CN117226087A - 一种基于单材三维尺度异质结构制备的增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单材三维尺度异质结构制备的增材制造方法，针对沉淀析出强化铝合金复杂构件成形，采用激光选区熔化3D打印技术，在成形过程中调控激光工艺进行层间微区二次熔化，构建单层二维尺度重熔区与未重熔区差异化微观组织结构及力学性能，进而通过3D打印叠层制造特性实现基于单一材料的三维尺度异质结构材料的成形制备。本发明克服了传统工艺下异质材料成形制备困难的工艺难题；基于单一材料空间微结构异质布局解决了异种材料拼接下界面结合问题；较均质材料实现了力学性能的优化提升，可实现具有任意形状的异质材料的一体化成形制造。
Description
技术领域
本发明属于异质结构复杂构件制造领域，涉及一种基于单材三维尺度异质结构制备的增材制造方法。
背景技术
与传统均匀结构材料相比，在内部空间结构、强度或成分上呈现出非均匀分布特征，内部具有“软区”与“硬区”结构为单元的金属材料被称为“异构金属材料”，或异质结构材料。异质结构材料可通过应力去局部化机制、异质结构内几何必需位错堆积诱导强化、异质区非均匀变形引起的背应力强化等效应实现基体强度韧性协同提升，在航空航天、交通运输及海洋装备等重大工程领域具有重要应用前景。
然而与均质材料相比，金属异质结构在成形制备上存在显著挑战。一方面金属材料成形涉及高温、高压及快速熔化凝固过程，如何在凝固提内部构筑具有“软区”与“硬区”分布的异质结构，对传统金属成形工艺提出了严苛技术挑战。目前金属异质结构成形方法包括表面机械蹍磨处理、超声表面滚压、异步轧制、电沉积等方法，工艺过程繁琐且成本高昂，在成形复杂构件领域较为受限。同时金属异质结构常采用两种不同材料结合而成，多材料界面处易萌生孔隙、裂纹等缺陷，在服役过程中易导致构件失效。
近年来，激光选区熔化技术(Selective laser melting,SLM)可以逐层逐道熔化，选择性熔化堆积的方式成形金属材料，在复杂构件一体化成形制备领域极具优势。公开发表的“一种面向异质结构的双激光冷热复合加工方法”专利通过超快激光冷加工减材去除、异质粉料填充后热加工增材方式完成异质结构成形，为异质材料成形提供了方法，但工艺过程仍较为繁琐、且涉及异质粉料精准填充及多材料界面结合等问题。因此，亟待开发一种可以基于单一材料实现三维空间异质结构精准可控分布的成形方法。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术在工艺流程繁琐、复杂异质构件成形困难及多材料界面结合差等问题，提出一种基于单一材料实现三维金属异质结构的一体化成形加工的方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于单材三维尺度异质结构制备的增材制造方法，包括如下步骤：
(1)准备具有沉淀强化特性的铝合金球形金属粉末作为原材料；
(2)构建包含异质结构三维信息的模型并进行分层切片处理，获得异质结构二维切片信息，并将切片信息输入选区激光熔化装备；
(3)将步骤(1)沉淀强化铝合金粉末逐层装填至激光选区熔化装备中，采用惰性保护气氛围填充；
(4)根据异质结构二维切片信息，逐层控制激光束选择性熔化金属粉体；
(5)在完成单层激光选择熔化金属粉末后，根据异质结构信息开展层间韧化工艺，对该层已凝固区域进行选择性微区激光二次熔化。
(6)重复上述步骤(3)～(5)，直至完成异质结构成形。
具体地，步骤(1)中，所述的具有沉淀强化特性的铝合金球形金属粉末，根据《GB T16474-1996变形铝及铝合金牌号表示方法》标准所述的2XXX Al-Cu-Mg、6XXX Al-Mg-Si及7XXX Al-Zn合金等。此外微量元素改性5XXX Al-Mg合金也在此范围，改性元素包括Sc(含量0-0.6wt.％)、Zr(含量0-0.6wt.％)、Er(含量0-0.6wt.％)等。
