本发明涉及金属增材制造成形技术领域，尤其涉及一种金属零件激光选区合金化增材制造方法。
背景技术：
激光表面合金化是20世纪80年代发展起来的通过改变材料表面成分来实现材料表面改性的新技术。它利用高能密度的激光束快速加热熔化特性，使基材表层和添加的合金元素熔化混合，从而形成以原基材为基的新的表面合金层。金属零件的激光增材制造技术，主要以金属粉末(尺寸小于1mm的金属颗粒群)、颗粒或金属丝材为原料，通过CAD模型预分层处理，采用激光束熔化或烧结逐层堆积，直接完成高性能金属零件的成形制造。激光选区合金化增材制造方法，是在原来的激光增材制造成形的基础上，针对成形零件摩擦学性能的要求，进一步提出的新方法。目前，激光表面合金化(SLA)与激光选区熔化(SLM)、激光选区烧结(SLS)三种增材制造技术结合在一起，构成了金属的激光增材制造技术体系，此研究具有重要的研究与应用意义。
技术实现要素：
针对现有技术中金属增材制造技术中存在的问题，本发明的目的在于：提供一种金属零件激光选区合金化增材制备方法，该方法具有：操作方便、性能可靠，综合成本低、成形件重量轻，表面光滑，能够满足使用要求、提高其使用寿命等优点。为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：一种金属零件激光选区合金化增材制造方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：1)确定成形件的数模类型及建模：本发明成形件的数模类型为双送粉头成形的数模类型，其定义为：其中一个送粉头输送主材料的金属粉末或合金粉末，另一个送粉头输送合金化辅助粉末材料，而且这两个送粉头具有不同的送粉轨迹；然后在增材制造机床的工控机中利用CAD三维软件建立成形件的三维数模；2)成形件合金化处理的局部区域选择：根据摩擦学的知识，选择成形件的局部区域，由辅助送粉头输送用于合金化的辅助粉末材料，因而上述局部区域包括在成形件的接触表面及其附近的一个薄层，该区域需要更低的摩擦系数，更高的耐磨性以及润滑性能；3)成形件合金化的选材：对于不同的材料体系，对应有不同的合金元素或化合物，从而使得局部区域发生合金化，合金元素或化合物占10-30％的重量百分比，其中，适用的基材包括高速钢、工具钢、耐磨钢、不锈钢、Ni基高温合金、Co基高温合金、W基高温合金、Ti合金、Al合金、Cu合金、Mg合金中任一项；添加的合金元素包括Ni、Cr、W、Ti、Co、Mn、Mo、B中任一项或其组合，以及WC、Cr7C3、Al2O3、TiC中任一项陶瓷粉末；4)成形件的辅助送粉头及工艺选择：对于不同的增材制造技术，辅助送粉头的安装也相应不同，其中，该辅助送粉头的设置方式包括：对于激光熔覆工艺而言，在原同轴送粉头的旁边，附设一个尺寸略小的送粉头；对于激光选区熔化工艺而言，在原同轴送粉头上新增一个注射器形状的送粉头；上述辅助送粉头和辅助粉末供粉箱相连接；合金粉末供粉箱与增材机床上的工控机相连接；对于需要合金化处理的局部区域，还应考虑工艺，即将合金元素或化合物直接或间接结合到基体材料的特定部位，在高能量激光束的照射下，合金元素或化合物快速、均匀地分散并熔渗在熔池中，在液化区发生扩散作用，获得合金化的组织，为了对于合金化处理的结果进行比对分析，置入合金化处理随炉标准试件；5)成形件的激光增材制造：利用与步骤1)相同的CAD三维软件，将步骤1)中的数模进行切片分层处理，将切片分层处理数据导入工控机，控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；选用粒径为10-50μm的金属粉末放置在100-200℃的烘干箱中进行烘干1-1.5小时处理；将烘干处理后的金属粉末放置在3D打印机送粉头的粉筒中留作备用，其中激光器的具体参数为：功率P＝200-10000W，光斑直径D＝2-8mm，扫描速度V＝2-3m/min，搭接率为20-30％，对于进行合金化的局部区域，其它工艺条件不变，只是开启辅助送粉头，将合金化元素或化合物的粉末注入已经形成的熔池，主送粉头和辅助送粉头的送粉量要相互匹配，在需要进行激光合金化的部位形成厚度为10-1000μm的熔化层，并且在凝固时获得的冷却速度为105-107℃/s；6)对于上述步骤5)获得的成形件使用酸洗液进行轻度酸洗，酸洗液的浓度为普通酸洗液的1/10，酸洗时间为1-3min，根据成形件的金属种类选择相配的轻度酸洗；将经过酸洗后的成形件进行无损检测，并和随炉标准试件进行比较，当两者的比较结果一致或者在容许误差范围内时，判定成形件是合格的；反之，则为不合格的；其中无损检测包括：典型区域的三维形貌观测、随炉标准试件的摩擦、磨损与润滑实验；7)将上述步骤6)处理后的成形件进行后处理获得最终成形件，其中后处理包括热处理和/或抛光，后处理获得最终成形件。