CN118143286A - 一种减少SLM成形18Ni300钢表层缺陷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属粉末加工技术领域，具体涉及是一种减少SLM成形18Ni300钢表层缺陷的方法，先对18Ni300钢粉末预处理，然后将预处理后18Ni300钢粉末进行SLM成形，接着对成形后18Ni300钢的表面处理，然后对表面处理后的18Ni300钢进行超激光冷焊重熔，最后将重熔后18Ni300钢放置室内静置释放内应力，这样通过在SLM成形材料表面易磨损部位，采用超激光冷焊技术进行重熔，其目的是有效减少孔洞、夹杂未熔化金属粉末、微裂纹等缺陷，增加承载的有效面积，提高力学性能。通过自然时效，释放残余内应力，实现了重熔层与基体结合处的显微组织，晶粒细小，重熔层的硬度相对基体得到了提高的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及金属粉末加工技术领域，具体涉及是一种减少SLM成形18Ni300钢表层缺陷的方法。
背景技术
激光选区熔化（Selective laser melting，SLM）成形是金属材料增材制造中的一种主要技术途径。该技术选用激光作为能量源，按照三维CAD 切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，扫描过的金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得模型所设计的金属零件。由于激光选区熔化成形技术具有光斑较小、冷却速度高的特点，成形的金属零件组织细小、精度高、性能良好，特别适合薄壁、复杂内腔、内流道等传统加工技术难以实现的复杂精密构件的整体制造。
18Ni300是一种典型的马氏体时效钢，具有高强度、高韧性和良好的加工性能等特点。广泛应用于航空航天、国防及高精度模具等领域。
目前研究表明，SLM成形的18Ni300钢由于各道次材料存在变形不均匀性，熔池温度不均匀性和冷却速度不同，如图1所示，为激光选区熔化18Ni300的显微组织，其材料内部产生较多孔洞、夹杂未熔化金属粉末、微裂纹等缺陷，这些缺陷存在会减低钢的强度、韧性以及疲劳性能、耐磨性等力学性能。
发明内容
本发明针对以上问题，提供一种减少SLM成形18Ni300钢表层缺陷的方法。
采用的技术方案是，一种减少SLM成形18Ni300钢表层缺陷的方法，包括以下步骤：
S1.对18Ni300钢粉末预处理；
S2.将预处理后18Ni300钢粉末进行SLM成形；
S3.对成形后18Ni300钢的表面处理；
S4.对表面处理后的18Ni300钢进行超激光冷焊重熔；
S5.将重熔后18Ni300钢放置室内静置释放内应力。
可选的，S1中，选择18Ni300钢真空气雾粉末为原材料，并将原材料用铝箔纸包裹，放入电阻炉中，温度为40℃～60℃，时间为6 h～8h，祛除原材料中的水汽。
可选的，18Ni300钢真空气雾粉末，按质量分数包括，17.70%Ni、0.72%Ti、9.05%Co、0.077%Al、4.70%Mo、0.025%Si、0.031%Cr、0.022%Mn、0.007%C，余量为Fe。
可选的，18Ni300钢真空气雾粉末粒度为25μm～53μm，松装密度为4.0～5.0g/cm3。
可选的，S2中，包括以下子步骤：
S21.将预处理得到的18Ni300钢粉末放入激光选区熔化成形设备中并抽真空；
S22.将待制造零件的3D模型通过分层软件将模型离散成层数据，生成二维激光加工轨迹，输入金属3D打印机；
S23.激光选区熔化成形设备根据生成的加工轨迹扫描预先铺置18Ni300钢粉末；
S24.扫描完成后，用橡胶刮刀在已加工完成的层面上再铺一层18Ni300钢粉末，通过高能束激光按照加工轨迹再次扫描；
S25. 如此往复循环，逐层堆积直至整个零件完成制造。
可选的，S21中，真空度为1×10-3Pa；
S23中，扫描的参数包括激光功率为200～600W，激光扫描速度为600～1800mm/s，扫描间距为0.05～0.15mm；
S24中，每层成形厚度为20μm～40μm。
可选的，S3中，依次用100目、400目、800目的砂纸对SLM成形的18Ni300钢表面打磨。
