一种利用激光3D打印获得合金构件的方法及装置与流程

本发明涉及合金构件制备技术领域，尤其涉及一种利用激光3d打印获得合金构件的方法及装置。

背景技术：

3d打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。目前，3d打印成形方式主要包括熔融沉积成形(fuseddepositionmodeling，fdm)、选择性激光烧结成形(selectivelasersintering，sls)、光固化成形(stereolithographyapparatus，sla)、选择性激光熔化成形（selectivelasermelting,slm）。

利用激光3d打印技术成型合金已经在国内外开始有少量探索性的尝试，目前激光3d打印合金主要存在以下两个问题：（1）3d打印合金构件在接卸性能上存在很大的缺陷，主要表现在由于激光3d打印属于层层堆叠，打印过程中会出现孔隙、过烧现象及球化现象，所以导致打印成的金属工件致密度低；（2）激光3d打印过程中的高升降温速率所引起的热应力和残余应力会使所打印的金属构件发生严重的变形、翘曲和开裂问题。上述的问题这严重降低了合金优异的力学性能，那么，如何在保证较高打印效率的基础上抑制其裂纹产生，从而获得大尺寸无裂纹的金属合金构件，是目前激光3d打印合金构件迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于保证较高打印效率的基础上抑制3d打印的合金构件裂纹产生和致密度低的问题，有别于传统的合金成分优化、粉末烧结等方式，本发明通过气雾化制粉技术将合金制备成粉末，采用激光3d打印技术，控制打印成型过程，对粉末进行堆积成型获得具有一定尺寸、低孔隙率、优异性能的合金构件构件。

为实现本发明所述的上述目的，本发明具体采用如下技术方案：

本发明提供了一种利用激光3d打印获得合金构件的方法，该方法包括如下步骤：

（1）3d打印成型前的准备

a：利用计算机建立要打印的合金构件的三维模型，利用切片软件将几何模型分层离散为若干二维切片，各二维切片的几何轮廓生成扫描模型；

b：合金粉末的准备：采用气雾化将合金制备呈粉末状，该合金为feacrbmoccdbe的fe基合金，式中a、b、c、d、e均为原子百分数，且43≤a≤52，13≤b≤19，26≤c≤33，2≤d≤5，1≤e≤3，其中a+b+c+d+e=100；

（2）3d打印成型过程

根据步骤（1）中的扫描模型，使用激光3d打印装置，将步骤（1）中的合金粉末逐层堆积制造成合金构件模型，具体步骤如下：

a：预先向成型室内通入惰性气体使成型室内氧含量低于8ppm；

b：调节自动送粉装置的送粉管的送粉角度，设置送粉流量为20-40g/min，保证能均匀送粉且不干扰激光光束；

c：调节打印激光器出光口与成型基板的垂直高度为4-5mm，控制离焦量，使打印激光路径的光斑在成型基板表面聚焦于一圆点，并使自动送粉装置开始输送合金粉末；

d：调节激光器发射激光束，使其聚焦于成型基板表面打印激光器路径光斑后方；

e：设定激光器按预先设计的轨迹在成型基板上按“点-线-面-体”的方式进行辐照熔覆，层状叠加，熔覆结束后，保持惰性保护气体继续输送，待成型试样自然冷却，用砂纸将成型试样表面烧损氧化部分打磨掉，控制表面粗糙度ra0.63～1.25μm，并用无水乙醇擦洗试样，然后晾干。

作为本发明对上述方案的优选，所述惰性保护气体为ar气。

2、通过降低激光扫描速度能够适当降低成型试样的内应力，避免裂纹出现，同时因激光扫描速度过慢会使单位热输入量过大，所述打印激光器的移送速度为400-1000mm/min，打印激光器功率为1000-1200w。

本发明还提供了上述方法中所提到的一种利用激光3d打印获得合金构件的装置，其包括成型室、成型基板、激光束筒、自动送粉装置及激光器，其中成型室分别设有惰性气体输入口和惰性气体输出口，所述成型基板设于成型室下方，自动送粉装置固定于激光束筒外部并随激光束筒移动，所述激光器与激光束筒通过连接器相对固定，所述激光束筒通过一位移机构在成型室内沿水平和垂直方向移动，所述自动送粉装置还包括对称设置在激光束筒出光口两侧的送粉管，所述送粉管由一调节装置调节送粉管自身与出光口所呈夹角。

作为本发明对上述方案的优选，所述位移机构为一在成型室内竖直移动的平台，且所述激光束筒末端安装于平台底面，且能够沿平台底面水平移动。

为了使合金粉末具有更好的流动性和均匀性，作为本发明对上述激光3d打印装置的优选，所述自动送粉装置包括一送粉器、连通所述送粉器的分流器，所述分流器通过两个送粉口分别连通激光束筒两侧的送粉管。

