CN117816976B - 一种烧结多孔金属的粉末床电子束增材连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种烧结多孔金属的粉末床电子束增材连接方法，包括：将具有多孔结构的两个母材相对设置，并置于成形基板上；构建两个母材之间待连接区域的三维模型，三维模型包括：网格骨架和孔隙结构；根据三维模型设置熔化成形工艺；利用熔化成形工艺对第一网格骨架、第二网格骨架和孔隙结构进行逐层打印成形，实现第一母材和第二母材的连接。本发明将具有多孔结构的母材之间的待连接区域进行三维模型构建，在母材的侧壁连接处和母材之间均设置网格骨架，在网格骨架上设置孔隙结构，并分别对其进行打印，实现母材之间具有孔隙结构的连接，使待连接区域更接近母材自身的多孔结构。既保证了待连接区域的强度，又保证了待连接区域的孔隙率和渗透率。

Description

一种烧结多孔金属的粉末床电子束增材连接方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种烧结多孔金属的粉末床电子束增材连接方法。

背景技术

航空发动机及火箭等技术领域都存在着冷却问题，多孔金属是自发汗材料，在航空航天和火箭导弹等领域，多孔金属作为散热冷却部件具有广泛的应用，例如作为机翼金属外壳的支撑体及导弹鼻锥的外壳防高温倒塌支持体等。由于航空航天用部件造价昂贵，当其轻微受损后，若可对其进行焊接或定点修复，则可大大节约制造成本，缩短生产周期。为满足使用要求，需要焊接及修复处的性能尽可能接近部件母体的性能，这就对连接及修复的工艺方法要求极为苛刻，连接处不仅要满足多孔孔隙特征，保证连接处的强度，还要避免出现裂纹、组织不均或其他缺陷等。

相关技术中，申请公布号CN115625343A的发明专利公开了一种金属构件待连接区域的成形方法，采用激光送粉加工的方法获得了目标待连接区域，解决了连接件厚度受限的问题。申请公告号CN113275596B的发明专利公开了一种钛合金的增材连接方法，通过设置并调整过渡区的工艺，降低了连接处的气孔和未熔合缺陷。申请公布号CN115889756A的发明专利公开了一种镍基高温合金修复用复合型高性能活化辅助剂粉末及其修复方法，用于镍基铸造高温合金增材修复，解决了含硼修复材料在增材修复区生成大块硼化物和共晶等脆性相的难题，提高了增材修复区的塑性等缺陷。上述方法均不能对具有多孔结构的母材进行良好的修复。

因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的技术方案提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种烧结多孔金属的粉末床电子束增材连接方法，进而至少在一定程度上解决由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

本发明提供一种烧结多孔金属的粉末床电子束增材连接方法，包括：

将具有多孔结构的第一母材和第二母材相对设置，并置于成形基板上；

构建所述第一母材和第二母材之间待连接区域的三维模型，其中，所述三维模型包括：网格骨架和孔隙结构，所述网格骨架包括两个第一网格骨架和第二网格骨架，两个所述第一网格骨架设置于靠近所述第一母材和第二母材的侧壁处，所述第二网格骨架设置于两个第一网格骨架之间，所述孔隙结构为两个所述第一网格骨架和第二网格骨架上的孔隙对应的结构；

根据所述三维模型设置熔化成形工艺；

利用所述熔化成形工艺对所述第一网格骨架、第二网格骨架和孔隙结构进行逐层打印成形，实现所述第一母材和第二母材的连接。

本发明中，利用第一粉末对所述第一网格骨架进行打印成形，利用第二粉末对所述第二网格骨架以及孔隙结构进行打印成形，所述第一粉末的平均粒度小于第二粉末的平均粒度。

本发明中，所述第一粉末的粒径为15μm~53μm，所述第二粉末的粒径为45μm~150μm。

本发明中，所述第一网格骨架的熔化成形工艺为：电子束在聚焦状态下，熔化能量密度为E₁；所述第二网格骨架的熔化成形工艺为：电子束在聚焦状态下，熔化能量密度为E₂，E₂=1.2E₁~2E₁；所述孔隙结构的熔化成形工艺为：电子束在散焦状态下，熔化能量密度为E₃，E₃=0.25E₁~0.5E₁。