可选的，S3中，将打磨后的18Ni300钢放入超声波清洗机内，加入无水乙醇进行清洗，且超声振动的频率为40kHz，功率为480W，清洗时间为5～10min，温度为40℃。
可选的，S4中，通过超激光冷焊机，通入氩气保护，将SLM成形的18Ni300钢表面逐点熔化，每个熔点与前一个熔点的搭接率为40%～60%，每一道与前一道的搭接率为40%～60%，最终使18Ni300钢整个表面完全重熔，且超激光冷焊机的电流为16～24A，脉冲时间为15～25ms，氩气的通气量为10～15L/h。
可选的，S5中，将重熔后18Ni300钢放置室内静置1～6个月，释放内应力。
本发明的有益效果至少包括以下之一；
1、通过在激光选区熔化成形18Ni300钢表面易磨损部位，采用超激光冷焊技术进行重熔，其目的是有效减少孔洞、夹杂未熔化金属粉末、微裂纹等缺陷，增加承载的有效面积，提高力学性能。再通过自然时效，释放残余内应力。
2、在重熔层中，孔洞、微裂纹、未熔化金属颗粒等缺陷相对基体大幅度减少重熔层和基体中各元素分布均匀，没有明显的偏析。熔池中心的显微组织，晶粒较大，有明显的等轴晶粒。介于熔池中心与熔池边缘位置的显微组织，具有柱状晶粒的特征。重熔层与基体结合处的显微组织，晶粒十分细小。重熔层的硬度相对基体得到了提高，其中在重熔层与基体结合处的硬度最高为421.2HV，相对于基体的349.8HV提高了20.4%。
附图说明
图1为激光选区熔化18Ni300的显微组织结构图；
图2为实施例2显微组织结构图；
图3为熔池中心的显微组织结构图；
图4为介于熔池中心与熔池边缘位置的显微组织结构图；
图5为重熔层与基体结合处的显微组织结构图；
图6为实施例2的重熔层沿熔池深度方向的显微硬度分布；
图7为实施例3显微组织结构图；
图8为实施例4显微组织结构图；
图9为熔接示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
一种减少SLM成形18Ni300钢表层缺陷的方法，包括以下步骤：
S1.对18Ni300钢粉末预处理；
S2.将预处理后18Ni300钢粉末进行SLM成形；
S3.对成形后18Ni300钢的表面处理；
S4.对表面处理后的18Ni300钢表面熔化直至完全重熔；
S5.将重熔后18Ni300钢放置室内静置释放内应力。
这样设计的目的在于，通过在激光选区熔化成形18Ni300钢表面易磨损部位，采用超激光冷焊技术进行重熔，其目的是有效减少孔洞、夹杂未熔化金属粉末、微裂纹等缺陷，增加承载的有效面积，提高力学性能。再通过自然时效，释放残余内应力，解决了现有SLM成形的18Ni300钢由于各道次材料存在变形不均匀性，熔池温度不均匀性和冷却速度不同其材料内部产生较多孔洞、夹杂未熔化金属粉末、微裂纹等缺陷，这些缺陷存在会减低钢的强度、韧性以及疲劳性能、耐磨性等力学性能的问题。
实施例2
一种减少SLM成形18Ni300钢表层缺陷的方法，包括以下步骤：
选择18Ni300钢真空气雾粉末为原材料，其化学成分（%，质量分数）为17.70%Ni、0.72%Ti、9.05%Co、0.077%Al、4.70%Mo、0.025%Si、0.031%Cr、0.022%Mn、0.007%C，余量为Fe。
粉末粒度为25μm～53μm，松装密度为4.18g/cm3。将原材料用铝箔纸包裹好，放入电阻炉中，温度为40℃，时间为8h，祛除粉末中的水汽。
将上述粉末放入瑞士GF公司的DMP Flex350激光选区熔化成形设备中，抽真空，真空度为1×10-3Pa。
首先在计算机上采用三维画图软件设计出零件的3D模型，通过分层软件将模型离散成层数据，生成二维激光加工轨迹，输入金属3D打印机。设备根据生成的加工轨迹扫描预先铺置18Ni300粉末，扫描的主要参数：激光功率为230W，激光扫描速度为1100mm/s，扫描间距为0.10mm。扫描完成后，用橡胶刮刀在已加工完成的层面上再铺一层18Ni300粉末，高能束激光按照设置好的加工轨迹再次扫描，每层成形厚度为30μm。如此往复循环，逐层堆积直至整个零件完成制造。
依次用100目、400目、800目的砂纸将上述SLM成形的18Ni300钢的表面打磨光滑，放入超声波清洗机内，加入无水乙醇进行清洗，目的是清除铁锈、油污、杂质等。超声振动的频率为40kHz，功率为480W，清洗时间为5~10min，温度为40℃。
