CN1411942A - 成分及组织可控的激光立体成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种成分及组织可控的激光立体成型方法，可在激光立体成型过程中，通过多路粉体配送和动态组织调控，对材料的种类或成分进行实时调控，达到梯度材料或者复杂的复合梯度材料的激光立体成型。本发明方法可靠，简单易行，不用对原激光立体成型系统做大的改动，只需加一个混流器(9)，根据所要制备的材料，确定需要送进粉末的种类、送粉器(8)的组数和粉末流输入管路(12)的个数，计算机(10)根据加工工艺流程，驱动送粉器(8)送粉，并通过传感器所采集的各路粉末的流量和流态信号，同步精确控制送粉器(8)的送粉量和送粉状态，各路粉末经混流器(9)混合均匀后，经喷嘴(2)送入激光熔池(4)中进行快速成型。
Description
技术领域：
本发明涉及一种成分及组织可控的激光立体成形方法，特别涉及激光立体成形技术中高精度多路可调送粉方法和相应的组织调控方法。
背景技术：
激光立体成形技术是近年来在快速原型技术的基础上发展起来的一项能够实现致密金属零部件近净成形的先进制造技术，与传统的快速原型技术相比较，激光立体成形技术不仅保持了快速原型技术加工柔性好(不需专用工具和夹具)，加工速度快，对零部件的复杂程度基本没有限制等特点，而且由于采用激光器作为加工工具并且直接熔化金属/合金粉末，因此所得到的是能够满足使用要求的致密金属零部件。另外，激光立体成形技术能够实现零部件的近净成形，可以大幅度节省材料、缩短加工周期，因此可显著降低一些贵重、难加工材料的制造成本。
激光立体成形采用的送料方式主要有送粉和送丝两种方法，其中，送粉法主要分为铺粉法、同步送粉法两种。铺粉法是将金属粉末或混合有粘结剂的金属粉末直接铺于基体或已凝固的前一层金属涂层上，在激光束照射下由数控工作台运动进行选区烧结从而形成新的一层涂层。同步送粉法是在激光束对基底材料进行扫描的同时，同步将金属粉末直接送进激光熔池中熔化，同时数控工作台的运动带动成形零部件运动，从而在基体或已凝固的前一层金属涂层上形成新的一层涂层。送丝法是采用一套同步送丝机构，将丝材送进到激光熔池中，通过控制丝材的送进，使送进材料的利用率得到提高，同时解决了成形过程中的氧化问题，从而保证了零部件的尺寸精度及表面光洁度。目前所采用的铺粉法和同步送粉法通常只能进行同种材质或简单的二、三材质成形件的制备成形，不能在激光立体成形过程中实时进行粉末种类或成分的调整，而送丝法受其送进方式和丝材尺度的限制，也无法实现完全自由的成分调控。
激光立体成形方法可以容易地成形所设计零部件的三维形貌。但由于受其送料方式限制，不能在激光立体成形过程中对材料的种类或成分进行实时调控，因而在梯度材料的激光立体成形就存在较大欠缺，更谈不上成形一些复杂的复合梯度材料。
发明内容：
为了实现激光立体成形过程中原料粉体配送的动态成分控制及成形件中的实时组织控制，本发明提出了一种成分及组织可控的激光立体成形方法。
一种成分及组织可控的激光立体成形方法，其特征在于：通过多路粉体配送和动态组织调控，对材料的种类或成分进行实时调控，多路粉体配送是根据被成形零部件结构强度等要求，对材料进行设计进而确定所需用粉末的种类，送粉的路数，并通过计算机(1)实时同步控制各路粉体原料的流量和流态，调整其动态配比，调整送入激光熔池中的粉末种类，并且精确控制粉末的流量。
动态组织调控是根据成形件的材料性能和组织设计，通过数值计算或前期实验，获得激光功率密度、扫描速度等参数与局部的温度梯度和凝固速度的关系，进而通过组织选择图，获得这些成形参数对成形材料内部组织的影响规律，在成形过程中，通过调整功率密度及扫描速度的方式，同时配合原料粉体总量的调控，结合材料的成分，控制其激光熔凝过程中的凝固参数，对成形件组织加以干预。
