一種金屬激光熔化增材制造方法
【專利摘要】一種金屬激光熔化增材制造方法，本發(fā)明通過在激光增材制造加工完每一層后，采用選區(qū)攪拌摩擦對(duì)單層激光凝固區(qū)改性，使凝固裂紋消除，并形成納米晶。增材制造的每一層都進(jìn)行激光熔化和攪拌摩擦，如此往復(fù)進(jìn)行多層加工，從而制造出納米晶高強(qiáng)韌無裂紋的復(fù)雜金屬零部件。本發(fā)明中涉及的激光熔化增材制造方法包括基于粉床成形的選區(qū)激光熔化和基于激光同軸送粉的激光工程近凈成形技術(shù)。其中所涉及的金屬材料包括鋁基、銅基、鈦基、鐵基、鎳基、鈷基等。選區(qū)攪拌摩擦可以將激光增材制造所產(chǎn)生的裂紋、球化、孔隙消除，提高成形質(zhì)量；選區(qū)攪拌摩擦可將激光凝固組織中的網(wǎng)狀碳化物破碎為彌散分布，并將組織調(diào)整為納米晶。
【專利說明】一種金屬激光熔化增材制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于增材制造領(lǐng)域，具體涉及逐層激光熔化增材制造和選區(qū)攪拌摩擦復(fù)合技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)無裂紋、納米晶、高強(qiáng)韌金屬零部件的制造。
【背景技術(shù)】
[0002]激光熔化增材制造技術(shù)，又稱激光熔化3D打印，是近年來發(fā)展較快的一種先進(jìn)制造技術(shù)。金屬零件的激光熔化增材制造技術(shù)是通過高能激光束逐層熔化金屬粉末，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的金屬零件的制造，但是仍存在如下技術(shù)瓶頸:
第一，由于激光增材制造過程具有快熱快冷、高梯度熱-力-流多場(chǎng)耦合等特點(diǎn)，導(dǎo)致激光增材制造零件內(nèi)存在較高的熱應(yīng)力，形成裂紋。當(dāng)拉應(yīng)力大于熔覆層的抗拉強(qiáng)度時(shí)，容易在氣孔、夾雜尖端等處產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而形成裂紋。裂紋是激光增材制造、乃至激光加工領(lǐng)域中一種廣泛存在的缺陷。針對(duì)裂紋產(chǎn)生，國內(nèi)外學(xué)者從理論建模、實(shí)驗(yàn)觀察、組織分析等角研究了激光熔凝過程的應(yīng)力場(chǎng)與裂紋產(chǎn)生機(jī)理，提出了減少裂紋的方法:(I)粉床預(yù)熱；(2)添加合金元素、網(wǎng)狀箔材進(jìn)行增韌與增塑；(3)超聲波振動(dòng)。以上方法在一定程度上減少了應(yīng)力集中與開裂傾向，為推進(jìn)激光加工的發(fā)展起到了積極作用。然而，由于激光熔池凝固過程極其復(fù)雜，上述阻裂方法仍存在一定局限性:首先，以上方法難以完全消除微裂紋，特別是對(duì)于鎳基、鈷基等高裂紋敏感材料；其次，以上方法難以具有普遍適用性。
[0003]第二，鐵基、鎳基和鈷基合金激光增材制造組織中的脆性陶瓷相(如M7C3, M23C6)容易以連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布在基體晶粒的周圍，大大降低了激光增材制造的強(qiáng)韌性。雖然陶瓷相的存在可以大大提激光增材制造零件的硬度和耐磨性，但這些呈網(wǎng)絡(luò)狀分布的陶瓷相將金屬晶粒彼此隔離開來，大大削弱了晶粒間的結(jié)合力，致使激光增材制造零件整體性能表現(xiàn)為脆性，當(dāng)激光增材制造零件在外載荷作用下服役時(shí)應(yīng)力難以傳遞，進(jìn)而可導(dǎo)致裂紋萌生與工件失效。然而，尚未有文獻(xiàn)研究這種網(wǎng)狀碳化物的消除方法。雖然熱處理可以在一定程度上減少碳化物含量與偏析，但卻難以完全改變厚層碳化物的連續(xù)網(wǎng)狀分布，另一方面，熱處理無法消除微觀裂紋。
