一種采用選區(qū)激光熔化成形技術(shù)成形功能梯度零件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于梯度材料先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種采用選區(qū)激光熔化成形技術(shù)成形功能梯度零件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]功能梯度材料(Funct1nally Gradient Materials，簡(jiǎn)稱FGM)的概念，最先由日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年提出。從材料的角度來(lái)看，功能梯度材料與均一材料、復(fù)合材料不同。它是采用兩種(或多種)性能不同的材料，通過(guò)連續(xù)地改變這兩種(或多種)材料的成分或結(jié)構(gòu)，使其界面緩和甚至消失。使得材料的性能隨著材料的成分或結(jié)構(gòu)的變化而緩慢變化，形成功能梯度材料，從而適應(yīng)不同環(huán)境，實(shí)現(xiàn)某一特殊功能的新型復(fù)合材料。功能梯度材料的應(yīng)用已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在極端復(fù)雜條件下有著廣泛的應(yīng)用前景，如航空航天、能源工程、生物醫(yī)學(xué)、電磁、核工程和光學(xué)等高新技術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)出梯度結(jié)構(gòu)優(yōu)越的性能。
[0003]由于功能梯度材料的兩種(或多種)材料自身的物理化學(xué)性能差異較大，導(dǎo)致制備時(shí)存在困難。目前，制備方法主要有粉末冶金法、等離子噴涂法、激光熔覆法、電沉積法和氣相沉積法。例如，粉末冶金法是最常用的功能梯度材料制備方法。它較其他方法更為簡(jiǎn)單可操作性強(qiáng)。該方法是將原料粉末按設(shè)計(jì)的梯度成分成型然后進(jìn)行燒結(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)和控制原料粉末的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性從而獲得熱應(yīng)力緩和的功能梯度材料。再例如，激光熔覆法是利用噴嘴將準(zhǔn)備好的混合粉末噴到基體表面，通過(guò)改變激光功率、光斑尺寸、掃描速率來(lái)加熱粉體從而在基體表面形成熔池。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過(guò)改變粉末成分向熔池不斷噴粉，重復(fù)以上過(guò)程即可獲得想要的梯度涂層。
[0004]然而，上述方法只能用來(lái)成形一些結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的功能梯度材料，很難或根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的成形。隨著應(yīng)用需求的拓展，必須尋求一種新型的成形方法以成形出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能梯度材料。近年發(fā)展起來(lái)的3D打印(增材制造)技術(shù)是一種基于材料逐層堆積的新型制造技術(shù)。該技術(shù)將復(fù)雜的三維加工轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單的二維加工，大大降低了復(fù)雜零件的成形難度，從而有望解決傳統(tǒng)制備方法無(wú)法完成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的成形難題。例如作為粉床增材制造之一的選區(qū)激光恪化(Selective Laser Sintering，SLM) 3D打印技術(shù)因采用了光纖激光器，其能量密度高，光斑細(xì)小，成形精度高、冷卻速度快，因此特別適合于金屬材料的成形。
