CN1861296A - 一种近净成形零件的方法 - Google Patents

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刘锦辉
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Abstract

本发明公开了一种近净成形零件的方法，其步骤为：将零件的三维模型输入SLM或SLS快速机中，并将SLM或SLS快速机的成形室抽真空，激光器对位于切片边界处的金属粉末进行扫描，熔化边界处的粉末材料，对边界内的金属粉末沿网状轨迹扫描成网状结构，使零件内部相对密度为50％－60％；使金属粉末快速制造成一个整体的、完全致密外壳的密封制件，再将SLM或SLS制件直接进行HIP处理，最后得到满足性能和精度要求的合格零件。本发明将快速成形技术如选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)与热等静压(HIP)技术结合起来，工艺过程简单易行，低耗高效。

Description

一种近净成形零件的方法
技术领域
本发明属于快速成形技术领域，具体为一种近净成形零件的方法。
背景技术
热等静压(HIP)是在冷等静压和热压技术的基础上发展起来的粉末成形的综合工艺方法，可以用来近净成形各种金属、陶瓷、硬质合金以及复合材料等粉末冶金零部件。它是将制造好的包套经组装后，填装金属粉末，经真空抽气密封后放入热等静压炉进行热等静压。经过热等静压处理后，模具中的粉末就会变成百分之百密度的固态零件，然后再用侵蚀处理的办法去掉包套就可获得与计算机设计相差无几的零件。利用该技术制造的金属零件其力学性能与锻造工艺相当，尺寸精度可达0.1mm。制造零件只需经少量简单的机加工就可使用，整个过程几乎不存在任何废料。
但是热等静压粉末材料近净成形各种零部件时，存在以下问题：
(1)进行热等静压时，先将粉末装入包套内，再放入热等静压机的高压缸中，这中间需要进行包套的检漏、填充、抽真空和密封等工艺，因此存在不易找到合适的包套材料、装料后包套容易变形、工艺繁琐、工艺周期长、费用高、生产效率低等缺点；
(2)采用热等静压粉末近净成形各种零件，由于包套的最终尺寸决定了所成形的零件尺寸，因此包套的设计环节至关重要，稍有偏差就可能影响成形零件的尺寸；
(3)经过热等静压处理后，还需去掉包套，因此可能会影响零件的形状和结构尺寸。
发明内容
本发明的目的在于提供一种近净成形零件的方法，该方法不需要包套，具有工艺过程简单易行和低耗高效特点。
本发明提供的一种近净成形零件的方法，其步骤为：
(1)采用三维造型软件设计出零件CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到SLM或SLS快速成形机。
(2)将SLM或SLS快速成形机的成形室抽真空。
(3)送粉机构在工作平台上平铺一层约为0.02-0.1mm厚度的粒径为10-60μm的金属粉末。
(4)采用激光功率大于等于100W的半导体泵浦YAG激光器、光纤激光器或CO2激光器，激光光斑为10-250μm，扫描间距为0.04-0.1mm，扫描速度为50-300mm/s，对位于该层切片边界处约为1-3mm宽的金属粉末进行扫描；
(5)重复上述步骤(3)-(4)，直至制成致密的壳体。
(6)无需包套封装，直接将SLM或SLS制件转移到热等静压炉，根据材料的性能，设定合理的工艺参数，进行加热和加压处理。
上述步骤(4)还包括对该层切片边界内的金属粉末沿着网状轨迹扫描成网状结构，使零件内部相对密度为50％-60％。
本发明将快速成形技术如选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)与热等静压(HIP)技术结合起来，这种复合方法具备以下优点：
(1)由于在真空环境下熔化或烧结制件，确保了SLM或SLS制件内部无空气或气体存在。
(2)采用SLM或SLS技术，可以成形复杂形状结构的零件。
(3)SLM或SLS成形的零件外壳是完全致密的，在热等静压(HIP)过程中阻碍了外部气体进入零件内部，可以替代热等静压(HIP)的包套。
(4)因热等静压(HIP)过程无需包套，免去了设计包套带来的偏差，避免了包套材料对于零件的污染以及零件脱离包套的工艺过程。
(5)工艺过程简单易行，低耗高效。
附图说明
图1为本发明近净成形零件方法的工艺流程图，其中(a)：激光熔化或烧结成形致密外壳；(b)：激光选择性扫描制件内部粉末；(c)：热等静压；(d)：最终零件；
图2为本发明的选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)成形零件壳体示意图，其中(a)：内部为未熔化的松装粉末；(b)：内部为激光选择性扫描的粉末。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明的具体过程作进一步详细的阐述：
(1)采用三维造型软件设计出零件CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到SLM或SLS快速成形机。
(2)将SLM或SLS快速成形机的成形室抽真空，以确保熔化或烧结后零件内部为真空环境。
(3)送粉机构在工作平台上平铺一层约为0.02-0.1mm厚度的金属粉末(金属粉末粒径约为10-60μm)。
(4)采用激光功率大于等于100W的半导体泵浦YAG激光器、光纤激光器或CO2激光器，激光光斑为10-250μm，扫描间距为0.04-0.1mm，扫描速度为50-300mm/s，对位于该层切片边界处约为1-3mm宽的金属粉末进行扫描，以熔化或烧结边界处的粉末材料，使之相对密度大于92％。
