Pa，充入高浓度的稀有气体作为保护气体；同时采用电磁预热器给丝材预热。

步骤三，在第一成形部2对第一部分10开始进行成形后且完成第一层的成形前，第二成形部3及第三成形部4开始同步对第二部分20及结合部位30进行成形，直至最终完成构件的成形。

在图2所示的一优选实施例中，由于需要对熔池进行整形，在步骤二中，在每层成形过程中，主光束101在第一部分10上的第一位置100照射材料形成熔池，第三分光束104紧跟随主光束101路径对熔池进行激光整形；在步骤三中，在第三分光束104开始进行激光整形的5-10s内，第一分光束102与第二分光束103同步达到第二部分20与结合部位30对应的第二位置200。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双合金件的激光复合增材制造装置，其特征在于，包括：

平台（1），其上设置构件，构件包括第一部分（10）和第二部分（20）；

第一成形部（2），利用第一种金属材料在所述平台（1）上成形出第一部分（10）；

第二成形部（3），利用第二种金属材料在所述平台（1）上成形出第二部分（20）；

第三成形部（4），利用过渡合金材料在所述平台（1）上成形出第一部分（10）与第二部分（20）的结合部位（30）；

其中，所述第一部分（10）与第二部分（20）的成形路径方向相同；

所述第一成形部（2）开始成形第一部分（10）且在第一部分（10）完成成形过程之前，所述第二成形部（3）与第三成形部（4）开始同步成形第二部分（20）及结合部位（30）；

所述第一成形部（2）包括，

激光器（21），用于发射主光束（101）；

第一送料机构（22），用于向所述平台（1）上输送第一种金属材料；

其中，所述主光束（101）沿成形路径照射第一种金属材料，并使所述第一种金属材料成形为第一部分（10）；

所述第二成形部（3）包括，

第一分光机构（31），用于从主光束（101）中分割出第一分光束（102）；

第二送料机构（32），用于向所述平台（1）上输送第二种金属材料；

所述第三成形部（4）包括，

第二分光机构（41），用于从所述第一分光束（102）中分割出第二分光束（103）；

第三送料机构（42），用于向所述平台（1）上输送过渡合金材料；

其中，所述第一分光束（102）沿成形路径照射第二种金属材料，并使所述第二种金属材料成形为第二部分（20）；

所述第二分光束（103）沿成形路径照射过渡合金材料，并使所述过渡合金材料成形为结合部位（30）；

所述第一送料机构（22）与第三送料机构（42）通过送丝方式输送材料；所述第二送料机构（32）通过下落铺粉方式输送材料。

2.根据权利要求1所述的一种双合金件的激光复合增材制造装置，其特征在于：所述第一成形部（2）还包括，

第三分光机构（23），用于从所述主光束（101）中分割出第三分光束（104）；

其中，所述第三分光束（104）用于对主光束（101）照射形成的熔池进行激光整形。

3.根据权利要求2所述的一种双合金件的激光复合增材制造装置，其特征在于：所述第一部分（10）沿其成形路径上具有第一位置（100），所述第二部分（20）与结合部位（30）的成形路径上也对应具有第二位置（200）；

所述主光束（101）在第一位置（100）照射产生熔池后，所述第三分光束（104）对熔池开始进行激光整形的5-10s内，所述第一分光束（102）与第二分光束（103）也同步达到第二位置（200）。

4.根据权利要求2所述的一种双合金件的激光复合增材制造装置，其特征在于：所述主光束（101）的激光功率为1500W-3000W，所述第一分光束（102）的激光功率为500W-1000W，所述第二分光束（103）与第三分光束（104）的激光功率为600W-800W。

5.根据权利要求1所述的一种双合金件的激光复合增材制造装置，其特征在于：所述第一种金属材料为S06不锈钢，所述第二种金属材料为铬青铜，过渡合金材料为铜钒合金。

6.一种双合金件的激光复合增材制造方法，其特征在于，采用权利要求2至4任意一项所述的激光复合增材制造装置，包括以下步骤：

步骤一，通过激光扫描获得构件的所述第一部分（10）与第二部分（20）的外轮廓三维模型并根据增材制造原理进行分层，同时根据单层模型绘制所述第一部分（10）、第二部分（20）及结合部位（30）的成形路径；

步骤二，所述第一成形部（2）对第一部分（10）进行成形；

步骤三，在所述第一成形部（2）对第一部分（10）开始进行成形后且完成第一层的成形前，所述第二成形部（3）及第三成形部（4）开始同步对第二部分（20）及结合部位（30）进行成形，直至最终完成构件的成形。

7.根据权利要求6所述的一种双合金件的激光复合增材制造方法，其特征在于：在所述步骤二中，在每层成形过程中，所述主光束（101）在第一部分（10）上的第一位置（100）照射材料形成熔池，所述第三分光束（104）紧跟随主光束（101）路径对熔池进行激光整形；

在所述步骤三中，在所述第三分光束（104）开始进行激光整形的5-10s内，所述第一分光束（102）与第二分光束（103）同步达到第二部分（20）与结合部位（30）对应的第二位置（200）。