本发明中，所述孔隙结构的熔化成形工艺为非完全熔化的欠熔工艺。

本发明中，当采用TC4粉末对所述待连接区域进行熔化成形时，采用的扫描间距H=0.1mm，层厚δ为35μm~50μm。

本发明中，所述第一母材和第二母材的坡角θ满足：6＜tanθ＜14。

本发明中，所述待连接区域的宽度为S，则所述第一网格骨架的宽度为0.1S~0.3S。

本发明中，所述第一网格骨架与所述第一母材和第二母材的侧壁为点接触连接方式。

本发明中，将所述第一母材和第二母材置于所述成形基板之后，在室温下对电子束进行一次对中，一次对中的中心为电子束零偏转下的成形基板的中心；

对所述成形基板进行预热后，对电子束进行二次对中，二次对中的中心为所述待连接区域在所述成形基板上的二维平面的中心。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明中，通过上述方法，将具有多孔结构的第一母材和第二母材之间的待连接区域进行三维模型构建，在母材的侧壁连接处和母材之间均设置网格骨架，在网格骨架上设置孔隙结构，并分别对其进行打印，实现母材之间具有孔隙结构的连接，使待连接区域更接近母材自身的多孔结构。既保证了待连接区域的强度，又保证了待连接区域的孔隙率和渗透率。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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示出本发明示例性实施例中烧结多孔金属的粉末床电子束增材连接方法的流程示意图；

图2示出本发明示例性实施例中两个母材与能量源的位置关系示意图；

图3示出本发明示例性实施例中铺粉方向示意图；

图4示出本发明示例性实施例中待连接区域示意图；

图5示出本发明示例性实施例中一次对中的示意图；

图6示出本发明示例性实施例中二次对中的示意图；

图7示出本发明示例性实施例中两种粉末铺粉位置的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本发明实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本示例实施方式中提供了一种烧结多孔金属的粉末床电子束增材连接方法，参考图1所示，该增材连接方法包括以下步骤：

步骤S101：将具有多孔结构的第一母材和第二母材相对设置，并置于成形基板上。采用粉末床电子束选区熔化成形时，请参考图2，所述第一母材（即母材1）和第二母材（即母材2）的待修复面相对设置，并固定在成形基板上，避免修复过程中母材发生移动。所述第一母材和第二母材的侧壁的下边沿可以平行放置，两个母材之间的待连接区域的宽度设为S，待连接区域置于成形基板的正中心位置，且待连接区域的开口方向与铺粉方向平行，如图3所示。

步骤S102：构建所述第一母材和第二母材之间待连接区域的三维模型。其中，所述三维模型包括：网格骨架和孔隙结构。所述网格骨架包括两个第一网格骨架和第二网格骨架，两个所述第一网格骨架设置于靠近所述第一母材和第二母材的侧壁处，所述第二网格骨架设置于两个第一网格骨架之间，所述孔隙结构为两个所述第一网格骨架和第二网格骨架上的孔隙对应的结构。请参考图2，母材1和母材2之间的区域为待连接区域，即两个母材相对的侧壁之间的区域。设两个母材侧壁下边沿之间的距离为S，上边沿之间的距离为S’，以图4为例，两母材之间的待连接区域的截面形状为倒梯形。在实际生产中，待连接区域的形状还可以是其他形状，只要可以进行铺粉和扫描熔化即可，例如可以是矩形等。

步骤S103：根据所述三维模型设置熔化成形工艺。所述第一网格骨架、第二网格骨架和孔隙结构的熔化成形工艺可以不同，本申请的第一网格骨架和第二网格骨架打印出来的结构比较致密，孔隙结构则比较疏松。