[0005]對(duì)于采用粉末床的SLM成形技術(shù)而言，一般只能在粉缸(或送粉斗)中鋪滿單一成分的粉末，從而成形單一金屬材料?；蛘?，成形完一種材料之后，打開(kāi)成形設(shè)備，清理出所有粉末后再鋪滿另一種粉末，再重復(fù)一次抽真空，充入氬氣，再完成成形過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)功能梯度材料的成形，成形過(guò)程比較復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種采用選區(qū)激光熔化成形技術(shù)成形功能梯度零件的方法，制造出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能梯度材料。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種采用選區(qū)激光熔化成形技術(shù)成形功能梯度零件的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0008](1)在計(jì)算機(jī)上建立功能梯度零件的三維模型，然后將所述零件三維模型轉(zhuǎn)成STL格式并導(dǎo)入到選區(qū)激光熔化成形設(shè)備中；
[0009](2)將粉末A放置于選區(qū)激光熔化成形設(shè)備的粉床里，將粉末B放置于選區(qū)激光熔化成形設(shè)備的送粉斗中，所述粉末A和粉末B均為球形或近球形，二者平均粒徑均分布在30?45 μ m并且氧含量均低于lOOOppm，其中，粉末A為316L不銹鋼粉末且粉末B為Inconel 718粉末，或者粉末A為Cu粉末且粉末B為W粉末，或者粉末A為Cu粉末且粉末B為Fe粉末；
[0010](3)啟動(dòng)選區(qū)激光熔化成形設(shè)備，利用送粉缸和鋪粉輥在粉床上鋪一層粉末A，選區(qū)激光熔化成形設(shè)備的激光源采用Yb光纖激光，波長(zhǎng)為1070±10nm，最大功率為400W，光斑直徑為0.1?0.15mm，在氬氣保護(hù)下，先采用功率為200?250W，掃描速率為500?600mm/s的激光成形粉末A，以形成功能梯度零件中材料為A的部分，然后打開(kāi)送粉斗的出口，使粉末B從送粉斗中落到之前成形的A部分上，再采用功率為300?380W，掃描速率為300?400mm/s的激光成形粉末B，以形成功能梯度零件中材料為B的部分，然后待A部分和B部分共同形成的制件冷卻后，清除表面浮粉，即得到功能梯度零件；
[0011](4)采用線切割工藝將功能梯度零件從基板上分離，然后進(jìn)行溫度為300?450°C、時(shí)間為5?8小時(shí)的退火處理，則得到成品。
[0012]總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果:
[0013](1)本發(fā)明可以按照設(shè)計(jì)的三維模型，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能梯度材料零部件的快速制造；
[0014](2)本發(fā)明采用粉床鋪粉結(jié)合送粉斗下落粉的粉床增材制造成形技術(shù)，可以一次性成形出功能梯度材料。靈活選擇兩種材料的成形參數(shù)，可避免在成形兩種材料之間打開(kāi)設(shè)備，清理粉缸，更換粉末而浪費(fèi)時(shí)間，因此能節(jié)約總成形時(shí)間，減少抽真空和充入氬氣的次數(shù)，降低生產(chǎn)成本。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本發(fā)明的工作流程圖；
[0016]圖2是本發(fā)明中粉床送粉成形示意圖；
[0017]圖3是本發(fā)明中漏斗送粉成形示意圖；
[0018]圖4是本發(fā)明成形的功能梯度零件的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0020]參照?qǐng)D1?圖4，本發(fā)明的總體思路是:首先通過(guò)CAD軟件設(shè)計(jì)功能梯度材料三維模型，然后將模型以STL格式輸出，導(dǎo)入到選區(qū)激光熔化成形設(shè)備中，分別將粉末A和粉末B裝入選區(qū)激光熔化成形設(shè)備的粉床和送粉斗中，結(jié)合最佳成形工藝參數(shù)，經(jīng)層層堆積最終可得到與CAD模型一致的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能梯度材料；之后采用線切割分離、熱處理等后續(xù)處理工藝即可得到性能良好的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能梯度材料零部件。
[0021]實(shí)施例1
[0022]—種采用選區(qū)激光熔化成形技術(shù)成形功能梯度零件的方法，包括以下步驟:
[0023](1)在計(jì)算機(jī)上建立功能梯度零件的三維模型，然后將所述零件三維模型轉(zhuǎn)成STL格式并導(dǎo)入到選區(qū)激光熔化成形設(shè)備中；
