一种金属激光熔化增材制造方法
【专利摘要】一种金属激光熔化增材制造方法，本发明通过在激光增材制造加工完每一层后，采用选区搅拌摩擦对单层激光凝固区改性，使凝固裂纹消除，并形成纳米晶。增材制造的每一层都进行激光熔化和搅拌摩擦，如此往复进行多层加工，从而制造出纳米晶高强韧无裂纹的复杂金属零部件。本发明中涉及的激光熔化增材制造方法包括基于粉床成形的选区激光熔化和基于激光同轴送粉的激光工程近净成形技术。其中所涉及的金属材料包括铝基、铜基、钛基、铁基、镍基、钴基等。选区搅拌摩擦可以将激光增材制造所产生的裂纹、球化、孔隙消除，提高成形质量；选区搅拌摩擦可将激光凝固组织中的网状碳化物破碎为弥散分布，并将组织调整为纳米晶。
【专利说明】一种金属激光熔化增材制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于增材制造领域，具体涉及逐层激光熔化增材制造和选区搅拌摩擦复合技术，能够实现无裂纹、纳米晶、高强韧金属零部件的制造。
【背景技术】
[0002]激光熔化增材制造技术，又称激光熔化3D打印，是近年来发展较快的一种先进制造技术。金属零件的激光熔化增材制造技术是通过高能激光束逐层熔化金属粉末，进而实现任意复杂的金属零件的制造，但是仍存在如下技术瓶颈:
第一，由于激光增材制造过程具有快热快冷、高梯度热-力-流多场耦合等特点，导致激光增材制造零件内存在较高的热应力，形成裂纹。当拉应力大于熔覆层的抗拉强度时，容易在气孔、夹杂尖端等处产生应力集中，从而形成裂纹。裂纹是激光增材制造、乃至激光加工领域中一种广泛存在的缺陷。针对裂纹产生，国内外学者从理论建模、实验观察、组织分析等角研究了激光熔凝过程的应力场与裂纹产生机理，提出了减少裂纹的方法:(I)粉床预热；(2)添加合金元素、网状箔材进行增韧与增塑；(3)超声波振动。以上方法在一定程度上减少了应力集中与开裂倾向，为推进激光加工的发展起到了积极作用。然而，由于激光熔池凝固过程极其复杂，上述阻裂方法仍存在一定局限性:首先，以上方法难以完全消除微裂纹，特别是对于镍基、钴基等高裂纹敏感材料；其次，以上方法难以具有普遍适用性。
[0003]第二，铁基、镍基和钴基合金激光增材制造组织中的脆性陶瓷相(如M7C3, M23C6)容易以连续网状结构分布在基体晶粒的周围，大大降低了激光增材制造的强韧性。虽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，但这些呈网络状分布的陶瓷相将金属晶粒彼此隔离开来，大大削弱了晶粒间的结合力，致使激光增材制造零件整体性能表现为脆性，当激光增材制造零件在外载荷作用下服役时应力难以传递，进而可导致裂纹萌生与工件失效。然而，尚未有文献研究这种网状碳化物的消除方法。虽然热处理可以在一定程度上减少碳化物含量与偏析，但却难以完全改变厚层碳化物的连续网状分布，另一方面，热处理无法消除微观裂纹。
[0004]第三，激光增材制造成形过程还容易产生球化和孔隙，大大影响激光增材制造成形效果以及成形件的力学性能，仍然是激光增材制造零件的重要缺陷，成为成形激光增材制造技术的瓶颈问题，影响激光增材制造往高性能金属零件应用推广。
[0005]综合上述分析，常见激光增材制造零件所存在的微裂纹、陶瓷相网状分布、球化、孔隙问题为该技术前进的道路上设置了障碍。虽然国内外学者针对上述问题进行过研究并取得了积极的进展，但同步实现激光增材制造零件裂纹消除、陶瓷相弥散分布、组织纳米化的方法至今仍未被完整掌握。