步骤S104：利用所述熔化成形工艺对所述第一网格骨架、第二网格骨架和孔隙结构进行逐层打印成形，实现所述第一母材和第二母材的连接。具体地，逐层打印时，在同一层的打印过程中，先对所述第一网格骨架对应的基板处进行铺粉，然后进行第一网格骨架的扫描熔化，以完成本层的第一网格骨架的打印；待本层的第一网格骨架打印完成后，在两个第一网格骨架之间，也就是第二网格骨架和孔隙结构对应的基板处进行铺粉，然后依次进行本层的第二网格骨架和孔隙结构的打印。照此进行逐层打印，直至整个待连接区域完成打印。

通过上述方法，将具有多孔结构的第一母材和第二母材之间的待连接区域进行三维模型构建，在母材的侧壁连接处和母材之间均设置网格骨架，在网格骨架上设置孔隙结构，并分别对其进行打印，实现母材之间具有孔隙结构的连接，使待连接区域更接近母材自身的多孔结构。既保证了待连接区域的强度，又保证了待连接区域的孔隙率和渗透率。

需要重点说明的是，利用第一粉末对所述第一网格骨架进行打印成形，利用第二粉末对所述第二网格骨架以及孔隙结构进行打印成形，所述第一粉末的平均粒度小于第二粉末的平均粒度。

打印第一网格骨架的粉末的粒径较小，利用粒径较小的粉末进行打印，可以得到比较致密的结构，可以保证和母材之间连接结构的强度。具体地，在与母材的侧壁进行连接时，采用的粉末较细，是因为细粉相对于粗粉，所需要的能量密度较小，同时，采用第一网格骨架致密成形连接时，第一网格骨架与母材侧壁为点接触，可避免过大的能量密度导致的母材侧壁处严重重熔，甚至造成多孔母材的多孔结构过熔坍塌甚至剥离；此外，细规格的粉末可成形的网格骨架尺寸更精细，成形质量相对更高，在保证强度的同时，也可兼顾孔隙率控制。

可以理解的是，多孔母材在连接成形时，最佳的连接状态是熔融的粉末原材料流动铺展在母材侧壁连接处，此时待连接母材的侧壁处吸收到的熔融粉末的热量会发生微区重熔，重熔的微区域与熔融的粉末原材料冶金熔合实现连接。与致密实体母材的连接不同，烧结多孔母材的连接处热量不能过高，即成形连接时所用的熔化能量密度不能过高，因为过高的热量会造成待连接母材侧壁连接处孔隙结构过熔坍塌，影响母材原结构，造成连接处塌陷；更甚至过熔坍塌的部分与与母材剥离造成连接失败；而当连接处的热量过低时，则不能达到连接的效果或者连接强度过低，无法满足使用要求。

故本申请在采用粉末床电子束选区熔化成形时，在待连接母材侧壁附近区域采用较细规格的粉末熔化成形。

在一些实施例中，所述第一粉末的粒径为15μm~53μm，例如20μm~30μm等；所述第二粉末的粒径为45μm~150μm，例如60μm~100μm等，D₅₀≥75μm。

下面对母材的基本结构进行介绍。

请参考图2，为了便于铺粉和扫描熔化，本申请的连接方法优选母材的侧壁坡角θ满足：6＜tanθ＜14。在此范围内，铺粉工作和扫描熔化更易进行，连接强度也比较高。

式中，h为多孔母材的高度；L为能量源到成形基板的距离，S为多孔母材的底部间距，α为能量源与多孔母材顶部位置的连接线和竖直方向的夹角。

下面对本申请的增材连接方法的具体过程进行描述。

1、将待连接的具有多孔结构的母材1和母材2相对设置，并固定在成形基板的中心。

2、待成形室真空条件到达后，请参考图5，在室温下进行一次对中，一次对中的中心点设置为电子束零偏转下的成形基板的平面中心，对应电子束偏转电压（V_x，V_y）为（0，0）的位置。一次对中主要是为了将待连接母材置于加热区域的中心位置，使其在均匀的热场下升温，以达到母材均匀热膨胀的效果。