[0004]第三，激光增材制造成形過程還容易產(chǎn)生球化和孔隙，大大影響激光增材制造成形效果以及成形件的力學(xué)性能，仍然是激光增材制造零件的重要缺陷，成為成形激光增材制造技術(shù)的瓶頸問題，影響激光增材制造往高性能金屬零件應(yīng)用推廣。
[0005]綜合上述分析，常見激光增材制造零件所存在的微裂紋、陶瓷相網(wǎng)狀分布、球化、孔隙問題為該技術(shù)前進(jìn)的道路上設(shè)置了障礙。雖然國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)上述問題進(jìn)行過研究并取得了積極的進(jìn)展，但同步實(shí)現(xiàn)激光增材制造零件裂紋消除、陶瓷相彌散分布、組織納米化的方法至今仍未被完整掌握。
[0006]攪拌摩擦加工(Frict1n Stir Processing, FSP)是一種新型的通過表面塑性變形以改善組織的方法，通過移動(dòng)的攪拌頭與工件劇烈摩擦使工件表層溫度迅速升高，金屬發(fā)生塑化，攪拌針攪動(dòng)表層材料使其產(chǎn)生塑性流變和混合，軸肩把由攪拌針攪動(dòng)變形的材料傳輸?shù)綌嚢桀^后側(cè)并同時(shí)施加鍛造作用。由于FSP加工區(qū)內(nèi)的材料產(chǎn)生了劇烈塑性變形、混合、破碎和熱暴露，從而可實(shí)現(xiàn)金屬材料微觀組織的晶粒細(xì)化、納米化、裂紋消除。該加工方法和激光熔化增材制造技術(shù)結(jié)合目前還沒有相關(guān)報(bào)道。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的目的是:針對(duì)以上激光增材制造過程裂紋、碳化物網(wǎng)狀分布、球化、孔隙等冶金缺陷，考慮到選區(qū)FSP技術(shù)在組織改性中的優(yōu)勢(shì)，本發(fā)明通過在激光增材制造的每一層的加工過程，引入FSP選區(qū)改性，使得每一層激光凝固組織經(jīng)歷大變形，實(shí)現(xiàn)組織納米化、裂紋消除，從而制備出納米晶高強(qiáng)韌無裂紋的復(fù)雜金屬零部件。
[0008]本發(fā)明提供的納米晶高韌強(qiáng)無裂紋復(fù)雜金屬零件增材制造方法，包括下述步驟:
(I)金屬激光熔化增材制造單層加工:根據(jù)所需金屬零件形狀，采用三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的三維CAD模型，將文件的數(shù)據(jù)信息輸送到激光增材制造裝備；根據(jù)當(dāng)前切片層信息，通過激光增材增材制造技術(shù)對(duì)切片層區(qū)域進(jìn)行掃描熔化，同時(shí)通入惰性氣體保護(hù)熔池。
[0009](2)攪拌摩擦單層加工:激光掃描完畢后，立即采用高速旋轉(zhuǎn)平軸肩攪拌頭，對(duì)激光熔化的區(qū)域進(jìn)行選區(qū)攪拌摩擦加工，通過調(diào)控FSP轉(zhuǎn)速和行進(jìn)速度，使FSP塑性變形層厚度大于激光增材制造的單層層厚，從而使激光單層區(qū)所有裂紋彌合，網(wǎng)狀碳化物彌散化，組織納米化。攪拌摩擦加工完畢后，將攪拌頭換成銑刀，對(duì)FSP形成的少量飛邊進(jìn)行切除，使加工層平整。
[0010](3)工作臺(tái)下降一個(gè)切片層厚距離，重復(fù)(I)、(2)，直至整個(gè)零件成形完畢；將成形零件從金屬基板上取出，對(duì)成形零件進(jìn)行后處理，即可獲得所需復(fù)雜形狀納米晶高強(qiáng)韌無裂紋金屬零件。
[0011]本發(fā)明中，激光熔化增材制造材料包括:鋁基、銅基、鈦基、鐵基、鎳基、鈷基純金屬及合金。
