一种纯镁块体的选区激光熔化成型方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及增材制造成型工艺，特别涉及一种纯镁块体的选区激光熔化成型方 法。 技术背景
[0002] 镁及镁合金具有高的比强度、比刚度和低密度，减震性能好、导电导热性能良好， 而且资源丰富，应用前景广泛。但其室温变形能力差，塑性加工困难，难以成型复杂形状零 部件，在很大程度上制约了镁的工程应用。选区激光熔化（SLM)成型技术作为一种新型的 金属增材制造成型工艺，正受到越来越多学者的青睐。该成型方法特别适合于复杂结构件 成型和产品个性化制造，并且其生产周期短、材料损耗少、产品性能优良。选区激光熔化成 型技术为金属镁产品的制造和应用开辟了一条新道路。金属镁粉具有活性特别高、容易氧 化、流动性差等特点，采用选区激光熔化成型特别困难。近年来，有人研究了纯镁粉末的单 道单层的选区激光熔化成型技术，也报道了镁与铝等抗氧化性较好的金属组成的混合粉末 的选区激光熔化成型的研究结果。CN 101856724 A公开的一种医用镁合金金属零件的选 区激光熔化成型装置，包括控制装置、送铺粉装置、激光传输机构、气体净化装置和封闭的 成型室，送铺粉装置包括料斗和安装于料斗下方两侧的铺粉刷，料斗上方与成型室上方的 填料口对应设置，铺粉刷的下方与成型缸的上表面水平对应；激光传输机构设于成型室的 外上方，且对应成型缸设置；成型室的侧壁上设有便于气体进出的进气口和出气口，气体净 化装置分别与进气口和出气口连接；控制装置分别连接送铺粉装置、激光传输机构、成型 缸和气体净化装置。该发明还提供了由上述装置实现的医用镁合金金属零件的选区激光 熔化成型方法。该发明能够直接制造出满足医学领域复杂形状零件，具有成型效率高等优 点。但利用选区激光熔化成型技术来制作纯镁块体还没有获得成功，原因在于SLM纯镁块 体的成形和相比较SLM镁合金块体的成形困难在于，纯镁具有活性特别高、容易氧化、流动 性差等特点。镁的平衡电位在金属中是很负的，其标准电极电位为-2. 37V，比铁低约2V， 比铝低0.7V左右，因此化学稳定性很差。CN 101856724 A公开的镁合金成型方法严格要 求材料化学成分（质量分数）为：Mg 95. 0 %?97. 0 %，Al 2. 50 %?3. 50 %，Zn 0· 60 %? I. 40%，Mn 0· 20%?I. 0%，Si < 0· l%，Fe < 0· l%，Cu < 0· 05%，其中 Mg 的标准电极电 位为-2. 37V，Fe的标准电极电位为-0. 440V，Al的标准电极电位为-I. 66V，Zn的标准电极 电位为-0. 763V，Cu的标准电极电位为0. 337V，Si的标准电极电位为-0. 26V，Mn的标准电 极电位为-I. 18V。以上元素的标准电极电位均高于Mg,因此有助于提高镁合金的化学稳定 性。SLM成形纯镁的难点在于，我们利用纯度为99. 5%镁粉，不添加其他元素，纯镁化学稳 定性很差。另外，由于纯镁特别容易被氧化，对成形仓的氧气含量及其敏感。需要在成型室 内通入氩气保护气氛，降低氧气含量。CN 101856724 A公开的镁合金成型方法，严格要求成 型室内的氧浓度控制在5?IOppm的浓度范围内，即氧浓度控制在0. 0005%?0. 001%。
【发明内容】
[0003] 本发明针对镁塑性加工困难，而目前还没有成功实现纯镁块体的选区激光熔化成 型的现状，通过大量理论和试验研究，提供一种纯镁块体的选区激光熔化成型方法，利用该 方法制备的纯镁块体相对密度高（相对密度=块体密度/理论密度），具有工业应用前景， 使金属镁产品的选区激光熔化成型制造成为可能。