[0024](2)將316L不銹鋼粉末放置于設(shè)備的粉床里，將適合于選區(qū)激光熔化成形的Inconel 718粉末放置于設(shè)備的送粉斗中；其中，316L不銹鋼粉末和Inconel 718粉末均為球形或近球形、平均粒徑均為30 μ m并且氧含量均低于lOOOppm ;
[0025](3)啟動(dòng)選區(qū)激光熔化成形設(shè)備，利用送粉缸和鋪粉輥在粉床上鋪一層316L不銹鋼粉末，選區(qū)激光熔化成形設(shè)備的激光源采用Yb光纖激光，波長(zhǎng)為1070±10nm，最大功率為400W，光斑直徑為0.1mm，在氬氣保護(hù)下，先采用激光功率為200W，激光掃描速率為500mm/s成形316L不銹鋼粉末，以形成功能梯度零件中材料為316L不銹鋼的部分，然后打開(kāi)送粉斗的出口，使Inconel 718粉末從送粉斗中落到之前成形的316L不銹鋼部分上，再采用激光功率為300W，激光掃描速率為300mm/s成形Inconel 718粉末，以形成功能梯度零件中材料為Inconel 718的部分，然后待制件冷卻后，清除表面浮粉，得到功能梯度零件；
[0026](4)采用線切割工藝將功能梯度零件從基板上分離，在馬弗爐中進(jìn)行溫度為300°C、時(shí)間為5小時(shí)的退火處理，則得到成品。
[0027]實(shí)施例2
[0028]—種采用選區(qū)激光熔化成形技術(shù)成形功能梯度零件的方法，包括以下步驟:
[0029](1)在計(jì)算機(jī)上建立功能梯度零件的三維模型，然后將所述零件三維模型轉(zhuǎn)成STL格式并導(dǎo)入到選區(qū)激光熔化成形設(shè)備中；
[0030](2)將316L不銹鋼粉末放置于設(shè)備的粉床里，將適合于選區(qū)激光熔化成形的Inconel 718粉末放置于設(shè)備的送粉斗中；
[0031]其中，316L不銹鋼粉末和Inconel 718粉末均為球形或近球形、平均粒徑均為37.5 μ m并且氧含量均低于lOOOppm ；
[0032](3)啟動(dòng)選區(qū)激光熔化成形設(shè)備，利用送粉缸和鋪粉輥在粉床上鋪一層316L不銹鋼粉末，選區(qū)激光熔化成形設(shè)備的激光源采用Yb光纖激光，波長(zhǎng)為1070±10nm，最大功率為400W，光斑直徑為0.12mm，在氬氣保護(hù)下，先采用激光功率為225W，激光掃描速率為550mm/s成形316L不銹鋼粉末，以形成功能梯度零件中材料為316L不銹鋼的部分，然后打開(kāi)送粉斗的出口，使Inconel 718粉末從送粉斗中落到之前成形的316L不銹鋼部分上，再采用激光功率為340W，激光掃描速率為350mm/s成形Inconel 718粉末，以形成功能梯度零件中材料為Inconel 718的部分，然后待制件冷卻后，清除表面浮粉，得到功能梯度零件；
[0033](4)采用線切割工藝將功能梯度零件從基板上分離，在馬弗爐中進(jìn)行溫度為375°C、時(shí)間為6.5小時(shí)的退火處理，則得到成品。
[0034]實(shí)施例3
[0035]—種采用選區(qū)激光熔化成形技術(shù)成形功能梯度零件的方法，包括以下步驟:
[0036](1)在計(jì)算機(jī)上建立功能梯度零件的三維模型，然后將所述零件三維模型轉(zhuǎn)成STL格式并導(dǎo)入到選區(qū)激光熔化成形設(shè)備中；
[0037](2)將316L不銹鋼粉末放置于設(shè)備的粉床里，將適合于選區(qū)激光熔化成形的Inconel 718粉末放置于設(shè)備的送粉斗中；
[0038]其中，316L不銹鋼粉末和Inconel 718粉末均為球形或近球形、平均粒徑均為45 μ m并且氧含量均低于lOOOppm ；
[0039](3)啟動(dòng)選區(qū)激光熔化成形設(shè)備，利用送粉缸和鋪粉輥在粉床上鋪一層316L不銹鋼粉末，選區(qū)激光熔化成形設(shè)備的激光源采用Yb光纖激光，波長(zhǎng)為1070±10nm，最大功率為400W，光斑直徑為0.15mm，在氬氣保護(hù)下，先采用激光功率為250W，激光掃描速率為600mm/s成形316L不銹鋼粉末，以形成功能梯度零件中材料為316L不銹鋼的部分，然后打開(kāi)送粉斗的出口，使Inconel 718粉末從送粉斗中落到之前成形的316L不銹鋼部分上，再采用激光功率為380W，激光掃描速率為400mm/s成形Inconel 718粉末，以形成功能梯度零件中材料為Inconel 718的部分，然后待制件冷卻后，清除表面浮粉，得到功能梯度零件；
[0040](4)采用線切割工藝將功能梯度零件從基板上分離，在馬弗爐中進(jìn)行溫度為45