[0006]搅拌摩擦加工(Frict1n Stir Processing, FSP)是一种新型的通过表面塑性变形以改善组织的方法，通过移动的搅拌头与工件剧烈摩擦使工件表层温度迅速升高，金属发生塑化，搅拌针搅动表层材料使其产生塑性流变和混合，轴肩把由搅拌针搅动变形的材料传输到搅拌头后侧并同时施加锻造作用。由于FSP加工区内的材料产生了剧烈塑性变形、混合、破碎和热暴露，从而可实现金属材料微观组织的晶粒细化、纳米化、裂纹消除。该加工方法和激光熔化增材制造技术结合目前还没有相关报道。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是:针对以上激光增材制造过程裂纹、碳化物网状分布、球化、孔隙等冶金缺陷，考虑到选区FSP技术在组织改性中的优势，本发明通过在激光增材制造的每一层的加工过程，引入FSP选区改性，使得每一层激光凝固组织经历大变形，实现组织纳米化、裂纹消除，从而制备出纳米晶高强韧无裂纹的复杂金属零部件。
[0008]本发明提供的纳米晶高韧强无裂纹复杂金属零件增材制造方法，包括下述步骤:
(I)金属激光熔化增材制造单层加工:根据所需金属零件形状，采用三维造型软件设计出零件的三维CAD模型，将文件的数据信息输送到激光增材制造装备；根据当前切片层信息，通过激光增材增材制造技术对切片层区域进行扫描熔化，同时通入惰性气体保护熔池。
[0009](2)搅拌摩擦单层加工:激光扫描完毕后，立即采用高速旋转平轴肩搅拌头，对激光熔化的区域进行选区搅拌摩擦加工，通过调控FSP转速和行进速度，使FSP塑性变形层厚度大于激光增材制造的单层层厚，从而使激光单层区所有裂纹弥合，网状碳化物弥散化，组织纳米化。搅拌摩擦加工完毕后，将搅拌头换成铣刀，对FSP形成的少量飞边进行切除，使加工层平整。
[0010](3)工作台下降一个切片层厚距离，重复(I)、(2)，直至整个零件成形完毕；将成形零件从金属基板上取出，对成形零件进行后处理，即可获得所需复杂形状纳米晶高强韧无裂纹金属零件。
[0011]本发明中，激光熔化增材制造材料包括:铝基、铜基、钛基、铁基、镍基、钴基纯金属及合金。
[0012]采用激光功率大于或等于100W的半导体泵浦YAG激光器、光纤激光器或CO2激光器对单层切片区域进行扫描熔化。其中，金属激光增材制造的方法包括以下两种:(a)选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM),送粉机构在金属基板上平铺一层约为0.05、.15mm厚度、粒径为10-100 μ m的金属粉末，金属粉末具体种类由金属零件的材质所定；(b)激光近净成形(Laser Engineering Net Shaping, LENS),通过同轴送粉器,将激光、金属粉末、保护气同时由输入到基材上，此方法不同于SLM，SLM是通过铺粉，形成粉床；而LENS的粉末由送粉器送入。LENS的送粉量l(Tl50g/min，层厚0.f 1mm。
[0013]步骤(2)搅拌摩擦单层加工中，搅拌头轴肩直径f 10mm，转速30(Tl500rpm，行进速度 10(Tl000mm/min，FSP 下压量 0.θΓθ.03mm。
[0014]搅拌摩擦加工的搅拌头材料选取原则为硬度和高温强度大于待加工材料。若激光增材制造材料为铝、铜基等软金属及合金，搅拌头采用工具钢等材料；若激光增材制造材料为钛、铁、镍、钴等高硬度材料，搅拌头采用WC-Co硬质合金或立方BN材料。
[0015]激光增材制造结合选区搅拌摩擦增材制造方法具有以下优点:
(1)选区搅拌摩擦可以将激光增材制造所产生的的裂纹、球化、孔隙消除，提高成形质量;
(2)选区搅拌摩擦可将激光凝固组织中的网状碳化物破碎为弥散分布，并将组织调整为纳米晶； (3)这种纳米晶、碳化物弥散分布、无裂纹的金属零部件具有较高强度、韧性、硬度及疲劳性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明每一层制造的示意图；
图2是本发明每一层制造有搅拌头运动轨迹的示意图。
[0017]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
