专利名称：一种镍基合金粉末激光熔覆烧结成型方法
技术领域：
本发明属于激光快速成型技术领域，涉及对镍基合金粉末的激光熔覆烧结成型方法的改进。
背景技术：
《焊接学报》2005年第2期发表的“Ni-Cu-Sn混合粉末选区激光烧结试验”一文中，介绍了有关利用选区激光烧结法制备镍基合金零件的工艺。其工艺过程是(1)Ni粉和9CulSn粉按7∶3的比例放入旋转混粉设备，将粉末混合；(2)采用较低的功率(100-700瓦)在选择性激光烧结(SLS)成型机上将粉末烧结成形。试验结果发现，尽管粉末可以烧结成形，但球化现象与烧结收缩现象严重，由于热应力使零件发生了翘曲，影响了制件的最终性能。此外，采用这种混合粉末的方式，由于受粉末密度、形貌的影响以及熔点的差异，容易在激光烧结过程中出现合金成份偏析、组织不均匀的问题，影响最终制件的性能。由于采用的是铺粉方式，所以不管使用哪种形式的粉末，激光烧结后的金属零件的密度都较低，实际获得的只是一种多孔隙金属零件，其强度较低，欲提高零件的强度，必须通过后处理工序，如浸渗树脂、低熔点金属，或进行热等静压处理。但这些后处理工序会改变金属零件的性能和精度，同时失去了快速成形技术的特点。
发明内容
本发明的目的是提供一种镍基合金粉末的激光快速成型烧结方法，以解决选区激光烧结快速成型中的合金成份偏析、组织不均匀的问题。本发明的技术方案是一种镍基合金粉末激光熔覆烧结成型方法，基于一个由四轴联动数控工作台、激光器、反射镜、粉末喷嘴、送粉器和计算机组成的激光熔覆烧结成型装置，其特征在于，(1)选择烧结材料；为镍铜锡合金粉末，其成分及制备方法详见专利申请200510011864.4，合金粉末的平均粒径为100～150μm；(2)编制加工程序；在计算机中生成被成型零件的三维CAD模型，利用切片软件将三维CAD模型转换成一系列与激光照射方向垂直的二维平面模型，二维平面模型之间的间隔是1～2mm，并将二维平面模型的数据转换成数控加工命令，控制激光熔覆烧结成型装置的工作过程；(3)烧结成型；将基体零件固定在四轴联动数控工作台上，打开激光器和送粉器进行同轴送粉，在计算机控制下开始烧结，所用的工艺参数如下烧结选用激光功率为1000～1300W、扫描速度300～400mm/min、离焦量15～25mm，送粉转速为15～25r/min。
本发明的优点是采用本发明的烧结成型工艺方法，成型零件的合金成份偏析少、组织致密均匀。同时，本发明制造速度快、成型形状自由、成型件结构致密。
图1是本发明的激光熔覆成型工艺示意图。
具体实施例方式
本发明采用激光熔覆成型技术，其原理是在计算机中生成零件的三维CAD模型，利用切片软件将三维信息转换成一系列的二维信息，并将数据转换成数控加工命令，控制激光加工设备完成制作过程。在此过程中，采用同轴送粉装置送粉，在激光辐照的作用下形成激光熔池，用气体将材料粉末送入熔池并使之熔化，形成与底层冶金结合的新烧结层。重复这些过程，可以形成结构致密均匀的烧结件。本发明的成型方法，基于一个由四轴联动数控工作台、激光器、反射镜、粉末喷嘴、送粉器和计算机组成的激光熔覆烧结成型装置，激光器为HJ-4型5千瓦横流CO2激光器，使用DPSF-3型送粉器进行同轴送粉，在LMC-3型四轴数控工作台上进行烧结。工作台的X、Y、Z轴的位移以及转动均由计算机程序精确控制。本发明的步骤是一种镍基合金粉末激光熔覆烧结成型方法，基于一个由四轴联动数控工作台、激光器、反射镜、粉末喷嘴、送粉器和计算机组成的激光熔覆烧结成型装置，其特征在于，(1)选择烧结材料；为镍铜锡合金粉末，其成分及制备方法详见专利申请200510011864.4，合金粉末的平均粒径为100～150μm。
(2)编制加工程序；在计算机中生成被成型零件的三维CAD模型，利用切片软件将三维CAD模型转换成一系列与激光照射方向垂直的二维平面模型，二维平面模型之间的间隔是1～2mm，并将二维平面模型的数据转换成数控加工命令，控制激光熔覆烧结成型装置的工作过程。
(3)烧结成型；将基体零件固定在四轴联动数控工作台上，打开激光器和送粉器进行同轴送粉，在计算机控制下开始烧结，所用的工艺参数如下烧结选用激光功率为1000～1300W、扫描速度300～400mm/min、离焦量15～25mm，送粉转速为15～25r/min。扫描速度指数控工作台的移动速度，可由计算机程序直接控制。
实施例采用30mm×40mm×50mm的45#钢作为基体。使用平均粒径为100μm～150μm的镍铜锡合金粉末。