优选地，所述的具有沉淀强化特性的铝合金球形金属粉末优选微量元素改性5XXXAl-Mg合金，Mg含量3-6wt.％、Sc含量0.2-0.6wt.％、Zr含量0.1-0.3wt.％，Fe含量0～0.1wt.％，Al为余量。
进一步地，步骤(1)中，粉末采用预合金气雾化方法制备，粉末粒径在15-53μm之间，具有较好流动性，装填至激光选区熔化装备前在真空干燥箱110-120℃下干燥4-8小时。
具体地，步骤(2)中，首先构建三维异质结构数据模型，包括三维实体构件尺寸、层间二次熔化区域尺寸、轮廓。
具体地，步骤(2)中，利用切片软件如Materialise Magics对异质结构模型进行分层切片，获取二维切片信息，包括激光熔化粉末区域尺寸、轮廓、路径规划；层间二次熔化区域尺寸、轮廓及路径规划。
具体地，步骤(3)中，选用铝合金基板，酒精清洗并干燥。将粉末装填至粉料仓，单层粉末铺设厚度为30-60μm，密闭激光成形腔室并通入惰性气体，控制腔内氧含量低于50ppm。
优选地，步骤(3)中，所述的惰性保护气为氩气或氦气，纯度不低于99.999％。
进一步地，步骤(4)中，控制激光束选择性熔化区域粉末，激光光斑应在60-120μm，激光功率300-400W，激光扫描速度600-1200mm/s，扫描间距60μm。
进一步地，步骤(5)中，激光二次熔化的激光功率200-300W，激光扫描速度800-1400mm/s，扫描间距60μm。
进一步地，步骤(6)中，利用激光选区熔化工艺叠层制造特性，重复上述工艺过程，实现具有差异化微观组织的异质结构金属材料构筑与一体化制造。
有益效果：
(1)本发明采用激光选区熔化技术逐层成形具有沉淀强化特性的铝合金材料，利用析出强化铝合金在熔凝过程中原位析出物受热过程显著影响的特性，采用层间微区二次熔化的方法实现纳米原位析出空间差异化异质分布，进而实现二维平面内“软区”与“硬区”空间分布；进一步的基于激光选区激光叠层制造特性，实现基于单一材料的三微尺度异质结构金属材料构筑与一体化成形。本发明所提出方法有望实现具有异质结构的复杂金属构件一体化成形制备，在强度韧性方面可获得协同提升，在航空航天、交通运输等领域具有重要应用前景。
(2)本发明利用沉淀析出强化铝合金的形核析出与粗化特性，并结合激光选区熔化逐层工艺可设计性，采用层间微区二次熔化的方法实现二维尺度局部析出物粗化，并基于逐层加工进一步在三维空间内基于单一材料构筑具有异质结构的金属材料。解决了传统工艺下异质结构金属材料成形制备困难、异质材料界面结合差易开裂等难题，实现了基于单一材料的三维异质结构金属材料自由设计与精准成形。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明增材制造工艺方法的流程图。
图2为实施例1构建的异质结构三维模型。
图3为实施例1利用本发明方法制备的异质结构试件图。
图4为实施例1制备的异质结构试件微区显微硬度测试结果。
图5为实施例2制备的异质结构试件微区显微硬度测试结果。
图6为对比例1制备试件微区显微硬度测试结果。
具体实施方式
下面结合实施例，可以更好地理解本发明。
如图1所示，本发明的一种基于单一材料实现三维尺度异质结构制备的增材制造工艺方法，包括以下步骤：
步骤1：原材料准备。准备具有沉淀强化特性的铝合金球形金属粉末作为原材料，粉末采用预合金气雾化方法制备，粉末粒径在15-53μm之间，具有较好流动性，装填至粉料缸前在真空干燥箱120℃氛围下干燥8小时。