作为上述技术方案的进一步优化，所述金属粉末的送粉方式采用同轴正向送粉方式或者采用非同轴侧向送粉方式进行送粉。作为上述技术方案的进一步优化，所述的激光器为二氧化碳激光器或者光纤激光器。作为上述技术方案的进一步优化，本方法中使用惰性气体供气装置提供氮气、氩气或者氦气作为保护气体。与现有技术中技术相比，采用本发明方法具有如下优点：(1)成形件综合机械性能优良，特别是摩擦学性能能够满足特殊的需要；(2)节省贵重材料，只在局部区域使用贵重材料进行合金化处理，而在一般的区域，使用普通材料，也使其综合成本低，成形件重量轻；(3)摩擦对偶面经光滑化处理，耐磨减摩，具有优良的摩擦学性能；(4)成形件的使用寿命也得到提高。附图说明附图1为一种金属零件激光选区合金化增材制造方法流程示意图。具体实施方式下面结合附图1对本发明一种金属零件激光选区合金化增材制造方法作具体说明。一种金属零件激光选区合金化增材制造方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：1)确定成形件的数模类型及建模：本发明成形件的数模类型为双送粉头成形的数模类型，其定义为：其中一个送粉头输送主材料的金属粉末或合金粉末，另一个送粉头输送合金化辅助粉末材料，而且这两个送粉头具有不同的送粉轨迹；然后在增材制造机床的工控机中利用CAD三维软件建立成形件的三维数模；2)成形件合金化处理的局部区域选择：根据摩擦学的知识，选择成形件的局部区域，由辅助送粉头输送用于合金化的辅助粉末材料，因而上述局部区域包括在成形件的接触表面及其附近的一个薄层，该区域需要更低的摩擦系数，更高的耐磨性以及润滑性能；3)成形件合金化的选材：对于不同的材料体系，对应有不同的合金元素或化合物，从而使得局部区域发生合金化，合金元素或化合物占10-30％的重量百分比，其中，适用的基材包括高速钢、工具钢、耐磨钢、不锈钢、Ni基高温合金、Co基高温合金、W基高温合金、Ti合金、Al合金、Cu合金、Mg合金中任一项；添加的合金元素包括Ni、Cr、W、Ti、Co、Mn、Mo、B中任一项或其组合，以及WC、Cr7C3、Al2O3、TiC中任一项陶瓷粉末；4)成形件的辅助送粉头及工艺选择：对于不同的增材制造技术，辅助送粉头的安装也相应不同，其中，该辅助送粉头的设置方式包括：对于激光熔覆工艺而言，在原同轴送粉头的旁边，附设一个尺寸略小的送粉头；对于激光选区熔化工艺而言，在原同轴送粉头上新增一个注射器形状的送粉头；上述辅助送粉头和辅助粉末供粉箱相连接；合金粉末供粉箱与增材机床上的工控机相连接；对于需要合金化处理的局部区域，还应考虑工艺，即将合金元素或化合物直接或间接结合到基体材料的特定部位，在高能量激光束的照射下，合金元素或化合物快速、均匀地分散并熔渗在熔池中，在液化区发生扩散作用，获得合金化的组织，为了对于合金化处理的结果进行比对分析，置入合金化处理随炉标准试件；5)成形件的激光增材制造：利用与步骤1)相同的CAD三维软件，将步骤1)中的数模进行切片分层处理，将切片分层处理数据导入工控机，控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；选用粒径为10-50μm的金属粉末放置在100-200℃的烘干箱中进行烘干1-1.5小时处理；将烘干处理后的金属粉末放置在3D打印机送粉头的粉筒中留作备用，其中该激光器的具体参数为：功率P＝200-10000W，光斑直径D＝2-8mm，扫描速度V＝2-3m/min，搭接率为20-30％，对于进行合金化的局部区域，其它工艺条件不变，只是开启辅助送粉头，将合金化元素或化合物的粉末注入已经形成的熔池，主送粉头和辅助送粉头的送粉量要相互匹配，在需要进行激光合金化的部位形成厚度为10-1000μm的熔化层，并且在凝固时获得的冷却速度为105-107℃/s；6)对于上述步骤5)获得的成形件使用酸洗液进行轻度酸洗，酸洗液的浓度为普通酸洗液的1/10，酸洗时间为1-3min，根据成形件的金属种类选择相配的轻度酸洗；将经过酸洗后的成形件进行无损检测，并和随炉标准试件进行比较，当两者的比较结果一致或者在容许误差范围内时，判定成形件是合格的；反之，则为不合格的；其中无损检测包括：典型区域的三维形貌观测、随炉标准试件的摩擦、磨损与润滑实验；7)将上述步骤6)处理后的成形件进行后处理获得最终成形件，其中后处理包括热处理和/或抛光，后处理获得最终成形件。对于本发明而言，成形件合金化的选材很重要，现针对上述步骤3)中出现的基材和相应的合金元素种类可参见下表1：表1基材及添加的合金元素所述金属粉末的送粉方式采用同轴正向送粉方式或者采用非同轴侧向送粉方式进行送粉。所述的激光器为二氧化碳激光器或者光纤激光器。本方法中使用惰性气体供气装置提供氮气、氩气或者氦气作为保护气体。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。