(5)重复上述步骤(3)-(4)，直至制成致密的壳体。其功能是确保SLM或SLS制件具有一个整体的、相对密度大于92％的封闭壳体，达到在随后的热等静压中阻碍热等静压炉中的气体进入零件内部的目的，起到包套作用；SLM或SLS制件无需包套封装，可以直接放入热等静压(HIP)炉进行加热、加压处理，从而得到力学性能满足要求的完全致密的零件。
(6)无需包套封装，直接将SLM或SLS制件转移到热等静压炉，设定成形温度为0.5-0.7Tm(0Tm为金属粉末的熔点)，成形压力为100-200MPa，进行热等静压。
在步骤(4)时，对于零件内部的金属粉末或不进行激光扫描，为未熔化的松装粉末，如附图2a)，或采用相同的工艺参数沿着网状轨迹扫描成网状结构，如附图2b)，零件内部相对密度为50％-60％。
本发明的实质是将现有技术中的选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)技术与热等静压(HIP)技术结合起来，这种复合工艺是在真空中熔化或烧结密封制件，保证了制件内部无空气存在，同时热等静压时无需包套，免去了设计包套所带来的偏差，避免了包套材料对于零件的污染以及零件脱离包套的工艺过程，且可以成形复杂形状结构、高性能的零件。
实例1
(1)首先根据SLM制件经过热等静压后可能出现的变形情况，利用三维造型软件(如UG、Pro/E等)设计出零件热等静压前的CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到SLM快速成形机。
(2)将SLM快速成形机的成形室抽真空。
(3)送粉机构在工作平台上平铺一层约为100μm厚的不锈钢粉末(粒径约为20μm)。
(4)采用激光功率大于等于100W的半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器，激光光斑约为30μm，扫描速度约为200mm/s，扫描间距约为0.07mm，对位于该层切片边界处约为3mm宽的金属粉末进行扫描，以熔化边界处的粉末材料，其相对密度为95％左右；对于该层内部的金属粉末采用两种方式进行处理，一种是不进行激光扫描，为未熔化的松装粉末，如附图2a)，另一种是采用相同工艺参数的激光进行扫描成间距约为2mm的网状结构，如附图2b)，内部的相对密度为60％左右。
(5)重复上述步骤(3)-(4)，直至制成具有一个整体的、相对密度约为95％的封闭壳体且内部相对密度约为60％的SLM制件。
(6)无需包套封装，将SLM制件直接放入热等静压炉，抽空并洗炉，采用同时升温和加压，升温速度约为10℃/min，升压速度约为11MPa/min，设定成形温度约为1125℃，成形压力约为120MPa，保温、保压时间为225min左右，在温度和压力同时作用下，SLM制件内部达到完全致密，最后得到力学性能满足要求的完全致密的，且几何尺寸和形状基本符合要求的零件。
(7)最后，对近净成形得到的零件进行机加工，使零件几何尺寸和形状完全满足要求。
实例2
(1)首先根据SLS制件经过热等静压后可能出现的变形情况，利用三维造型软件(如UG、Pro/E等)设计出零件热等静压前的CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到SLS快速成形机。
(2)将SLS快速成形机的成形室抽真空；。
(3)送粉机构在工作平台上平铺一层约为100μm厚的不锈钢粉末(粒径约为20μm)。
(4)采用激光功率大于100W的CO2激光器，激光光斑约为60μm，扫描速度约为100mm/s，扫描间距约为0.1mm，对位于该层切片边界处约为3mm宽的不锈钢粉末进行扫描，以烧结边界处的粉末材料；对于该层内部粉末材料采用两种方式进行处理，一种是不进行激光扫描，为未烧结的松装粉末，如附图2a)，另一种是采用相同工艺参数的激光进行扫描成间距约为2mm的网状结构，如附图2b)，内部的相对密度为50％左右；
(5)重复上述步骤(3)-(4)，直至制成具有一个整体的、相对密度约为95％的封闭的壳体且内部相对密度约为50％的SLS制件。
(6)无需包套封装，将SLS制件直接放入热等静压炉，抽空并洗炉，采用同时升温、加压方式，升温速度约为10℃/min，升压速度约为12MPa/min，设定成形温度约为1125℃，成形压力约为150MPa，保温、保压时间为300min左右，在温度和压力同时作用下，SLS制件内部达到完全致密，最后得到力学性能满足要求的完全致密的，且几何尺寸和形状基本符合要求的零件；
最后，对近净成形得到的零件进行机加工，使零件几何尺寸和形状完全满足要求。

Claims (2)

1、一种近净成形零件的方法，其步骤为：
(1)采用三维造型软件设计出零件CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到SLM或SLS快速成形机；
(2)将SLM或SLS快速成形设备的成形室抽真空；
(3)送粉机构在工作平台上平铺一层约为0.02-0.1mm厚度的粒径为10-60μm的金属粉末；
(4)采用激光功率大于等于100W的半导体泵浦YAG激光器、光纤激光器，或CO2激光器，激光光斑为10-250μm，扫描间距为0.04-0.1mm，扫描速度为50-300mm/s，对位于该层切片边界处约为1-3mm宽的金属粉末进行扫描；
(5)重复上述步骤(3)-(4)，直至制成致密的壳体；
(6)将SLM或SLS制件转移到热等静压炉，进行加热和加压处理。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)还包括对该层切片边界内的金属粉末沿着网状轨迹扫描成网状结构，使零件内部相对密度为50％-60％。
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