步骤1所述具有沉淀强化特性的铝合金，包括根据《GB T 16474-1996变形铝及铝合金牌号表示方法》标准所述的2xxx Al-Cu-Mg、6xxx Al-Mg-Si及7xxx Al-Zn合金等。此外微量元素改性5xxx Al-Mg合金也在此范围，改性元素包括Sc(含量0-0.6wt.％)、Zr(含量0-0.6wt.％)、Er(含量0-0.6wt.％)等。优选微量元素改性5xxx Al-Mg合金，Mg含量3-6wt.％、Sc含量0.2-0.6wt.％、Zr含量0.1-0.3wt.％，Fe含量0～0.1wt.％，Al为余量。
步骤2：构建包含异质结构三维信息的模型并进行分层切片处理，获得异质结构二维切片信息，并将切片信息输入选区激光熔化装备；首先构建三维异质结构数据模型，包括三维实体构件尺寸、层间二次熔化区域尺寸、轮廓。然后利用切片软件如MaterialiseMagics对异质结构模型进行分层切片，获取二维切片信息，包括激光熔化粉末区域尺寸、轮廓、路径规划；层间二次熔化区域尺寸、轮廓及路径规划。
步骤3：选区激光熔化成形准备。选用铝合金基板，酒精清洗并干燥。将粉末逐层装填至粉料仓，单层粉末铺设厚度为30μm，密闭激光成形腔室并通入惰性气体，控制腔内氧含量低于50ppm。
步骤3所述惰性气体包括氩气、氦气等，纯度不低于99.999％。
步骤4：成形过程。基于选区激光熔化原理，铺粉臂在成形基板上均匀铺放单层沉淀强化铝合金粉末原料，层厚为30μm。计算机根据切片文件中所包括零件轮廓、激光路径等信息控制激光束选择性熔化区域粉末，激光光斑应在60-120μm，激光功率300-400W，激光扫描速度600-1200mm/s，扫描间距60μm。
步骤5：在完成单层激光选择熔化金属粉末后，根据异质结构信息开展层间韧化工艺，即针对该层已凝固区域进行选择性微区激光二次熔化。工艺区间如下：激光功率200-300W，激光扫描速度800-1400mm/s，扫描间距60μm。因沉淀析出强化铝合金性能与试件内部纳米原位析出相密切相关，而纳米析出相尺寸、形态与熔化/凝固热过程有关。层间二次熔化区域因热输入大、热积累效应显著，纳米原位析出相会出现显著粗化现象，进而使层间二次熔化区域强度下降。
在完成上述工艺过程后，即构筑了具有软/硬区域相间可控分布的二维单层异质结构。
进一步的，基于激光选区熔化叠层制造原理，成形缸下降一个层厚高度，铺粉臂铺放新的单层粉末，进而基于异质结构切片信息，重复步骤4-5所述单层激光选择熔化粉末/层间微区二次熔化工艺。
重复上述铺粉、打印过程直至构件成形完毕，即可基于单一材料构筑三维空间异质结构材料，实现基于单一材料实现三维尺度异质结构制备的增材制造工艺方法。
实施例1
本实施例中，步骤1所述原始粉末选用微量元素改性5xxx Al-Mg合金，具体粉末合金成分包括以下重量百分比组分：
Mg的含量为4.2％，Sc的含量为0.4％，Zr的含量为0.2％，Fe的含量为0.1％，余量与Al。
实施例中步骤2所述惰性气体为氩气，构建包含异质结构三维空间信息的模型异如图2，单层激光选择熔化粉末区与层间微区二次熔化呈空间魔方状分布，单个立方体边长为1mm，并采用Materialise Magics软件进行分层切片。
实施例中步骤3所述激光作用于粉末工艺参数为：激光功率400W，激光扫描速度1000mm/s。所述层间微区二次熔化激光参数为：激光功率300W，激光扫描速度1200mm/s。
图3为实施例1成形的异质结构试件图。成形试件截面显微硬度测试如图4所示，结果表明采用本发明基于单一材料实现三维尺度异质结构制备的增材制造工艺方法，成功制备出具有空间软/硬相空间分布的异质结构材料，其中激光作用于粉末区域(未重熔区)平均硬度在～175HV0.2，而层间微区二次熔化(重熔区)平均硬度在～138HV0.2。通过微区显微硬度测试表明，该异质结构材料相邻微区基体硬度存在显著差异，已成功制备出空间结构可控的三维尺度异质结构铝合金。