[0004] 本发明所述的一种纯镁块体的选区激光熔化成型方法，包括以下步骤：
[0005] 第一步，将镁粉装入激光成型设备（型号为EOS M280)的密封舱内，通入氩气进行 保护；
[0006] 第二步，当密封舱内的含氧量低于0. 1 %时，用刮刀将一层镁粉均匀铺在镁合金基 板上，镁粉纯度为99. 5% (重量百分数）；
[0007] 第三步，采用Yb-fibre激光器中发射出功率80?100W的激光束照射在镁粉末 上，形成一个直径为〇. 09?0. 12mm的圆形光斑；当激光器的功率小于80w时，由于输入能 量太低，镁粉末不能被加热到足够的温度，熔化不充分，不能得到足够致密的纯镁块体。当 功率大于IOOw时，输入能量过高，局部温度快速升高，甚至导致镁粉的明显气化（熔点低， 吸收过多能量），使得成型件孔隙率增加、残余应力过大，成型块体很脆而无法使用。激光束 的圆形光斑直径过小会导致能量密度过大，容易引起明显的气化。而激光束的圆形光斑直 径过大，导致能量密度过低，不能使镁粉充分熔化。
[0008] 第四步，激光束按扫描照镁粉层，根据预先设定的纯镁块体尺寸和形状对镁粉末 进行扫描，扫描间隔均为〇. 1_，使被扫描的镁粉末发生熔化，而后由于热量迅速向周围镁 粉末和基板散失而快速凝固；每层只需进行一次激光扫描；
[0009] 第五步，不断重复上述第二步、第三步和第四步，直到被激光扫描的镁粉末达到预 先设定的纯镁块体尺寸和形状。
[0010] 所述的一种纯镁块体的选区激光熔化成型方法，其采用的激光束扫描速度为 0. 08?0. 12m/s。当激光束扫描速度低于0. 08m/s时，由于扫描速度过慢，导致激光束扫描 于一定区域时注入能量越多，激光作用时间较长，基体因热传导而升温，导致熔池冷却速度 减慢，晶粒变得越粗大，而且金属镁在高温下的时间过长，氧化加剧；因此成型性恶化甚至 不能成型。当扫描速率高于〇. 12m/s，激光束的作用时间短，不能使扫描区域内的粉末充分 熔化，也难以成型。
[0011] 所述的一种纯镁块体的选区激光熔化成型方法，其特征是：铺镁粉层的厚度为 0. 02?0. 05mm。铺镁粉层的厚度过小，激光扫描时热影响区深度增加，冷却速度减慢，氧化 严重，难以成型，并且降低生产效率。铺镁粉层的厚度过大，激光无法将该层镁粉充分熔化， 成型件致密度下降甚至无法成型。
[0012] 在激光成型设备的密闭舱体内通入氩气进行保护，利用刮刀将镁粉分层铺平在 镁合金基板上；每铺上一层后，根据预先设定的形状和尺寸，利用激光束对需要成型的镁粉 末进行扫描，使这部分镁粉末迅速熔化并快速凝固成一个薄片，然后再铺下一层镁粉末并 进行激光扫描；该过程不断重复，快速凝固的薄片层层叠加并产生冶金结合，从而通过增材 制造的方式得到三维纯镁块体。
[0013] 本发明解决了镁塑性加工困难，而目前还没有成功实现纯镁块体的选区激光熔化 成型的问题，利用本发明制备的纯镁块体相对密度高可以达到95%以上；由于成型只需要 成型室氧含量在〇. 1%以下，从而更容易降低成型成本；本发明具有工业应用前景，使金属 镁产品的选区激光熔化成型制造成为可能。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
[0015] 实施例1 :
[0016] 用粒度为-400目、纯度99. 5%制备尺寸为IOmm(宽）X15mm(长）X15mm(高）的 纯镁块体，其具体工艺步骤是：
