WO2023123670A1 - 一种激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法 - Google Patents

一种激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法 Download PDF

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Abstract

一种激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，包括以下步骤：将钢粉与玻璃粉充分混合，得到混合粉末；以所述混合粉末作为原料，根据尺寸要求，选用激光加工参数和扫描轨迹，并输入到相应的激光加工操作系统中，获得二维信息，进行激光增材制造，得到所述闭孔泡沫钢。该方法利用激光器的程序设置和激光束的扫描，实现闭孔泡沫钢的制备，孔径一般在100μm以内；避免了常规铸造泡沫钢、烧结法制造泡沫钢时所造成的残留物的危害问题；同时设计更为自由，对环境无害，突破了模具的限制，制造的柔性和灵活性大为增加。

Description

一种激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法 技术领域
本发明属于增材制造成形技术领域，具体涉及一种激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法。
背景技术
闭孔泡沫钢在隔热、吸能等很多领域具有独特的应用，但传统的制备多采用模具法、层压法以及烧结的办法等，这些方法存在一定的问题，如采用模具方法制造时受到模具尺寸的限制；采用粉末冶金烧结的办法的时候存在化学残留；采用层压的方法的时候，只适合制造层压板的简单形状，形状稍微复杂就不易制备，为此人们一直在寻找适宜的、方便快捷的制备方法。
近年来，激光增材制造技术得到快速发展，该技术在制备复杂形状的部件、进行成分梯度设计和组织以及性能的定制方面具有独特的优势，由此成为制造业中的新宠。如果能够采用激光增材制造技术进行闭孔泡沫钢的制备，则将使得闭孔泡沫钢的设计与制造更简单和自由，从而可以使得功能泡沫钢的应用得到进一步的发展。
发明内容
本发明旨在提供一种激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，按照一定比例混合好的钢粉与玻璃粉的均匀混合物进行激光增材制造，层层堆积得到泡沫钢，使得闭孔泡沫钢的设计与制造更简单和自由。
按照本发明的技术方案，所述激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，包括以下步骤，
S1：将钢粉与玻璃粉充分混合，得到混合粉末；
S2：以所述混合粉末作为原料，根据尺寸要求，选用激光加工参数和扫描 轨迹，并输入到相应的激光加工操作系统中，获得二维信息，进行激光增材制造，得到所述闭孔泡沫钢。
进一步的，所述钢粉为不锈钢粉或模具钢粉，具体的，可以为316L、304L、420不锈钢或者H13模具钢等。
进一步的，所述混合粉末中玻璃粉的含量≤5wt％(大于0)。
进一步的，采用球磨的方式进行充分混合。
进一步的，球磨过程中通入氩气或丙酮，球磨机转速的选取以工作中球磨罐的表面温度不超过100℃为宜；具体的，球磨转速为50-100r/min。
进一步的，球磨时间为1-3h，以保证玻璃粉与钢粉的充分/均匀的混合。
进一步的，所述步骤S2中，激光增材制造的具体操作如下：利用送粉机构，将混合粉末输送到指定区域，同时使用激光器依据所述二维信息进行扫描，熔化烧结输送到指定区域的混合粉末；重复或继续输送和熔化烧结操作，直到获得所述闭孔泡沫钢。
进一步的，所述扫描是在保护气氛下进行，所述保护气氛可以为氩气。
进一步的，采用激光选区熔化或激光直接沉积进行熔化烧结。
进一步的，激光选区熔化条件下，采用YAG(钇铝石榴石晶体)激光器、光纤激光器或半导体激光器，激光扫描速率为40-200mm/min，激光功率为80-300W，每次输送的混合粉末的厚度为0.2-0.5mm。
进一步的，激光直接沉积条件下，激光扫描速度80-240mm/min，送粉率3-51g/min，搭接率20-50％，激光功率为1000-2500W。
本发明的另一方面提供了上述方法制得的闭孔泡沫钢。
本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：
1.本发明开发了一种新的闭孔泡沫钢的激光制备方法，通过优化工艺参数、控制功率、扫描速度，获得了闭孔泡沫钢的实体，其中利用激光器的程序设置和激光束的扫描，实现闭孔泡沫刚的制备，孔径一般在100μm以内；
2.本发明将钢粉与玻璃粉粉进行预混合，以价格便宜、容易获取的玻璃粉 作为发泡剂，无需添加其他组分，而且残留物对钢不产生不利影响，避免了常规铸造泡沫钢、烧结法制造泡沫钢时所造成的残留物的危害问题；同时激光增材制造技术的灵活性问题，解决了层压法不易制造复杂形状的部件的弊端问题，从而使得设计更为自由；同时常规的铸造方法需要采用真空，或者采用造孔剂等辅助物质，对环境有害；同时使用激光器在氩气保护下进行，不需要使用真空，选用常规软件编程，程序设定，激光束扫描来制备多孔，突破了模具的限制，制造的柔性和灵活性大为增加。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
一种激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，选用商业化的316L不锈钢粉，玻璃粉选用高硼硅玻璃，主要是以氧化钠(Na 2O)、氧化硼(B 2O 3)和二氧化硅(SiO 2)为基本成份的一种玻璃，纯度大于99.9％；包括如下步骤：
(a)将316L不锈钢粉与玻璃粉混合，其中，玻璃粉占重质量的0.5％；
(b)将混合在一起的316L不锈钢粉与玻璃粉放置在球磨机中，通入氩气进行球磨，球磨机转速50r/min，球磨时间1h，以保证玻璃粉与不锈钢粉的充分/均匀的混合；