【具体实施方式】
[0018]实施例1:
(1)针对高性能316L不锈钢合金零件的成形，采用三维造型软件设计出零件的三维CAD模型，然后由切片软件处理为后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到激光增材制造快速成形装备；采用SLM对当前切片层进行加工，送粉机构在金属基板上平铺一层约为0.05mm厚度、粒径为10 μ m的316L不锈钢粉末，光纤激光功率200W ;图1中I为激光束；2表示激光束行走路径；3为多层实体。
[0019](2) SLM对当前切片层加工完毕后，选用立方BN材料作为搅拌头4，对激光熔化区域进行逐行搅拌摩擦加工。其中旋转轴肩直径2mm,转速500rpm,行进速度500mm/min,FSP下压量0.01mm, FSP变形层厚度0.2mm，使FSP变形层厚度大于激光单层厚度。搅拌摩擦加工完毕后，将搅拌头4换成铣刀，对FSP后表面形成的少量飞边进行切除，使加工层平整；图2中4为搅拌头；5表示搅拌头行走路径。
[0020](3)工作台下降一个切片层厚0.05mm，重复(I)、(2)，直至整个零件成形完毕；将成形零件从金属基板上线切割取出，即可获得所需复杂形状纳米晶高强韧无裂纹316L不锈钢金属零件。
[0021]实施例2:
Cl)针对高性能钴基Co-27Cr-5Mo-0.5Ti合金零件的成形，采用三维造型软件设计出零件的三维CAD模型，然后由切片软件处理为后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到激光增材制造快速成形装备；采用LENS加工当前切片层，使500W的YAG激光、50g/min钴基合金粉末、Ar气同时由输入到基材上,层厚0.15mm ；
(2)LENS对当前切片层加工完毕后，选用立方BN材料作为搅拌头4，对LENS区域进行逐行搅拌摩擦加工。其中旋转轴肩直径2mm,转速500rpm,行进速度500mm/min,FSP下压量0.01mm，FSP变形层厚度0.3mm，保证FSP变形层厚度大于激光单层厚度；搅拌摩擦加工完毕后，将搅拌头换成铣刀，对FSP形成的少量飞边进行切除，使加工层平整；
(3)激光头提升一个切片厚度0.15mm，重复(1)、(2)，直至整个零件成形完毕；将成形零件从金属基板上线切割取出，即可获得所需复杂形状纳米晶高强韧无裂纹钴基合金零件。
[0022]实施例3:
(O针对高性能Al-Si合金零件的成形，采用三维造型软件设计出零件的三维CAD模型，然后由切片软件处理为后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到激光增材制造快速成形装备；采用SLM技术对当前切片层进行加工，送粉机构在金属基板上平铺一层约为0.05mm厚度、粒径为20 μ m的Al-Si合金粉末，光纤激光功率150W ；
(2)SLM对当前切片层加工完毕后，选用工具钢作为搅拌头4，对激光熔化区域进行逐行搅拌摩擦加工。其中旋转轴肩直径Imm,转速100rpm,行进速度800mm/min, FSP下压量0.01mm，FSP变形层厚度0.2mm，保证FSP变形层厚度大于激光单层厚度；搅拌摩擦加工完毕后，将搅拌头换成铣刀，对FSP后表面形成的少量飞边进行切除，使加工层平整；
(3)工作台下降一个切片层厚0.05mm,重复(I)、(2)，直至整个零件成形完毕，即可获得所需复杂形状纳米晶高强韧无裂纹Al-Si零件。
[0023]实施例4:
(1)针对高性能Ti6A14V合金零件的成形，采用三维造型软件设计出零件的三维CAD模型，然后由切片软件处理为后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到激光增材制造快速成形装备；采用SLM技术对当前切片层进行加工，送粉机构在金属基板上平铺一层约为0.05mm厚度、粒径为20 μ m的Ti6A14V合金粉末，光纤激光功率200W ；
