专利名称：一种难熔金属零部件的近净成形方法
技术领域：
本发明属于快速成形技术与粉末烧结复合成形领域，具体为一种近净成形难熔金属零件的方法。
背景技术：
难熔材料是以钨、钥等难熔金属或添加一定的其他元素而构成的一种纯金属或合金材料。与传统合金材料相比，难熔材料的典型特点是熔点高，通常在3000°C左右，因此难于进行铸造加工且冶炼困难，多采用粉末冶金的方法加工成形。近年来，难熔材料零件由于其优异的性能已经得到了非常广泛的应用；以钨基合金为例，具有以下优良性能，如密度高、抗拉强度好、延性好、具有良好的吸收射线的能力、良好的导电性能、导热性及较低的热膨胀系数，良好的耐腐蚀性与抗氧化性，良好的可焊接性和良好的机加工特性等。可用作防 辐射屏蔽材料和Y射线刀、导航仪的陀螺转子，配重螺钉、调整片以及电铆中的铆钉材料，电火花加工用电极材料，点焊中的点焊材料，高压开关的电接触材料等等。粉末冶金(Powder Metallurgy, PM)是一种常见的难熔金属零件的成形方法。其具体过程是将高熔点金属粉末与添加元素进行均匀混合，置于模具内进行压制，再进行烧结工艺处理，在烧结过程中低熔点粉末颗粒熔化粘结难熔金属粉末，并在烧结过程中形成低熔点二元以及三元相从而形成以难熔金属粉末为骨架以低熔点金属粉末为粘结相的难熔烧结体。该成形方法可以生产W、Mo或其他合金难熔体。因此利用该技术可以制造出难熔金属零件。为进一步提高合金物理化学性能，还可加入特殊元素进行改性。但是利用粉末冶金液相烧结法成形各种难熔材料零部件时，存在以下问题
(I)粉末冶金液相烧结法难以直接成形出任意复杂形状的零件。难熔材料的应用中如需要某种复杂形状，粉末冶金液相烧结法则因工艺受限无法直接成形。实际生产中往往需要机械加工以及后续处理，这种方法不仅工艺繁琐，生产效率低，而且还造成了材料的浪费。(2)粉末冶金液相烧结法需要使用模具进行成形，加工完成后需要将零件从模具中脱除，因此模具的设计与烧结工艺控制等环节至关重要，工艺控制困难，稍有偏差就会影响零件的尺寸精度。钨合金，特别是其中的W-Ni-Fe合金具有诸如高密度、高强度、高延性、高导热性和低膨胀率、良好电性等一系列优良物理和力学性能，因而广泛地被应用于航空航天、军事工业、电器仪表工业、压力铸造工业等领域[1-2]。由于钨的熔点高达3410°C，因此该合金无法采用铸造方法成形。二十世纪九十年代以前，该体系合金材料的成形基本靠传统粉末冶金(PowderMetallurgy, PM)方法来实现，即零件制造需要经过以下必要的步骤混粉、压制、预烧、液相烧结、热处理、毛坯机械加工、冷加工(旋锻)、时效、机械加工。通过传统PM方法成形的W-Ni-Fe合金往往形状简单，仍需要进行必要的机械加工才能成为最终使用的零件，势必造成工艺的繁琐和较大的浪费。传统PM工艺中的液相烧结是靠混合粉末中的低熔点成分(Ni和Fe)在相对钨熔点较低温度下形成液相而实现致密化。而且据研究表明，当液相量在3(T35Vol/%时，完全致密化才有可能。液相烧结过程中液体量(由Ni、Fe粘结相产生)直接影响合金的孔隙率，从而最终影响合金的综合性能。因此，采用传统PM方法成形W-Ni-Fe合金零件时，烧结液相量、零件致密化和零件综合性能三者之间产生了相互制约和相互矛盾的关系，而且烧结零件容易产生坍塌和变形，局限了其进一步发展。二十世纪九十年代中期出现了粉末注射成形(Powder Injection Molding, PIM)技术，可以制备具有复杂三维结构的W-Ni-Fe合金精细零部件，由此拓宽了钨合金在民用工业和军工行业中的应用领域。但PM依然没有脱离传统PM的液相烧结致密化原理，且存在着如下缺欠(1)脱脂烧结前，零件毛坯的致密度低；(2)毛坯脱脂过程中易出现鼓泡、弯曲、开裂、坍塌等缺陷，目前只适合制备小零件；(3)整个过程需要模具支持，因此无法制造结构极其复杂的零件，如曲面叶轮、三维网格结构零件等，而且所需模具价格昂贵。 近年来出现利用SLM快速成形系统和激光器扫描的办法实现合金材料零部件的近净加工，极大方便了合金材料零部件的成型，但现有的加工方法的加工机理在于与传统PM工艺中的液相烧结相同，即激光器扫描切片时，混合粉末中的低熔点成分(Ni和Fe)在相对钨熔点较低温度下形成液相而实现致密化。