实施例2
本实施例中，步骤1所述原始粉末选用微量元素改性5xxx Al-Mg合金，具体粉末合金成分包括以下重量百分比组分：
Mg的含量为4.2％，Sc的含量为0.4％，Zr的含量为0.2％，Fe的含量为0.1％，余量与Al。
实施例2中步骤2所述惰性气体为氩气，单层激光选择熔化粉末区与层间微区二次熔化呈空间魔方状分布，单个立方体边长为1.5mm，并采用Materialise Magics软件进行分层切片。
实施例2中步骤3所述激光作用于粉末工艺参数为：激光功率400W，激光扫描速度1000mm/s。所述层间微区二次熔化激光参数为：激光功率300W，激光扫描速度1200mm/s。
实施例2成形试件截面显微硬度测试如图5所示，其中激光作用于粉末区域(未重熔区)平均硬度在～175HV0.2，而层间微区二次熔化(重熔区)平均硬度在～138HV0.2。通过微区显微硬度测试表明，该异质结构材料相邻微区基体硬度存在显著差异，已成功制备出空间结构可控的三维尺度异质结构铝合金。与实施例1相比，通过本发明方法调整原始异质结构设计尺寸，可实现三维异质结构软/硬区域尺寸及分布任意调整，结构具有高度可设计性。
实施例3
本实施例中，步骤1所述原始粉末选用微量元素改性5xxx Al-Mg合金，具体粉末合金成分包括以下重量百分比组分：
Mg的含量为4.2％，Sc的含量为0.4％，Zr的含量为0.2％，Fe的含量为0.1％，余量与Al。
实施例3中步骤2所述惰性气体为氩气，单层激光选择熔化粉末区与层间微区二次熔化呈空间魔方状分布，单个立方体边长为1mm，并采用Materialise Magics软件进行分层切片。
实施例3中步骤3所述激光作用于粉末工艺参数为：激光功率350W，激光扫描速度1000mm/s。所述层间微区二次熔化激光参数为：激光功率200W，激光扫描速度1200mm/s。
实施例3成形试件截面显微硬度测试中激光作用于粉末区域(未重熔区)平均硬度在～165HV0.2，而层间微区二次熔化(重熔区)平均硬度在～145HV0.2。通过微区显微硬度测试表明，该异质结构材料相邻微区基体硬度存在显著差异，已成功制备出空间结构可控的三维尺度异质结构铝合金。与实施例1相比，通过本发明方法调整粉末熔化及层间微区熔化激光工艺参数，可实现三维异质结构软/硬区域性能可控调整，性能具有高度可设计性。
对比例1
本对比例中，步骤1所述原始粉末选用微量元素改性5xxx Al-Mg合金，具体粉末合金成分包括以下重量百分比组分：
Mg的含量为4.2％，Sc的含量为0.4％，Zr的含量为0.2％，Fe的含量为0.1％，余量与Al。
对比例1中步骤2所述惰性气体为氩气，在结构设计中去除本发明所提出层间微区二次熔化过程，整体结构均为激光熔化粉末成形，采用Materialise Magics软件进行分层切片。
对比例1中步骤3所述激光作用于粉末工艺参数为：激光功率400W，激光扫描速度1000mm/s。
对比例1成形试件截面显微硬度测试如图6所示，其中激光作用于粉末区域(未重熔区)平均硬度在～175HV0.2，相邻微区基体硬度不存在显著差异，与实施例1相比，去除本发明方法所设计层间微区韧化工艺过程无法实现三维异质结构成形制备，表明本发明可实现具有任意形状的异质材料的一体化成形制造。
本发明针对沉淀析出强化铝合金复杂构件成形，采用激光选区熔化3D打印技术，在成形过程中调控激光工艺进行层间微区二次熔化，构建单层二维尺度重熔区与未重熔区差异化微观组织结构及力学性能，进而通过3D打印叠层制造特性实现基于单一材料的三维尺度异质结构材料的成形制备。本发明具有以下优点：克服了传统工艺下异质材料成形制备困难的工艺难题；基于单一材料空间微结构异质布局解决了异种材料拼接下界面结合问题；较均质材料实现了力学性能的优化提升，可以实现具有任意形状的异质材料的一体化成形制造。