成形一般的合金材料，由于材料加工要求较低，对组织无特殊要求，可不用混流器9，通过两个或多个独立的喷嘴3将两种或多种粉料送入激光熔池4，靠激光熔池4中的强烈对流就可以使成分均匀化。
成形梯度体材料零件或者复合梯度体材料零件，可选用三组到多组送粉器8，配合送粉器8经粉末流输入管12将原料粉送入混流室13，通过辅助气流输入管11导入气体，使原料在混流室13内充分混合后，由混合粉末流输出管14导出送到喷嘴3。
一种成分及组织可控的激光立体成形方法所配套的混流器，其特征在于：由辅助气流输入管11，粉末流输入管12，混流室13及混合粉末流输出管14构成，辅助气流输入管11位于混流室13正上方，在混流室13的上部、辅助气流输入管11的周围分布有多个粉末流输入管12，混合粉末流输出管14位于混流室13下方与喷嘴3相连接。
本发明相比现有技术的优点在于：激光立体成形过程中，可实现对任意三维零部件的形貌、成分以及组织的控制，达到梯度材料的激光立体成形。
附图说明：
图1为成分及组织可控的激光立体成形方法流程框图
图2为成分及组织可控的激光立体成形方法工作过程示意图
图3为混流器示意图
图中1.激光器，2.激光头，3.喷嘴，4.激光熔池，5.成形件，6.基材，7.数控工作台，8.送粉器，9.混流器，10.计算机，11.辅助气流输入管，12.粉末流输入管，13.混流室，14.混合粉末流输出管
具体实施方式：
参照图1、图2，首先根据成形件的形状在计算机10中生成零部件的三维CAD模型，然后将模型按一定的厚度分层“切片”，即将零部件的三维数据信息转换成一系列二维平面信息，再根据成形件的成分和结构设计确定在不同位置的多路粉体配送比例，并根据成形件的性能或组织设计要求，分析动态组织调控方案，确定不同位置的激光成形工艺参数，并将这些实时控制参数同样送入计算机1中形成同步实时控制信息，就可对任意多材料复合的三维实体零部件实施激光立体成形。也就是激光头2扫描轨迹，同时根据所制备的材料，确定需要送进粉末的种类，进而确定送粉器8的组数，采用多组送粉器8同时多路送粉，计算机10根据加工工艺流程，驱动各组送粉器8送粉，并通过传感器所采集的各路粉末的流量和流态信号同步精确控制各组送粉器8的送粉量和送粉状态，各路粉末经混流器9混合均匀后，经喷嘴2送入激光束形成的激光熔池4中进行快速成形。在成形过程中，计算机10同时根据设定的实时成形工艺控制方案，通过激光器1功率的实时调控或调整激光头2改变聚焦光斑的尺寸，以及通过数控工作台7与激光头2的相对运动来加以控制实时的功率输出密度和扫描速度，以动态实时控制成形件的凝固组织。在调整功率密度、扫描速度等参数的同时，可通过计算机10协调粉体的总流量以稳定加工工艺。
其中，多路粉体配送是根据被成形零部件结构强度等要求，对材料进行设计进而确定所需用粉末的种类，送粉的路数，并通过计算机1实时同步控制各路粉体原料的流量和流态，调整其动态配比。这样，在激光快速成形过程中，随着激光束对基材的扫描，同步实时地调整送入激光熔池中的粉末种类，并且精确控制粉末的流量。
动态组织调控是根据成形件的材料性能和组织设计，首先通过数值计算或前期实验，获得激光功率密度、扫描速度等参数与局部的温度梯度和凝固速度的关系，进而通过组织选择图，获得这些成形参数对成形材料内部组织的影响规律，这样，在成形过程中，可通过调整功率密度及扫描速度的方式，同时配合原料粉体总量的调控，结合材料的成分，控制其激光熔凝过程中的凝固参数，对成形件组织加以干预。
为保证各路粉末经混流器9能够混合均匀，混流器9内的管路设计必须对由各路送粉器通过粉末流输入管路12送入的粉末流能够产生均匀混合的效果；为保证粉料配比具有较好的动态响应，应减小混流室13中的粉末滞留量。为实现这两个目的，可以在混流器9上设置辅助传输气流管路11以送入辅助传输气流。混匀后的粉料由混合粉末流输出管路14输出到喷嘴3。