3、将整个母材及待连接区域均匀加热至预设温度，并保温1~3h。预热区域将所有待连接母材完全覆盖，使其均匀加热至预设温度；加热至预设温度后进行保温，是为了稳定母材的热膨胀尺寸。

4、对待连接区域的三维模型进行尺寸缩放补偿

根据母材材料的热膨胀系数δ、加热的预设温度T以及母材的三维尺寸可获得其在三维方向上的热膨胀尺寸γ_x、γ_y和γ_z，并对待连接区域的三维模型进行相应的尺寸缩放补偿：X方向尺寸补偿为：-γ_x~0mm，Y方向的尺寸补偿为-γ_y~0mm，Z方向的尺寸补偿为0~γ_zmm。将尺寸补偿后的待连接区域的三维模型进行切层及路径规划，切层厚度δ=35~50μm。切层及路径规划包括网格骨架（即第一网格骨架和第二网格骨架）和除网格骨架外的填充结构（即孔隙结构）两个模型。

5、进行热态下的二次对中，定位待连接区域的精准位置。请参考图6，二次对中方法为：将能量源分别移动到母材待连接区域的四个顶点位置，获取四个点在成形基板上的二维平面内的位置信息，即图6中P₁~P₄点的偏转电压P（V_xi，V_yi），则二次对中的中心点位置P₀为P₁~P₄点偏转电压的平均值。

6、对待连接区域的第一层进行增材连接加工

（1）在待连接区域铺设一个δ厚度的粉末，并对整个待连接母材和待连接区域进行整体预热，铺设的粉末包含第一粉末（即粉末1）和第二粉末（即粉末2），两种规格粉末的铺设位置如图7所示；第一粉末的铺设宽度为S₁，为待连接区域宽度的10%~30%，即S₁=0.1~0.3S，其中S为待连接区域的宽度，即母材间距，这个间距可以是母材间的最小间距，也可以是最大间距。

（2）完成第一层的网格骨架致密成形

采用聚焦状态下电子束熔化成形网格骨架（即第一网格骨架和第二网格骨架），之后对整个待连接母材和待连接区域进行整体预热。需要说明的是，网格骨架采用的是致密成形工艺。所述第一网格骨架的成形工艺为：电子束在聚焦状态下（即散焦电压=0V），采用熔化能量密度E₁进行致密熔化成形；第二网格骨架的成形工艺为：电子束在聚焦状态下（即散焦电压=0V），采用熔化能量密度E₂进行致密熔化成形，其中E₂=1.2~2E₁。

（3）完成第一层的填充（即孔隙结构）烧结成形

采用散焦电子束欠熔烧结孔隙结构，之后对整个待连接母材和待连接区域进行整体预热。至此，完成第一层的连接区成形。需要说明的是，所述孔隙结构烧结成形采用粉末床电子束选区熔化技术进行非致密成形。非致密成形指的是采用非完全熔化的欠熔工艺，使得粉末颗粒之间相互搭接形成一定程度的烧结颈，进而在粉末颗粒间留下孔隙达到一种非致密的状态。所述孔隙结构的成形工艺为：电子束在散焦状态下（即散焦电压≠0V），采用能量密度E₃进行欠熔烧结成形，其中E₃=0.25~0.5E₁。其中，式中，U为电子束加速电压，一般为60kV，I为电子束下束电流，V为束斑移动速度，δ为层厚，H为电子束的扫描间距。