(2)SLM对当前切片层加工完毕后，选用工具钢作为搅拌头4，对激光熔化区域进行逐行搅拌摩擦加工。其中旋转轴肩直径Imm,转速100rpm,行进速度500mm/min, FSP下压量0.01mm，FSP变形层厚度0.2mm，保证FSP变形层厚度大于激光单层厚度；搅拌摩擦加工完毕后，将搅拌头换成铣刀，对FSP后表面形成的少量飞边进行切除，使加工层平整；
(3)工作台下降一个切片层厚0.05mm，重复(I)、(2)，直至整个零件成形完毕，即可获得所需复杂形状纳米晶高强韧无裂纹Ti6A14V零件。
[0024]实施例5:
(1)针对高性能镍基GH4169合金零件的成形，采用三维造型软件设计出零件的三维CAD模型，然后由切片软件处理为后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到激光增材制造快速成形装备；采用LENS加工当前切片层，使500W的YAG激光、50g/min GH4169合金粉末、Ar气同时由输入到基材上,层厚0.15mm ；
(2)LENS对当前切片层加工完毕后，选用立方BN材料作为搅拌头4，对LENS区域进行逐行搅拌摩擦加工。其中旋转轴肩直径2mm,转速600rpm,行进速度600mm/min, FSP下压量
0.01mm, FSP变形层厚度0.25mm，保证FSP变形层厚度大于激光单层厚度；搅拌摩擦加工完毕后，将搅拌头换成铣刀，对FSP形成的少量飞边进行切除，使加工层平整；
(3)激光头提升一个切片厚度0.15mm,重复(I)、(2)，直至整个零件成形完毕，即可获得所需复杂形状纳米晶高强韧无裂纹镍基GH4169合金零件。
【权利要求】
1.一种金属激光熔化增材制造方法，其特征在于包括下述步骤: (1)金属激光熔化增材制造单层加工:根据所需金属零件形状，采用三维造型软件设计出零件的三维CAD模型，将文件的数据信息输送到激光增材制造装备；根据当前切片层信息，通过激光增材增材制造方法对切片层区域进行扫描熔化，同时通入惰性气体保护熔池； (2)搅拌摩擦单层加工:激光扫描完毕后，立即采用高速旋转平轴肩搅拌头，对激光熔化的区域进行选区搅拌摩擦加工，通过调控FSP转速和行进速度，使FSP塑性变形层厚度大于激光增材制造的单层层厚，从而使激光单层区所有裂纹弥合，网状碳化物弥散化，组织纳米化；搅拌摩擦加工完毕后，将搅拌头换成铣刀，对FSP形成的少量飞边进行切除，使加工层平整； (3)工作台下降一个切片层厚距离，重复(I)、(2)，直至整个零件成形完毕；将成形零件从金属基板上取出，对成形零件进行后处理，获得所需复杂形状纳米晶高强韧无裂纹金属零件。
2.如权利要求1所述的金属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铝基、铜基、钛基、铁基、镍基、钴基纯金属及合金。
3.如权利要求1所述的金属激光熔化增材制造方法，其特征在于:搅拌摩擦加工的搅拌头材料选取原则为硬度和高温强度大于待加工材料，若激光增材制造材料为铝、铜基软金属及合金，搅拌头采用工具钢材料；若激光增材制造材料为钛、铁、镍、钴高硬度材料，搅拌头采用WC-Co硬质合金或立方BN材料。
4.如权利要求1所述的金属激光熔化增材制造方法，其特征在于:步骤(2)搅拌摩擦单层加工中，搅拌头轴肩直径为flOmm,转速为300?1500rpm,行进速度为100?1000mm/min,FSP 为下压量 0.ΟΓΟ.03mm。
【文档编号】B22F3/105GK104404509SQ201410701194
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】李瑞迪, 袁铁锤, 邱子力, 苏文俊, 钟楠骞 申请人:中南大学