在成形件对精度要求不高的情况下，各路粉末可以直接经各自的独立喷嘴3送入激光激光熔池4中进行快速成形。但必须保证所有经喷嘴送出的粉末流汇聚于激光熔池4中。
参照图3，一种成分及组织可控的激光立体成形方法所配套的混流器，其特征在于：由辅助气流输入管11，粉末流输入管12，混流室13及混合粉末流输出管14构成，辅助气流输入管11位于混流室13正上方，在混流室13的上部、辅助气流输入管11的周围分布有多个粉末流输入管12，混合粉末流输出管14位于混流室13下方与喷嘴3相连接。应用实施例一：
AlSn6Cu-92Pb8Sb类轴瓦梯度材料零件的成形。内表面为92Pb8Sb合金，由内向外沿径向以AlSn6Cu体积比从0％到100％进行变化，最外层为AlSn6Cu合金材料，对组织无特殊要求。
首先通过计算机10对AlSn6Cu-92Pb8Sb类轴瓦梯度材料零件模型进行设计和分层处理，形成一系列平行于X-Y平面的扫描轨迹，同时计算机10根据梯度材料的结构设计要求沿扫描轨迹计算相应的AlSn6Cu合金和92Pb8Sb合金粉末配比，并存储扫描轨迹与成分数据。
成形过程采用5kW连续CO2激光器1，激光器输出功率2.5～3.5kW，保护气为氩气。激光束经激光头2在基材6上形成一定尺寸的激光熔池4，并在数控工作台7的带动下，按照计算机10所生成的扫描轨迹在基材6表面进行扫描，扫描完一层后，激光头2和送粉器喷嘴8按程序设定沿Z轴上升一段距离ΔZ，再按照下一层的扫描轨迹线涂覆下一层材料。在整个扫描过程中，计算机10在控制数控工作台7运动的同时，也控制双路粉体配送子系统按照预先设定的动态配比分别向激光熔池中送入AlSn6Cu合金和92Pb8Sb合金粉末。全部层都涂覆完后，就得到了AlSn6Cu-92Pb8Sb类轴瓦梯度材料零件。
由于材料加工要求较低，本加工装置中的送粉系统没有采用混流器9，而是使用了两个独立的喷嘴3将两种粉料送入激光熔池4，仅靠激光熔池4中的强烈对流就可以满足成分均匀化要求。应用实施例二：
SS316-In690层状梯度体材料零件的成形，其内部组织沿轴向以列状晶定向生长，如果在梯度过渡层中仅简单地以不同材料的体积比从0％到100％进行变化，过渡层中将出现残余骨骼状铁素体或残余共晶铁素体而造成硬度软化区，使过渡层的局部性能有所减弱。因此在梯度过渡层的制备成形过程中，在不影响整体成分梯度结构的情况下，考虑适当添加微量其他组分，并提供适当的凝固条件，以消除梯度过渡层中的硬度软化区，所添加的微量组元X以及所需的成形参数，包括激光功率密度和扫描速度可通过相图计算，组织模拟或试验等方法确定。
首先通过计算机10对SS316-In690层状梯度体材料零件模型进行设计和分层处理，形成一系列平行于X-Y平面的扫描轨迹，同时按照设计要求，根据组织选择图中列状晶生长区所要求的凝固控制参数，沿扫描轨迹生成相应的粉料配比、激光功率、扫描速度数据。本实施例中激光功率密度通过改变激光器输出功率来实现。
采用5kW激光器1，激光输出功率在1.5～4.5kW之间可调，保护气为氩气。激光束经激光头2，在基材6上形成一定尺寸的激光熔池4，并在数控工作台7的带动下，按照计算机10所生成的扫描轨迹和扫描速度在基板表面进行扫描，扫描完一层后，激光束和送粉器喷嘴3按程序设定沿Z轴上升一段距离ΔZ，再按照下一层的扫描轨迹线涂覆下一层材料。在整个扫描过程中，计算机10在控制数控工作台7运动的同时，控制多路粉体配送子系统按照预先设定的动态配比向激光熔池中送入SS316、In690以及X合金粉体，并实时调整激光器输出功率，全部层都涂覆完后，就得到了SS316-In690层状梯度体材料成形件5。
由于生产涉及三种粉体原料并对粉料均匀性有较高要求，因此多路粉体配送子系统采用了三路送粉器8，并使用了混流器9来混合粉料。应用实施例三：