实施例1烧结50mm×4mm×40mm薄壁墙烧结工艺为使用平均粒径为100μm的镍铜锡合金粉末。激光功率设定为1150W，离焦量20mm，送粉转速20r/min。分别用300mm/min、350mm/min、400mm/min的扫描速度烧结三个50mm×4mm×40mm薄壁墙样品。在计算机中生成薄壁墙的三维CAD模型50mm×4mm×40mm，利用切片软件将三维CAD模型转换成20个与激光照射方向垂直的二维平面模型50mm×4mm，并将二维平面模型的数据转换成数控加工命令，控制激光熔覆烧结成型装置的工作过程。烧结出的样品组织均为致密、均匀、无宏观偏析。进一步研究表明，当扫描速度为300mm/min时，激光光斑作用处与成形基体之间的温度梯度较大，枝晶组织跨层生长为外延式枝晶，生长方向一致，层与层之间的界面不明显，保证了各层之间整体的结合强度和组织在生长方向上的连续性。而扫描速度为350mm/min时组织最为致密。
实施例2烧结Φ30mm×2mm×40mm的薄壁圆筒烧结工艺为使用平均粒径为125μm的镍铜锡合金粉末。利用切片软件将三维CAD模型转换成40个与激光照射方向垂直的二维平面模型，烧结过程中，扫描速度固定为350mm/min，离焦量为20mm，送粉转速为20r/min，在上述条件下，分别用1000W和1150W、1300W的激光功率，烧结出三个Φ30mm×2mm×40mm的薄壁圆筒样品。结果表明，样品组织都比较致密。而激光功率为1150W时，样品层与层间为冶金结合，组织最致密，未发现气孔和裂纹。
实施例3烧结30mm×30mm×20mm的薄壁方筒烧结工艺为使用平均粒径为150μm的镍铜锡合金粉末。利用切片软件将三维CAD模型转换成10个与激光照射方向垂直的二维平面模型，烧结过程中，扫描速度固定为350mm/min，激光功率设定为1150W，送粉转速为20r/min。在上述条件下，分别用15mm、20mm和25mm的离焦量烧结三个30mm×30mm×20mm的薄壁方筒。结果表明，样品组织均比较致密、均匀。相比较而言，离焦量为20mm时，枝晶组织最为细长、均匀、生长方向一致。
实施例4烧结60mm×20mm×20mm的长方体烧结工艺为使用平均粒径为100μm的镍铜锡合金粉末。利用切片软件将三维CAD模型转换成20个与激光照射方向垂直的二维平面模型，烧结过程中，设定扫描速度为350mm/min，激光功率为1150W，离焦量20mm。在上述条件下，用15、20、25r/min不同的送粉转速烧结三个50mm×4mm×40mm的薄壁墙样品。结果表明，样品组织均很致密，在20r/min时的枝晶组织最为细长、均匀。
权利要求
1.一种镍基合金粉末激光熔覆烧结成型方法，基于一个由四轴联动数控工作台、激光器、反射镜、粉末喷嘴、送粉器和计算机组成的激光熔覆烧结成型装置，其特征在于，(1)选择烧结材料；为镍铜锡合金粉末，其成分及制备方法详见专利申请200510011864.4，合金粉末的平均粒径为100～150μm；(2)编制加工程序；在计算机中生成被成型零件的三维CAD模型，利用切片软件将三维CAD模型转换成一系列与激光照射方向垂直的二维平面模型，二维平面模型之间的间隔是1～2mm，并将二维平面模型的数据转换成数控加工命令，控制激光熔覆烧结成型装置的工作过程；(3)烧结成型；将基体零件固定在四轴联动数控工作台上，打开激光器和送粉器进行同轴送粉，在计算机控制下开始烧结，所用的工艺参数如下烧结选用激光功率为1000～1300W、扫描速度300～400mm/min、离焦量15～25mm，送粉转速为15～25r/min。
全文摘要
本发明属于激光快速成型技术领域，涉及对镍基合金粉末的激光熔覆烧结成型方法的改进。本发明的步骤是选择镍铜锡合金粉末为烧结材料；编制加工程序；烧结成型，所用的工艺参数为激光功率为1000～1300W、扫描速度300～400mm/min、离焦量15～25mm，送粉转速为15～25r/min。本发明方法，成型零件的合金成分偏析少、组织致密均匀。解决了选区激光烧结快速成型中的合金成分偏析、组织不均匀的问题。
文档编号B22F7/00GK1883852SQ20051007733
公开日2006年12月27日 申请日期2005年6月22日 优先权日2005年6月22日
发明者谭永生, 张雁, 费群星, 曹文斌, 赵靖 申请人:中国航空工业第一集团公司北京航空制造工程研究所, 北京科技大学