在合金的3d打印过程中，同步的引入另外一套小功率的激光器，使激光束位于打印激光束的后方，对前方经历快速加热和冷却的构件部分进行同步退火处理，能够消除由于大温度梯度所导致的构件极易开裂的问题，为了固定所述激光器的位置，所述连接器设有一对相连通的嵌接环，分别对应激光束筒和激光器，且所述嵌接环通过螺栓锁紧固定。

作为本发明对上述合金构件的激光3d打印装置的改进，所述调节装置包括连通所述送粉管的锥形腔，所述锥形腔下底面连通三个等分的扇形入口，且锥形腔下底面还设有一两倍于所述扇形入口大小的扇形挡片，所述扇形挡片圆心处伸出一转轴，所述转轴由一电机控制转动，所述三个扇形入口分别连通不同出粉角度的三个出粉口。

为了能灵活调节该装置所选用的出粉口，作为本发明对上述激光3d打印装置的优选，所述电机为步进电机，通过控制步进电机的正反转灵活选择出粉口从而改变出粉角度。

本发明的有益效果在于，本发明采用激光器同激光束筒同步的结构，对前方经历快速加热和冷却的成型构件部分进行同步退火处理，能够消除由于大温度梯度所导致的构件极易开裂的问题，同时提高构件的致密度，降低孔隙率；通过调整自动送粉装置的送粉角度和送粉速率，使得成型过程中送粉精准均匀且不影响激光光束，进而可以使激光扫描速度可以更快，相比其他方法节省了合金粉末的使用量，同时尽可能减少了单位热输入量，在一定程度上提高了冷却速度而避免打印出的金属构件孔隙率的增大，从而一定程度上避免了高能束激光加热熔融粉末过程中孔隙率高、易开裂和翘曲变形等问题。

附图说明

图1为本发明所述一种利用激光3d打印获得合金构件的装置的结构示意图；

图2为图1中本发明调节装置的结构示意图；

图3为图2中调节装置中锥形腔的底面结构示意图；

其中，1—成型室，2—成型基板，3—激光束筒，301-出光口，4—自动送粉装置，5—激光器，6—调节装置，7—连接器，101—惰性气体输入口，102—惰性气体输出口，103—位移机构，401—送粉管，402—送粉器，403—分流器，404—送粉口，601—锥形腔，602—扇形入口，603—扇形挡片，604—转轴，605—电机，606—出粉口，701—嵌接环。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1、图2及图3所示的一种利用激光3d打印获得合金构件的装置，其包括成型室1、成型基板2、激光束筒3、自动送粉装置4及激光器5，其中成型室1分别设有惰性气体输入口101和惰性气体输出口102，所述成型基板2设于成型室1下方，自动送粉装置4固定于激光束筒3外部并随激光束筒3移动，所述激光器5与激光束筒3通过连接器7相对固定，所述激光束筒3通过一位移机构103在成型室1内沿水平和垂直方向移动，所述自动送粉装置4还包括对称设置在激光束筒3出光口两侧的送粉管401，所述送粉管401由一调节装置6调节送粉管401自身与出光口301所呈夹角。

在本实例中，所述位移机构103为一在成型室1内竖直移动的平台，且所述激光束筒3末端安装于平台底面，且能够沿平台底面水平移动。

为了使合金粉末具有更好的流动性和均匀性，在本实例中所述自动送粉装置4包括一送粉器402、连通所述送粉器402的分流器403，所述分流器403通过两个送粉口404分别连通激光束筒3两侧的送粉管401。

在合金的3d打印过程中，同步的引入另外一套小功率的激光器5，使激光束位于打印激光束的后方，对前方经历快速加热和冷却的构件部分进行同步退火处理，能够消除由于大温度梯度所导致的构件极易开裂的问题，为了固定所述激光器5的位置，所述连接器7设有一对相连通的嵌接环701，分别对应激光束筒3和激光器5，且所述嵌接环701通过螺栓锁紧固定。

在本实例中，所述调节装置6包括连通所述送粉管401的锥形腔601，所述锥形腔601下底面连通三个等分的扇形入口602，且锥形腔601下底面还设有一两倍于所述扇形入口602大小的扇形挡片603，所述扇形挡片603圆心处伸出一转轴604，所述转轴604由一电机605控制转动，所述三个扇形入口602分别连通不同出粉角度的三个出粉口606。