[0012]采用激光功率大于或等于100W的半導(dǎo)體泵浦YAG激光器、光纖激光器或CO2激光器對(duì)單層切片區(qū)域進(jìn)行掃描熔化。其中，金屬激光增材制造的方法包括以下兩種:(a)選區(qū)激光熔化(Selective Laser Melting, SLM),送粉機(jī)構(gòu)在金屬基板上平鋪一層約為0.05、.15mm厚度、粒徑為10-100 μ m的金屬粉末，金屬粉末具體種類由金屬零件的材質(zhì)所定；(b)激光近凈成形(Laser Engineering Net Shaping, LENS),通過同軸送粉器,將激光、金屬粉末、保護(hù)氣同時(shí)由輸入到基材上，此方法不同于SLM，SLM是通過鋪粉，形成粉床；而LENS的粉末由送粉器送入。LENS的送粉量l(Tl50g/min，層厚0.f 1mm。
[0013]步驟(2)攪拌摩擦單層加工中，攪拌頭軸肩直徑f 10mm，轉(zhuǎn)速30(Tl500rpm，行進(jìn)速度 10(Tl000mm/min，F(xiàn)SP 下壓量 0.θΓθ.03mm。
[0014]攪拌摩擦加工的攪拌頭材料選取原則為硬度和高溫強(qiáng)度大于待加工材料。若激光增材制造材料為鋁、銅基等軟金屬及合金，攪拌頭采用工具鋼等材料；若激光增材制造材料為鈦、鐵、鎳、鈷等高硬度材料，攪拌頭采用WC-Co硬質(zhì)合金或立方BN材料。
[0015]激光增材制造結(jié)合選區(qū)攪拌摩擦增材制造方法具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)選區(qū)攪拌摩擦可以將激光增材制造所產(chǎn)生的的裂紋、球化、孔隙消除，提高成形質(zhì)量;
(2)選區(qū)攪拌摩擦可將激光凝固組織中的網(wǎng)狀碳化物破碎為彌散分布，并將組織調(diào)整為納米晶； (3)這種納米晶、碳化物彌散分布、無裂紋的金屬零部件具有較高強(qiáng)度、韌性、硬度及疲勞性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明每一層制造的示意圖；
圖2是本發(fā)明每一層制造有攪拌頭運(yùn)動(dòng)軌跡的示意圖。
[0017]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例1:
(1)針對(duì)高性能316L不銹鋼合金零件的成形，采用三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的三維CAD模型，然后由切片軟件處理為后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息輸送到激光增材制造快速成形裝備；采用SLM對(duì)當(dāng)前切片層進(jìn)行加工，送粉機(jī)構(gòu)在金屬基板上平鋪一層約為0.05mm厚度、粒徑為10 μ m的316L不銹鋼粉末，光纖激光功率200W ;圖1中I為激光束；2表示激光束行走路徑；3為多層實(shí)體。
[0019](2) SLM對(duì)當(dāng)前切片層加工完畢后，選用立方BN材料作為攪拌頭4，對(duì)激光熔化區(qū)域進(jìn)行逐行攪拌摩擦加工。其中旋轉(zhuǎn)軸肩直徑2mm,轉(zhuǎn)速500rpm,行進(jìn)速度500mm/min,FSP下壓量0.01mm, FSP變形層厚度0.2mm，使FSP變形層厚度大于激光單層厚度。攪拌摩擦加工完畢后，將攪拌頭4換成銑刀，對(duì)FSP后表面形成的少量飛邊進(jìn)行切除，使加工層平整；圖2中4為攪拌頭；5表示攪拌頭行走路徑。
[0020](3)工作臺(tái)下降一個(gè)切片層厚0.05mm，重復(fù)(I)、(2)，直至整個(gè)零件成形完畢；將成形零件從金屬基板上線切割取出，即可獲得所需復(fù)雜形狀納米晶高強(qiáng)韌無裂紋316L不銹鋼金屬零件。
[0021]實(shí)施例2:
Cl)針對(duì)高性能鈷基Co-27Cr-5Mo-0.5Ti合金零件的成形，采用三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的三維CAD模型，然后由切片軟件處理為后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息輸送到激光增材制造快速成形裝備；采用LENS加工當(dāng)前切片層，使500W的YAG激光、50g/min鈷基合金粉末、Ar氣同時(shí)由輸入到基材上,層厚0.15mm ；
(2)LENS對(duì)當(dāng)前切片層加工完畢后，選用立方BN材料作為攪拌頭4，對(duì)LENS區(qū)域進(jìn)行逐行攪拌摩擦加工。其中旋轉(zhuǎn)軸肩直徑2mm,轉(zhuǎn)速500rpm,行進(jìn)速度500mm/min,FSP下壓量0.01mm，F(xiàn)SP變形層厚度0.3mm，保證FSP變形層厚度大于激光單層厚度；攪拌摩擦加工完畢后，將攪拌頭換成銑刀，對(duì)FSP形成的少量飛邊進(jìn)行切除，使加工層平整；
(3)激光頭提升一個(gè)切片厚度0.15mm，重復(fù)(1)、(2)，直至整個(gè)零件成形完畢；將成形零件從金屬基板上線切割取出，即可獲得所需復(fù)雜形狀納米晶高強(qiáng)韌無裂紋鈷基合金零件。
[0022]實(shí)施例3:
(O針對(duì)高性能Al-Si合金零件的成形，采用三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的三維CAD模型，然后由切片軟件處理為后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息輸送到激光增材制造快速成形裝備；采用SLM技術(shù)對(duì)當(dāng)前切片層進(jìn)行加工，送粉機(jī)構(gòu)在金屬基板上平鋪一層約為0.05mm厚度、粒徑為20 μ m的Al-Si合金粉末，光纖激光功率150W ；
(2)SLM對(duì)當(dāng)前切片層加工完畢后，選用工具鋼作為攪拌頭4，對(duì)激光熔化區(qū)域進(jìn)行逐行攪拌摩擦加工。其中旋轉(zhuǎn)軸肩直徑Imm,轉(zhuǎn)速100rpm,行進(jìn)速度800mm/min, FSP下壓量0.01mm，F(xiàn)SP變形層厚度0.2mm，保證FSP變形層厚度大于激光單層厚度；攪拌摩擦加工完畢后，將攪拌頭換成銑刀，對(duì)FSP后表面形成的少量飛邊進(jìn)行切除，使加工層平整；
(3)工作臺(tái)下降一個(gè)切片層厚0.05mm,重復(fù)(I)、(2)，直至整個(gè)零件成形完畢，即可獲得所需復(fù)雜形狀納米晶高強(qiáng)韌無裂紋Al-Si零件。
[0023]實(shí)施例4:
(1)針對(duì)高性能Ti6A14V合金零件的成形，采用三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的三維CAD模型，然后由切片軟件處理為后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息輸送到激光增材制造快速成形裝備；采用SLM技術(shù)對(duì)當(dāng)前切片層進(jìn)行加工，送粉機(jī)構(gòu)在金屬基板上平鋪一層約為0.05mm厚度、粒徑為20 μ m的Ti6A14V合金粉末，光纖激光功率200W ；
(2)SLM對(duì)當(dāng)前切片層加工完畢后，選用工具鋼作為攪拌頭4，對(duì)激光熔化區(qū)域進(jìn)行逐行攪拌摩擦加工。其中旋轉(zhuǎn)軸肩直徑Imm,轉(zhuǎn)速100rpm,行進(jìn)速度500mm/min, FSP下壓量0.01mm，F(xiàn)SP變形層厚度0.2mm，保證FSP變形層厚度大于激光單層厚度；攪拌摩擦加工完畢后，將攪拌頭換成銑刀，對(duì)FSP后表面形成的少量飛邊進(jìn)行切除，使加工層平整；
(3)工作臺(tái)下降一個(gè)切片層厚0.05mm，重復(fù)(I)、(2)，直至整個(gè)零件成形完畢，即可獲得所需復(fù)雜形狀納米晶高強(qiáng)韌無裂紋Ti6A14V零件。
[0024]實(shí)施例5:
(1)針對(duì)高性能鎳基GH4169合金零件的成形，采用三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的三維CAD模型，然后由切片軟件處理為后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息輸送到激光增材制造快速成形裝備；采用LENS加工當(dāng)前切片層，使500W的YAG激光、50g/min GH4169合金粉末、Ar氣同時(shí)由輸入到基材上,層厚0.15mm ；
(2)LENS對(duì)當(dāng)前切片層加工完畢后，選用立方BN材料作為攪拌頭4，對(duì)LENS區(qū)域進(jìn)行逐行攪拌摩擦加工。其中旋轉(zhuǎn)軸肩直徑2mm,轉(zhuǎn)速600rpm,行進(jìn)速度600mm/min, FSP下壓量
0.01mm, FSP變形層厚度0.25mm，保證FSP變形層厚度大于激光單層厚度；攪拌摩擦加工完畢后，將攪拌頭換成銑刀，對(duì)FSP形成的少量飛邊進(jìn)行切除，使加工層平整；
(3)激光頭提升一個(gè)切片厚度0.15mm,重復(fù)(I)、(2)，直至整個(gè)零件成形完畢，即可獲得所需復(fù)雜形狀納米晶高強(qiáng)韌無裂紋鎳基GH4169合金零件。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬激光熔化增材制造方法，其特征在于包括下述步驟: (1)金屬激光熔化增材制造單層加工:根據(jù)所需金屬零件形狀，采用三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的三維CAD模型，將文件的數(shù)據(jù)信息輸送到激光增材制造裝備；根據(jù)當(dāng)前切片層信息，通過激光增材增材制造方法對(duì)切片層區(qū)域進(jìn)行掃描熔化，同時(shí)通入惰性氣體保護(hù)熔池； (2)攪拌摩擦單層加工:激光掃描完畢后，立即采用高速旋轉(zhuǎn)平軸肩攪拌頭，對(duì)激光熔化的區(qū)域進(jìn)行選區(qū)攪拌摩擦加工，通過調(diào)控FSP轉(zhuǎn)速和行進(jìn)速度，使FSP塑性變形層厚度大于激光增材制造的單層層厚，從而使激光單層區(qū)所有裂紋彌合，網(wǎng)狀碳化物彌散化，組織納米化；攪拌摩擦加工完畢后，將攪拌頭換成銑刀，對(duì)FSP形成的少量飛邊進(jìn)行切除，使加工層平整； (3)工作臺(tái)下降一個(gè)切片層厚距離，重復(fù)(I)、(2)，直至整個(gè)零件成形完畢；將成形零件從金屬基板上取出，對(duì)成形零件進(jìn)行后處理，獲得所需復(fù)雜形狀納米晶高強(qiáng)韌無裂紋金屬零件。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬激光熔化增材制造方法，其特征在于:所述的激光熔化增材制造材料包括鋁基、銅基、鈦基、鐵基、鎳基、鈷基純金屬及合金。
3.如權(quán)利要求1所述的金屬激光熔化增材制造方法，其特征在于:攪拌摩擦加工的攪拌頭材料選取原則為硬度和高溫強(qiáng)度大于待加工材料，若激光增材制造材料為鋁、銅基軟金屬及合金，攪拌頭采用工具鋼材料；若激光增材制造材料為鈦、鐵、鎳、鈷高硬度材料，攪拌頭采用WC-Co硬質(zhì)合金或立方BN材料。
4.如權(quán)利要求1所述的金屬激光熔化增材制造方法，其特征在于:步驟(2)攪拌摩擦單層加工中，攪拌頭軸肩直徑為flOmm,轉(zhuǎn)速為300?1500rpm,行進(jìn)速度為100?1000mm/min,FSP 為下壓量 0.ΟΓΟ.03mm。
【文檔編號(hào)】B22F3/105GK104404509SQ201410701194
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】李瑞迪, 袁鐵錘, 邱子力, 蘇文俊, 鐘楠騫 申請(qǐng)人:中南大學(xué)