[0017] 第一步，将金属镁粉装入型号为EOS M280的激光成型设备的密封舱内，通入氩气 进行保护；
[0018] 第二步，当密封舱内的含氧量低于0. 1 %时，用刮刀将镁粉均匀铺在镁合金基板 上，镁粉厚度为〇.〇3mm;
[0019] 第三步，激光器中发射出80W功率的激光束照射在镁粉末上，形成一个圆形的光 斑，光斑直径0. 09mm ;
[0020] 第四步，激光束按照一定方向，并且按照0.08m/s的速度移动，对镁粉末进行扫 描，扫描间隔〇. 1mm，扫描范围为10X 15mm2,被扫描的镁粉末发生烙化并快速凝固；
[0021] 第五步，不断重复上述第二步、第三步和第四步，直到被激光扫描的粉末高度达到 15_，即铺粉500层。
[0022] 由以上步骤成型的金属纯镁块体，将其粗糙表面磨去，打磨抛光至光亮的镜面状， 用阿基米德排水法，测得其相对密度为96. 2%。
[0023] 实施例2-7所用的金属镁粉纯度均为99. 5 %，其实施步骤与实施例1相同，具体工 艺参数及块体致密度见表1。
[0024] 表1实施例2-7的工艺参数及块体致密度
[0025]
【主权项】
1. 一种纯镁块体的选区激光熔化成型方法，包括以下步骤： 第一步，将镁粉装入激光成型设备的密封舱内，通入氩气进行保护； 第二步，当密封舱内的含氧量低于0.1%时，用刮刀将一层镁粉均匀铺在镁合金基板 上，镁粉纯度为99. 5%; 第三步，采用Yb-fibre激光器中发射出功率80~100W的激光束照射在镁粉末上，形成 一个直径为〇. 09~0. 12mm的圆形光斑； 第四步，激光束按扫描照镁粉层，根据预先设定的纯镁块体尺寸和形状对镁粉末进行 扫描，扫描间隔均为〇. 1_，使被扫描的镁粉末发生熔化，而后由于热量迅速向周围镁粉末 和基板散失而快速凝固；每层只需进行一次激光扫描； 第五步，不断重复上述第二步、第三步和第四步，直到被激光扫描的镁粉末达到预先设 定的纯镁块体尺寸和形状。
2. 根据权利要求1所述的一种纯镁块体的选区激光熔化成型方法，其特征是：采用的 激光束扫描速度为〇. 08~0. 12m/s。
3. 根据权利要求1所述的一种纯镁块体的选区激光熔化成型方法，其特征是：铺镁粉 层的厚度为〇. 02~0. 05mm。
4. 根据权利要求1所述的一种纯镁块体的选区激光熔化成型方法，其特征是：所述的 镁粉粒度为-400目到-250目。
【专利摘要】本发明涉及一种纯镁块体的选区激光熔化成型方法，包括以下步骤：第一步，将镁粉装入激光成型设备的密封舱内，通入氩气进行保护；第二步，用刮刀将一层镁粉均匀铺在镁合金基板上，镁粉纯度为99.5%；第三步，激光器中发射出一定功率的激光束照射在粉末上，形成一个一定直径的圆形光斑；第四步，激光束按照一定速度和方向移动，根据预先设定的纯镁块体尺寸和形状对镁粉末进行扫描，扫描间隔均为0.1mm，使被扫描的粉末发生熔化，而后由于热量迅速向周围镁粉末和基板散失而快速凝固；第五步，不断重复上述第二步、第三步和第四步，直到末达到预先设定的纯镁块体尺寸和形状。本发明制备的纯镁块体相对密度高，使纯镁产品的选区激光熔化成型制造成为可能。
【IPC分类】B22F3-105
【公开号】CN104525946
【申请号】CN201510022794
【发明人】王勇, 程龙, 胡东, 乔丽英, 张丁非, 傅广
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2015年1月16日