(c)依据要求制备的闭孔不锈钢的孔尺寸，选用商业软件进行孔隙设计，并输入到相应的激光加工操作系统中，获得闭孔不锈钢的二维信息，并进行快速制备；所谓的快速制造，具体为：利用送粉机构，将混合好的粉末输送到指定区域，并压实，同时使用激光器在计算机的控制下依据设计好的二维信息在氩气保护下进行扫描，熔化预置的粉末材料；然后重复送粉/压实，熔化烧结过程，直到获得所需要的样件。扫描过程中，进行直线照射，激光束扫描速率为42mm/min；压实的粉末每层厚度为0.2mm，使用的激光器为YAG或光纤激光器，激光功率为100W。
实验测试，采用本实施例的方法制造所得的闭孔不锈钢的微孔直径为10-15μm左右。
实施例二
一种激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，玻璃粉选用分析纯高铝硅玻璃，该铝硅玻璃中的Al 2O 3和SiO 2含量很高，钢粉选用420不锈钢；包括如下步骤：
(a)将420不锈钢金粉与玻璃粉按混合，其中，玻璃粉占重质量的1.5％；
(b)将混合在一起的420不锈钢粉与玻璃粉放置在球磨机中，通入氩气进行球磨，球磨机转速100r/min，球磨时间2h，以保证玻璃粉与不锈钢420粉的充分/均匀的混合；
(c)依据要求制备的闭孔泡沫钢的整体尺寸要求，选用商业软件进行孔隙设计，并输入相应的激光加工操作系统中，获得闭孔不锈钢420实体的二维信息，并进行快速制备；所谓的快速制造，具体为：利用送粉机构，将混合好的粉末输送到指定区域，并压实，同时使用激光器在计算机的控制下依据设计好的二维信息在氩气保护下进行扫描，熔化预置的粉末材料，然后送粉/压实，熔化烧结，重复此过程，直到获得所需要的样件。进行直线照射，激光束扫描速率为150mm/min；压实粉末每层厚度为0.4mm，使用的激光器为YAG或光纤激光器，激光功率为290W。
实验测试，采用本实施例的方法制造所得的420不锈钢闭孔的孔直径在20-30μm之间。
实施例三
一种激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，采用H13模具钢粉末，玻璃粉要求为分析纯，选用高硅氧玻璃是含二氧化硅(SiO 2)高达96％以上的玻璃，又称96玻璃，包括如下步骤：
(a)将H13模具钢粉与玻璃粉混合，其中，玻璃粉占重质量的4.5％；
(b)将混合在一起的H13模具钢粉与玻璃粉放置在球磨机中，通入氩气进行 球磨，球磨机转速80r/min，球磨时间3h，以保证玻璃粉与H13模具钢粉的充分/均匀的混合；
(c)依据要求制备的H13模具钢的尺寸要求，使用商业软件进行参数选择，并输入到相应的激光加工操作系统中，获得闭孔H13模具钢的二维信息，并进行快速制备；所谓的快速制造，具体为：利用送粉机构，将混合好的粉末输送到指定区域，并在输送粉末的而同时进行激光熔化(此时为激光直接沉积增材制造技术)，同时使用激光器在计算机的控制下依据设计好的二维信息在氩气保护下进行扫描，熔化烧结，重复此过程，直到获得所需要的样件。使用的激光器为半导体激光器，速度200mm/min，送粉率10g/min，搭接率25％，激光功率为1500W。
实验测试，采用本实施例的方法制造所得的闭孔H13模具钢的孔直径在70-80μm之间。
实施例四
一种激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，采用H13模具钢粉，玻璃粉要求为分析纯，选用96玻璃，包括如下步骤：
(a)将H13模具钢粉与玻璃粉混合；其中，玻璃粉占重质量的4.5％；
(b)将混合在一起的H13模具钢粉与玻璃粉放置在球磨机中，通入氩气进行球磨，球磨机转速80r/min，球磨时间2.6h，以保证玻璃粉与H13模具钢粉的充分/均匀的混合。
(c)依据要求制备的H13模具钢的尺寸要求，使用商业软件进行参数选择，并输入到相应的激光加工操作系统中，获得闭孔H13模具钢的二维信息，并进行快速制备；所谓的快速制造，具体为：利用送粉机构，将混合好的粉末输送到指定区域，并在输送粉末的而同时进行激光熔化(此时微激光能量直接沉积增材制造技术)，同时使用激光器在计算机的控制下依据设计好的二维信息在氩气保护下进行扫描，熔化烧结，重复此过程，直到获得所需要的样件。进行直线照射，使用的激光器为半导体激光器，速度80mm/min，送粉率40g/min， 搭接率40％，激光功率为2300W。
实验测试，采用本实施例的方法制造所得的闭孔H13模具钢的孔直径在90-98μm之间。
实施例五
一种激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，选用商业化的316L不锈钢粉，玻璃粉选用高硼硅玻璃，主要是以氧化钠(Na 2O)、氧化硼(B 2O 3)和二氧化硅(SiO 2)为基本成份的一种玻璃，纯度大于99.9％；包括如下步骤：
(a)将316L不锈钢粉与玻璃粉混合，其中，玻璃粉占重质量的2％；
(b)将混合在一起的316L不锈钢粉与玻璃粉放置在球磨机中，通入丙酮进行球磨，球磨机转速50r/min，球磨时间1h，以保证玻璃粉与不锈钢粉的充分/均匀的混合；
(c)依据要求制备的闭孔不锈钢的孔尺寸，选用商业软件进行孔隙设计，并输入到相应的激光加工操作系统中，获得闭孔不锈钢的二维信息，并进行快速制备；所谓的快速制造，具体为：利用送粉机构，将混合好的粉末输送到指定区域，并压实，同时使用激光器在计算机的控制下依据设计好的二维信息在氩气保护下进行扫描，熔化预置的粉末材料；然后重复送粉/压实，熔化烧结过程，直到获得所需要的样件。扫描过程中，进行直线照射，激光束扫描速率为42mm/min；压实的粉末每层厚度为0.2mm，使用的激光器为YAG或光纤激光器，激光功率为100W。
实验测试，采用本实施例的方法制造所得的闭孔不锈钢的微孔直径为28-35μm左右。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