为了能灵活调节该装置所选用的出粉口，在本实例中，所述电机605为步进电机，通过控制步进电机的正反转灵活选择出粉口606从而改变出粉角度。

实施例1

一种利用上述的激光3d打印装置完成合金构件的打印过程，其包括如下步骤：

（1）3d打印成型前的准备

a：利用计算机建立要打印的合金构件的三维模型，利用切片软件将几何模型分层离散为若干二维切片，各二维切片的几何轮廓生成扫描模型；

b：合金粉末的准备：采用气雾化将合金制备呈粉末状，该合金为fe47.14cr16.36mo30.84c3.76b1.90的fe基合金；

（2）3d打印成型过程

根据步骤（1）中的扫描模型，使用激光3d打印装置，将步骤（1）中的合金粉末逐层堆积制造成合金构件模型，具体步骤如下：

a：预先向成型室1内通入惰性气体使成型室1内氧含量低于8ppm；

b：调节自动送粉装置4的送粉管401的送粉角度，使送粉流量为30g/min，保证能均匀送粉且不干扰激光光束；

c：调节打印激光器出光口301与成型基板2的垂直高度为4mm，控制离焦量，使打印激光路径的光斑在成型基板2表面聚焦于一圆点，并使自动送粉装置4开始输送合金粉末；

d：调节激光器5发射激光束，使其聚焦于成型基板2表面打印激光器路径光斑后方；

e：设定激光器按预先设计的轨迹在成型基板2上按“点-线-面-体”的方式进行辐照熔覆，层状叠加，熔覆结束后，保持ar惰性保护气体继续输送，待成型试样自然冷却，用砂纸将成型试样表面烧损氧化部分打磨掉，控制表面粗糙度ra0.63～1.25μm，并用无水乙醇擦洗试样，然后晾干。

通过降低激光扫描速度能够适当降低成型试样的内应力，避免裂纹出现，同时因激光扫描速度过慢会使单位热输入量过大，本实例中所述打印激光器的移送速度为600mm/min，激光功率为1200w。

实施例2

一种利用上述的激光3d打印装置完成合金构件的打印过程，其包括如下步骤：

（1）3d打印成型前的准备

a：利用计算机建立要打印的合金构件的三维模型，利用切片软件将几何模型分层离散为若干二维切片，各二维切片的几何轮廓生成扫描模型；

b：合金粉末的准备：采用气雾化将合金制备呈粉末状，该合金为fe50.34cr14.36mo29.46c4.24b1.60的fe基合金；

（2）3d打印成型过程

根据步骤（1）中的扫描模型，使用激光3d打印装置，将步骤（1）中的合金粉末逐层堆积制造成合金构件模型，具体步骤如下：

a：预先向成型室1内通入惰性气体使成型室1内氧含量低于8ppm；

b：调节自动送粉装置4的送粉管401的送粉角度，使送粉流量为40g/min，保证能均匀送粉且不干扰激光光束；

c：调节打印激光器出光口301垂直高度，控制离焦量，使打印激光路径的光斑在成型基板2表面聚焦于一圆点，并使自动送粉装置4开始输送合金粉末；

d：调节激光器5发射激光束，使其聚焦于成型基板2表面打印激光器路径光斑后方；

e：设定激光器按预先设计的轨迹在成型基板2上按“点-线-面-体”的方式进行辐照熔覆，层状叠加，熔覆结束后，保持ar惰性保护气体继续输送，待成型试样自然冷却，用砂纸将成型试样表面烧损氧化部分打磨掉，控制表面粗糙度ra0.63～1.25μm，并用无水乙醇擦洗试样，然后晾干。

通过降低激光扫描速度能够适当降低成型试样的内应力，避免裂纹出现，同时因激光扫描速度过慢会使单位热输入量增大，冷却速度降低而不利于降低构件的孔隙率，本实例中所述打印激光器的移送速度为1000mm/min，打印激光器功率为1200w。

实施例3

一种利用上述的激光3d打印装置完成合金构件的打印过程，其包括如下步骤：

（1）3d打印成型前的准备

a：利用计算机建立要打印的合金构件的三维模型，利用切片软件将几何模型分层离散为若干二维切片，各二维切片的几何轮廓生成扫描模型；

b：合金粉末的准备：采用气雾化将合金制备呈粉末状，该合金为fe45.82cr17.12mo31.46c3.00b2.60的fe基合金；

（2）3d打印成型过程

根据步骤（1）中的扫描模型，使用激光3d打印装置，将步骤（1）中的合金粉末逐层堆积制造成合金构件模型，具体步骤如下：

a：预先向成型室1内通入惰性气体使成型室1内氧含量低于8ppm；

b：调节自动送粉装置4的送粉管401的送粉角度，使送粉流量为20g/min，保证能均匀送粉且不干扰激光光束；

c：调节打印激光器出光口301与成型基板2的垂直高度为5mm，控制离焦量，使打印激光路径的光斑在成型基板2表面聚焦于一圆点，并使自动送粉装置4开始输送合金粉末；

d：调节激光器5发射激光束，使其聚焦于成型基板2表面打印激光器路径光斑后方；

e：设定激光器按预先设计的轨迹在成型基板2上按“点-线-面-体”的方式进行辐照熔覆，层状叠加，熔覆结束后，保持ar惰性保护气体继续输送，待成型试样自然冷却，用砂纸将成型试样表面烧损氧化部分打磨掉，控制表面粗糙度ra0.63～1.25μm，并用无水乙醇擦洗试样，然后晾干。

通过降低激光扫描速度能够适当降低成型试样的内应力，避免裂纹出现，同时因激光扫描速度过慢会使单位热输入量增大，冷却速度降低而不利于降低构件的孔隙率，本实例中所述打印激光器的移送速度为1000mm/min，打印激光器功率为1000w。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。