再采用GT-2500型超激光冷焊机，通入氩气（Ar）保护，将SLM成形的18Ni300钢表面逐点熔化，熔接方向如图1所示，每个熔点与前一个熔点的搭接率为50%，每一道与前一道的搭接率为50%，最终使整个表面完全重熔。超激光冷焊机的电流为20A，脉冲时间为18ms，氩气的通气量为12L/h。
再将上述处理后的试样，放在室内环境中，自然时效5个月，释放内应力。
如图2所示，在重熔层中，孔洞、微裂纹、未熔化金属颗粒等缺陷相对基体大幅度减少，同时使用EDS扫描，可以得出重熔层和基体中各元素分布均匀，没有明显的偏析，图3熔池中心的显微组织，晶粒较大，有明显的等轴晶粒。图4是介于熔池中心与熔池边缘位置的显微组织，具有柱状晶粒的特征。图5为重熔层与基体结合处的显微组织，晶粒十分细小。图3～图5中很少见孔洞、裂纹等缺陷。图6为重熔层沿熔池深度方向的显微硬度分布，其中在重熔层与基体结合处的硬度最高为421.2HV，相对于基体的349.8HV提高了20.4%。
同时，作为对比提供一种未进行超激光冷焊重熔的示例，其具体步骤为：
选择18Ni300钢真空气雾粉末为原材料，其化学成分（%，质量分数）为17.70%Ni、0.72%Ti、9.05%Co、0.077%Al、4.70%Mo、0.025%Si、0.031%Cr、0.022%Mn、0.007%C，余量为Fe。粉末粒度为25μm～53μm，松装密度为4.18g/cm3。将原材料用铝箔纸包裹好，放入电阻炉中，温度为40℃，时间为8h，祛除粉末中的水汽。
将上述粉末放入瑞士GF公司的DMP Flex350激光选区熔化成形设备中，抽真空，真空度为1×10-3Pa。首先在计算机上采用三维画图软件设计出零件的3D模型，通过分层软件将模型离散成层数据，生成二维激光加工轨迹，输入金属3D打印机。设备根据生成的加工轨迹扫描预先铺置18Ni300粉末，扫描的主要参数：激光功率为230W，激光扫描速度为1100mm/s，扫描间距为0.10mm。扫描完成后，用橡胶刮刀在已加工完成的层面上再铺一层18Ni300粉末，高能束激光按照设置好的加工轨迹再次扫描，每层成形厚度为30μm。如此往复循环，逐层堆积直至整个零件完成制造。
如图1所示，去显微组织结构中内部存在一定的孔洞、微裂纹、未熔化金属颗粒等缺陷。
需要指出的是，超激光冷焊可将储存于电容器中的电能在瞬间通过脉冲电弧的形式释放于钨极与工件之间，温度极高的电弧使金属材料组成的工件和焊丝迅速熔化而熔接在一起。其焊接效果和精度接近激光焊接，速度是激光焊接的十倍。其脉冲时间、脉冲电流能得到精确的控制，引弧容易，熔滴过渡稳定，实际放电时间相对于前后两次放电时间间隙极短，工件基体表面受热大幅降低，热影响区范围很小，无飞溅、无变形量和塌边现象，设备和工艺简单，因此本实施例中通过将其应用在SLM成形18Ni300中解决其表层的孔洞、裂纹等缺陷。
实施例3
一种减少SLM成形18Ni300钢表层缺陷的方法，包括以下步骤：
选择18Ni300钢真空气雾粉末为原材料，其化学成分（%，质量分数）为17.70%Ni、0.72%Ti、9.05%Co、0.077%Al、4.70%Mo、0.025%Si、0.031%Cr、0.022%Mn、0.007%C，余量为Fe。
粉末粒度为25μm～53μm，松装密度为4.18g/cm3。将原材料用铝箔纸包裹好，放入电阻炉中，温度为40℃，时间为8h，祛除粉末中的水汽。
将上述粉末放入瑞士GF公司的DMP Flex350激光选区熔化成形设备中，抽真空，真空度为1×10-3Pa。
首先在计算机上采用三维画图软件设计出零件的3D模型，通过分层软件将模型离散成层数据，生成二维激光加工轨迹，输入金属3D打印机。设备根据生成的加工轨迹扫描预先铺置18Ni300粉末，扫描的主要参数：激光功率为230W，激光扫描速度为1100mm/s，扫描间距为0.10mm。扫描完成后，用橡胶刮刀在已加工完成的层面上再铺一层18Ni300粉末，高能束激光按照设置好的加工轨迹再次扫描，每层成形厚度为30μm。
如此往复循环，逐层堆积直至整个零件完成制造。
依次用100目、400目、800目的砂纸将上述SLM成形的18Ni300钢的表面打磨光滑，放入超声波清洗机内，加入无水乙醇进行清洗，目的是清除铁锈、油污、杂质等。超声振动的频率为40kHz，功率为480W，清洗时间为10min，温度为40℃。