SS316-In690-AlNi3复合梯度体材料零件的成形。该零件存在SS316-In690梯度过渡层，SS316-AlNi3梯度过渡层，In690-AlNi3梯度过渡层以及SS316-In690-AlNi3梯度过渡区。考虑不同材料之间成分和性能的平稳过渡，因此在梯度过渡层的制备成形过程中，在不影响整体成分梯度结构的情况下，适当添加微量其他组分，以消除梯度过渡层中的性能弱化区，不同区域所添加的微量组元X1，X2，X3，以及相应的成形参数，包括激光功率密度和扫描速度，可通过相图计算和组织模拟或试验等方法确定。
首先通过计算机10对SS316-In690-AlNi3复合梯度体材料零件模型进行设计和分层处理，形成一系列平行于X-Y平面的扫描轨迹，同时按照设计要求沿扫描轨迹生成相应的粉料配比、激光功率、扫描速度数据。生产中激光功率密度通过调整激光头2，改变光斑大小来实现。
采用5kW连续CO2激光器1，激光输出功率2.5～3.5kW，保护气为氩气。激光束经激光头2，在基材6上形成一定尺寸的激光熔池4，并在数控工作台7的带动下，按照计算机10所生成的扫描轨迹和扫描速度在基材表面进行扫描，扫描完一层后，激光头2和送粉器喷嘴3按程序设定沿Z轴上升一段距离ΔZ，再按照下一层的扫描轨迹线涂覆下一层材料。
在激光束扫描的同时，计算机10根据梯度材料的结构设计要求控制多路粉体配送子系统将五个独立送粉器8中的SS316合金、In690合金以及AlNi3以及组分X1，X2，X3粉末按照所需配比，经由混流器9向激光熔池4中送入，同时计算机10向激光头2发出指令，改变激光光斑尺度，以获得所需的激光功率密度。全部层涂覆完毕后，就得到了SS316-In690-AlNi3复合梯度体材料零件。
Claims (6)
1、一种成分及组织可控的激光立体成形方法，其特征在于：通过多路粉体配送和动态组织调控，对零件不同部位的材料种类或成分进行实时调控。
2、如权利要求1所述的成分及组织可控的激光立体成形方法，其特征在于：所说的多路粉体配送是根据被成形零部件结构强度等要求，对材料进行设计进而确定所需用粉末的种类，送粉的路数，并通过计算机(1)实时同步控制各路粉体原料的流量和流态，调整其动态配比，调整送入激光熔池中的粉末种类，并且精确控制粉末的流量。
3、如权利要求1所述的成分及组织可控的激光立体成形方法，其特征在于：所说的动态组织调控是根据成形件的材料性能和组织设计，通过数值计算或前期实验，获得激光功率密度、扫描速度等参数与局部的温度梯度和凝固速度的关系，进而通过组织选择图，获得这些成形参数对成形材料内部组织的影响规律，在成形过程中，通过调整功率密度及扫描速度的方式，同时配合原料粉体总量的调控，结合材料的成分，控制其激光熔凝过程中的凝固参数，对成形件组织加以干预。
4、如权利要求1所述的成分及组织可控的激光立体成形方法，其特征在于：成形一般的合金材料，由于材料加工要求较低，对组织无特殊要求，可不用混流器(9)，通过两个或多个独立的喷嘴(3)将两种或多种粉料送入激光熔池(4)，靠激光熔池(4)中的强烈对流就可以使成分均匀化。
5、如权利要求1所述的成分及组织可控的激光立体成形方法，其特征在于：成形梯度体材料零件或者复合梯度体材料零件，可选用两组到多组送粉器(8)，配合送粉器(8)经混流器(9)充分混合后，通过喷嘴(3)送入激光熔池(4)。
6、一种如权利要求1所述的成分及组织可控的激光立体成形方法所配套的混流器(9)，其特征在于：由辅助气流输入管(11)，粉末流输入管(12)，混流室(13)及混合粉末流输出管(14)构成，辅助气流输入管(11)位于混流室(13)正上方，在混流室(13)的上部、辅助气流输入管(11)的周围分布有多个粉末流输入管(12)，混合粉末流输出管(14)位于混流室(13)下方与喷嘴(3)相连接。
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