7、成形平台下降一个δ层厚，重复烧结成形的操作，逐步完成第二层、第三层……直至第N层的成形，完成整个待连接区域的成形，其中N=h/δ。

8、对整个连接构件进行随炉整体加热退火处理，之后进行递减预热缓慢降低温度至室温。

以TC4为例，所述第一网格骨架的成形工艺为：电子束在聚焦状态下（散焦电压=0V），下束电流I=2.5mA，束斑移动速度V=0.8m/s，层厚δ=0.05mm，扫描间距H=0.1mm，E₁=37.5J/mm²；所述第二网格骨架的成形工艺为：电子束在聚焦状态下（散焦电压=0V），下束电流I=4.8mA，束斑移动速度V=1m/s，层厚δ=0.05mm，扫描间距H=0.1mm，E₂=57.6J/mm²；孔隙结构的成形工艺为：电子束在散焦状态下（散焦电压=1V），下束电流I=4.6mA，束斑移动速度V=4m/s，层厚δ=0.05mm，扫描间距H=0.1mm，扫描间距H=0.1mm，E₃=13.8J/mm²。

需要理解的是，上述描述中可能出现的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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实施例和简化描述，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实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，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成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“之上”或“之下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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必须针对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。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (8)

1.一种烧结多孔金属的粉末床电子束增材连接方法，其特征在于，包括：

将具有多孔结构的第一母材和第二母材相对设置，并置于成形基板上；

构建所述第一母材和第二母材之间待连接区域的三维模型，其中，所述三维模型包括：网格骨架和孔隙结构，所述网格骨架包括两个第一网格骨架和第二网格骨架，两个所述第一网格骨架设置于靠近所述第一母材和第二母材的侧壁处，所述第二网格骨架设置于两个第一网格骨架之间，所述孔隙结构为两个所述第一网格骨架和第二网格骨架上的孔隙对应的结构；

根据所述三维模型设置熔化成形工艺；

利用所述熔化成形工艺对所述第一网格骨架、第二网格骨架和孔隙结构进行逐层打印成形，实现所述第一母材和第二母材的连接；

利用第一粉末对所述第一网格骨架进行打印成形，利用第二粉末对所述第二网格骨架以及孔隙结构进行打印成形，所述第一粉末的平均粒度小于第二粉末的平均粒度；

所述第一网格骨架的熔化成形工艺为：电子束在聚焦状态下，熔化能量密度为E₁；所述第二网格骨架的熔化成形工艺为：电子束在聚焦状态下，熔化能量密度为E₂，E₂=1.2E₁~2E₁；所述孔隙结构的熔化成形工艺为：电子束在散焦状态下，熔化能量密度为E₃，E₃=0.25E₁~0.5E₁。

2.根据权利要求1所述的增材连接方法，其特征在于，所述第一粉末的粒径为15μm~53μm，所述第二粉末的粒径为45μm~150μm。

3.根据权利要求1所述的增材连接方法，其特征在于，所述孔隙结构的熔化成形工艺为非完全熔化的欠熔工艺。

4.根据权利要求1所述的增材连接方法，其特征在于，当采用TC4粉末对所述待连接区域进行熔化成形时，采用的扫描间距H=0.1mm，层厚δ为35μm~50μm。

5.根据权利要求1所述的增材连接方法，其特征在于，所述第一母材和第二母材的坡角θ满足：6＜tanθ＜14。

6.根据权利要求1所述的增材连接方法，其特征在于，所述待连接区域的宽度为S，所述第一网格骨架的宽度为0.1S~0.3S。

7.根据权利要求1所述的增材连接方法，其特征在于，所述第一网格骨架与所述第一母材和第二母材的侧壁为点接触连接方式。

8.根据权利要求1所述的增材连接方法，其特征在于，将所述第一母材和第二母材置于所述成形基板之后，在室温下对电子束进行一次对中，一次对中的中心为电子束零偏转下的成形基板的中心；

对所述成形基板进行预热后，对电子束进行二次对中，二次对中的中心为所述待连接区域在所述成形基板上的二维平面的中心。