本发明提供了一种基于单材三维尺度异质结构制备的增材制造方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种基于单材三维尺度异质结构制备的增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)准备具有沉淀强化特性的铝合金球形金属粉末作为原材料；
(2)构建包含异质结构三维信息的模型并进行分层切片处理，获得异质结构二维切片信息，并将切片信息输入选区激光熔化装备；
(3)将步骤(1)沉淀强化铝合金粉末逐层装填至激光选区熔化装备中，采用惰性保护气氛围填充；
(4)根据异质结构二维切片信息，逐层控制激光束选择性熔化金属粉体；
(5)在完成单层激光选择熔化金属粉末后，根据异质结构信息开展层间韧化工艺，对该层已凝固区域进行选择性微区激光二次熔化。
(6)重复上述步骤(3)～(5)，直至完成异质结构成形。
2.根据权利要求1所述的基于单材三维尺度异质结构制备的增材制造方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的具有沉淀强化特性的铝合金球形金属粉末，包括Al-Cu-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Zn合金或者微量元素改性的Al-Mg。
3.根据权利要求2所述的基于单材三维尺度异质结构制备的增材制造方法，其特征在于，所述的具有沉淀强化特性的铝合金球形金属粉末中，Mg含量3-6wt.％、Sc含量0.2-0.6wt.％、Zr含量0.1-0.3wt.％，Fe含量0～0.1wt.％，Al为余量。
4.根据权利要求1所述的基于单材三维尺度异质结构制备的增材制造方法，其特征在于，步骤(1)中，粉末采用预合金气雾化方法制备，粉末粒径在15-53μm之间，装填至激光选区熔化装备前在真空干燥箱110-120℃下干燥4-8小时。
5.根据权利要求1所述的基于单材三维尺度异质结构制备的增材制造方法，其特征在于，步骤(2)中，首先构建三维异质结构数据模型，包括三维实体构件尺寸、层间二次熔化区域尺寸、轮廓。
6.根据权利要求1所述的基于单材三维尺度异质结构制备的增材制造方法，其特征在于，步骤(2)中，利用切片软件对异质结构模型进行分层切片，获取二维切片信息，包括激光熔化粉末区域尺寸、轮廓、路径规划；层间二次熔化区域尺寸、轮廓及路径规划。
7.根据权利要求1所述的基于单材三维尺度异质结构制备的增材制造方法，其特征在于，步骤(3)中，选用铝合金基板，将粉末装填至粉料仓，单层粉末铺设厚度为30-60μm，密闭激光成形腔室并通入惰性气体，控制腔内氧含量低于50ppm。
8.根据权利要求1所述的基于单材三维尺度异质结构制备的增材制造方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的惰性保护气为氩气或氦气，纯度不低于99.999％。
9.根据权利要求1所述的基于单材三维尺度异质结构制备的增材制造方法，其特征在于，步骤(4)中，控制激光束选择性熔化区域粉末，激光光斑应在60-120μm，激光功率300-400W，激光扫描速度600-1200mm/s，扫描间距60μm。
10.根据权利要求1所述的基于单材三维尺度异质结构制备的增材制造方法，其特征在于，步骤(5)中，激光二次熔化的激光功率200-300W，激光扫描速度800-1400mm/s，扫描间距60μm。
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