再采用GT-2500型超激光冷焊机，通入氩气（Ar）保护，将SLM成形的18Ni300钢表面逐点熔化，熔接方向如图1所示，每个熔点与前一个熔点的搭接率为40%，每一道与前一道的搭接率为50%，最终使整个表面完全重熔。超激光冷焊机的电流为16A，脉冲时间为25ms，氩气的通气量为15L/h。
再将上述处理后的试样，放在室内环境中，自然时效6个月，释放内应力。
这样设计的目的在于，通过在激光选区熔化成形18Ni300钢表面易磨损部位，采用超激光冷焊技术进行重熔，其目的是有效减少孔洞、夹杂未熔化金属粉末、微裂纹等缺陷，增加承载的有效面积，提高力学性能。再通过自然时效，释放残余内应力。在重熔层中，孔洞、微裂纹、未熔化金属颗粒等缺陷相对基体大幅度减少重熔层和基体中各元素分布均匀，没有明显的偏析。熔池中心的显微组织，晶粒较大，有明显的等轴晶粒。介于熔池中心与熔池边缘位置的显微组织，具有柱状晶粒的特征。重熔层与基体结合处的显微组织，晶粒十分细小。重熔层的硬度相对基体得到了提高，其中在重熔层与基体结合处的硬度最高为421.2HV，相对于基体的349.8HV提高了20.4%。
同时，如图7所示，在重熔层中，孔洞、微裂纹、未熔化金属颗粒等缺陷相对基体大幅度减少。
实施例4
一种减少SLM成形18Ni300钢表层缺陷的方法，包括以下步骤：
选择18Ni300钢真空气雾粉末为原材料，其化学成分（%，质量分数）为17.70%Ni、0.72%Ti、9.05%Co、0.077%Al、4.70%Mo、0.025%Si、0.031%Cr、0.022%Mn、0.007%C，余量为Fe。
粉末粒度为25μm～53μm，松装密度为4.18g/cm3。将原材料用铝箔纸包裹好，放入电阻炉中，温度为40℃，时间为8h，祛除粉末中的水汽。
将上述粉末放入瑞士GF公司的DMP Flex350激光选区熔化成形设备中，抽真空，真空度为1×10-3Pa。
首先在计算机上采用三维画图软件设计出零件的3D模型，通过分层软件将模型离散成层数据，生成二维激光加工轨迹，输入金属3D打印机。设备根据生成的加工轨迹扫描预先铺置18Ni300粉末，扫描的主要参数：激光功率为230W，激光扫描速度为1100mm/s，扫描间距为0.10mm。扫描完成后，用橡胶刮刀在已加工完成的层面上再铺一层18Ni300粉末，高能束激光按照设置好的加工轨迹再次扫描，每层成形厚度为30μm。如此往复循环，逐层堆积直至整个零件完成制造。
依次用100目、400目、800目的砂纸将上述SLM成形的18Ni300钢的表面打磨光滑，放入超声波清洗机内，加入无水乙醇进行清洗，目的是清除铁锈、油污、杂质等。超声振动的频率为40kHz，功率为480W，清洗时间为5min，温度为40℃。
再采用GT-2500型超激光冷焊机，通入氩气（Ar）保护，将SLM成形的18Ni300钢表面逐点熔化，熔接方向如图1所示，每个熔点与前一个熔点的搭接率为40%，每一道与前一道的搭接率为40%，最终使整个表面完全重熔。超激光冷焊机的电流为18A，脉冲时间为20ms，氩气的通气量为10L/h。
再将上述处理后的试样，放在室内环境中，自然时效3个月，释放内应力。
这样设计的目的在于，通过在激光选区熔化成形18Ni300钢表面易磨损部位，采用超激光冷焊技术进行重熔，其目的是有效减少孔洞、夹杂未熔化金属粉末、微裂纹等缺陷，增加承载的有效面积，提高力学性能。再通过自然时效，释放残余内应力。在重熔层中，孔洞、微裂纹、未熔化金属颗粒等缺陷相对基体大幅度减少重熔层和基体中各元素分布均匀，没有明显的偏析。熔池中心的显微组织，晶粒较大，有明显的等轴晶粒。介于熔池中心与熔池边缘位置的显微组织，具有柱状晶粒的特征。重熔层与基体结合处的显微组织，晶粒十分细小。重熔层的硬度相对基体得到了提高，其中在重熔层与基体结合处的硬度最高为421.2HV，相对于基体的349.8HV提高了20.4%。
同时，如图8所示，在重熔层中，孔洞、微裂纹、未熔化金属颗粒等缺陷相对基体大幅度减少。
整个方法的工作原理为，采用电弧作为热源，在18Ni300表面再次熔化并形成电弧熔池，在电弧力、浮力、洛伦磁力、熔池表面张力和等离子流力等这些驱动力的作用下，液态的18Ni300在熔池中形成对流、渗透和扩散，材料重新填充孔隙，再凝固结晶，熔池内的组织更加均匀致密，孔洞、微裂纹、未熔化金属颗粒等缺陷因此大幅降低甚至消除。由于每个熔池与前一个熔池的搭接率为40%～60%，每一道与前一道的搭接率为40%～60%，整个表面完全重熔。从而减少了整个表层的孔洞、微裂纹、未熔化金属颗粒等缺陷，改善了表层的硬度、强度、应力状态等。