  1. 一种激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，其特征在于，包括以下步骤，
    S1：将钢粉与玻璃粉充分混合，得到混合粉末；
    S2：以所述混合粉末作为原料，根据尺寸要求，选用激光加工参数和扫描轨迹，并输入到相应的激光加工操作系统中，获得二维信息，进行激光增材制造，得到所述闭孔泡沫钢。
  2. 如权利要求1所述的激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，其特征在于，所述钢粉为不锈钢粉或模具钢粉。
  3. 如权利要求1所述的激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，其特征在于，所述混合粉末中玻璃粉的含量≤5wt％。
  4. 如权利要求1所述的激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用球磨的方式进行充分混合。
  5. 如权利要求4所述的激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，其特征在于，球磨过程中通入氩气或丙酮。
  6. 如权利要求1所述的激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，其特征在于，所述步骤S2中，激光增材制造的具体操作如下：利用送粉机构，将混合粉末输送到指定区域，同时使用激光器依据所述二维信息进行扫描，熔化烧结输送到指定区域的混合粉末；重复或继续输送和熔化烧结操作，直到获得所述闭孔泡沫钢。
  7. 如权利要求6所述的激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，其特征在于，采用激光选区熔化或激光直接沉积进行熔化烧结。
  8. 如权利要求7所述的激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，其特征在于，激光选区熔化条件下，激光扫描速率为40-200mm/min，激光功率为80-300W，每次输送的混合粉末的厚度为0.2-0.5mm。
  9. 如权利要求7所述的激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，其特征在于，激光直接沉积条件下，激光扫描速度80-240mm/min，送粉率3-51g/min，搭接率20-50％，激光功率为1000-2500W。
  10. 一种如1-9中任一项所述的方法制得的闭孔泡沫钢。
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