再则如图9所示，本实施例中采用的是一种圆形的冷焊重熔路径，呈圆形依次将表面覆盖。
同时需要指出的是，为了方便查看图2、图7和图8中，从左至右依次为“外界”、“重熔层”和“基体部分”。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (10)
1.一种减少SLM成形18Ni300钢表层缺陷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.对18Ni300钢粉末预处理；
S2.将预处理后18Ni300钢粉末进行SLM成形；
S3.对成形后18Ni300钢的表面处理；
S4.对表面处理后的18Ni300钢进行超激光冷焊重熔；
S5.将重熔后18Ni300钢放置室内静置释放内应力。
2.根据权利要求1所述的一种减少SLM成形18Ni300钢表层缺陷的方法，其特征在于，S1中，选择18Ni300钢真空气雾粉末为原材料，并将原材料用铝箔纸包裹，放入电阻炉中，温度为40℃～60℃，时间为6 h～8h，祛除原材料中的水汽。
3.根据权利要求2所述的一种减少SLM成形18Ni300钢表层缺陷的方法，其特征在于，所述18Ni300钢真空气雾粉末，按质量分数包括，17.70%Ni、0.72%Ti、9.05%Co、0.077%Al、4.70%Mo、0.025%Si、0.031%Cr、0.022%Mn、0.007%C，余量为Fe。
4.根据权利要求2所述的一种减少SLM成形18Ni300钢表层缺陷的方法，其特征在于，所述18Ni300钢真空气雾粉末粒度为25μm～53μm，松装密度为4.0～5.0g/cm3。
5.根据权利要求1所述的一种减少SLM成形18Ni300钢表层缺陷的方法，其特征在于，S2中，包括以下子步骤：
S21.将预处理得到的18Ni300钢粉末放入激光选区熔化成形设备中并抽真空；
S22.将待制造零件的3D模型通过分层软件将模型离散成层数据，生成二维激光加工轨迹，输入金属3D打印机；
S23.激光选区熔化成形设备根据生成的加工轨迹扫描预先铺置18Ni300钢粉末；
S24.扫描完成后，用橡胶刮刀在已加工完成的层面上再铺一层18Ni300钢粉末，通过高能束激光按照加工轨迹再次扫描；
S25. 如此往复循环，逐层堆积直至整个零件完成制造。
6.根据权利要求5所述的一种减少SLM成形18Ni300钢表层缺陷的方法，其特征在于，S21中，真空度为1×10-3Pa；
S23中，扫描的参数包括激光功率为200～600W，激光扫描速度为600～1800mm/s，扫描间距为0.05～0.15mm；
S24中，每层成形厚度为20μm～40μm。
7.根据权利要求6所述的一种减少SLM成形18Ni300钢表层缺陷的方法，其特征在于，S3中，依次用100目、400目、800目的砂纸对SLM成形的18Ni300钢表面打磨。
8.根据权利要求7所述的一种减少SLM成形18Ni300钢表层缺陷的方法，其特征在于，S3中，将打磨后的18Ni300钢放入超声波清洗机内，加入无水乙醇进行清洗，且超声振动的频率为40kHz，功率为480W，清洗时间为5～10min，温度为40℃。
9.根据权利要求8所述的一种减少SLM成形18Ni300钢表层缺陷的方法，其特征在于，S4中，通过超激光冷焊机，通入氩气保护，将SLM成形的18Ni300钢表面逐点熔化，每个熔点与前一个熔点的搭接率为40%～60%，每一道与前一道的搭接率为40%～60%，最终使18Ni300钢整个表面完全重熔，且超激光冷焊机的电流为16～24A，脉冲时间为15～25ms，氩气的通气量为10～15L/h。
10.根据权利要求1所述的一种减少SLM成形18Ni300钢表层缺陷的方法，其特征在于，S5中，将重熔后18Ni300钢放置室内静置1～6个月，释放内应力。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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