在瞬时熔化的条件下，低熔点成分造成的液相量几乎达不到3(T35Vol/%的技术指标，因而而SLM快速成形系统和激光器扫描的办法最终影响合金的综合性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种难熔金属零部件的近净成形方法，该方法无需模具，具有工艺过程可控性强，无需后处理，简单易行、可制造复杂形状的特点。本发明的方法制造W-Ni-Fe合金零件的科学意义在于能够省去传统PM成形方式的复杂(成形工艺繁琐)耗时(烧结温度高，时间长)的过程及弥补SLM方法液相量达不到致密化3(T35Vol/%的技术指标，而不能完全发挥出合金的综合性能的技术不足，本发明将成形过程控制在几十微米的单元结构内，更有利于零件致密化。直接由零件CAD模型文件制造致密合金零件，并且能任意提高零件的复杂度，不受现有模具设计复杂度的限制，更进一步拓宽钨合金在民用工业和军工行业中的应用领域，从而实现零件的个性化设计与制造。本发明实现发明目的采用的技术方案是；该方法由以下步骤实现
步骤I、采用三维造型软件设计出零件的CAD模型，然后由切片处理软件生成多层切片信息并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到SLM快速成形系统；
步骤2、送粉机构在工作平台上平铺一层约为0. 02、. 2mm厚度的待加工色金属粉末(粒径约为I(TlOOiim)；
步骤3、采用光纤激光器扫描切片，并将步骤2平铺的待加工色金属粉末全部熔化，其中扫描速度为5(Tl000mm/s ；
步骤4、重复上述步骤(2)- (3)，直到整个零件加工结束。本发明的有益效果是，将选择性激光熔化(SLM)快速成形技术与粉末烧结成形结合起来，这种复合方法具有以下优点
本项目成形W-Ni-Fe粉末制造零件不同于以往激光成形和传统PM以及PIM的制造过程，主要区别在以下几个方面，即本项目的创新之处
(I)采用高功率高能量密度光纤激光，能量易为金属粉末颗粒吸收，成形温度可达到接近FeNi沸点，远高于现有粉末冶金方法烧结温度，有利于粉末合金化，并提高FeNi与W相的结合力。(2)光纤激光较通常采用的二氧化碳激光的光斑更细微，直径仅为其十分之一左右，成形单元被控制在微小范围内，更有利于液体的填充和成形致密化。(3) SLM过程中产生的表面张力流、液体搅动，并且由于成形单元微小而产生瞬间凝固现象能够有效抑制合金晶粒长大，从而提高合金的综合性能。
(4)综合上述三点创新，结合SLM成形复杂结构零件的特点，本项目能够制造出具有高性能复杂结构的W-Ni-Fe合金零件。
具体实施例方式 一种难熔金属零部件的近净成形方法，该方法借助于SLM快速成形系统和激光器扫描切片实现整个零件加工成型，该方法由以下步骤实现
步骤I、采用三维造型软件设计出零件的CAD模型，然后由切片处理软件生成多层切片信息并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到SLM快速成形系统。步骤2、送粉机构在工作平台上平铺一层约为0. 02、. 2mm厚度的待加工色金属粉末(粒径约为l(Tl00iim)。步骤3、采用光纤激光器扫描切片，并将步骤2平铺的待加工色金属粉末全部熔化，其中扫描速度为5(Tl000mm/s。通过光纤激光对所选择区域的难熔金属粉末进行扫描，形成温度极高的液相熔池，通过高能量密度的激光快速融化一快速凝固作用，使松散粉末形成致密的烧结体。这一加工过程比传统的粉末冶金工艺成形出的零件具有更高的密度，并可通过成形工艺参数调整熔池的三维几何形状，以控制成型零件的致密化程度。步骤4、重复上述步骤(2)- (3)，直到整个零件加工结束。由于工艺参数具有灵活的可控性，可以形成不同温度影响区域和极限温度范围，因而该复合成形法所涉及的成形材料成分较传统粉末冶金广泛。工艺过程简单，避免了传统的机加工，节省材料。本发明实施例中，光纤激光器可以为激光功率大于等于200W的YAG激光器。下面对本发明的具体过程作进一步详细的阐述
(I)每一层制造过程中，激光束对轮廓边界和内部的难熔金属粉末进化熔化，通过控制温度场对难熔金属粉末进行烧结。(2)重复上述过程，多层加工结束后，即可成形出具有一定形状、一定强度的难熔金属零件，对难熔金属粉末进行SLM烧结致密化控制的方法有以下两种。(a)粉末成分控制与传统粉末冶金工艺相似，在难熔金属粉末中加入低熔点金属粉末，考虑粉末的互溶度和液相表面张力，形成有利于致密化过程的低熔点相，保证难熔烧结体的成形性。(b)工艺参数控制在SLM加工中，由于激光光斑聚焦在部分区域，在这一特殊区域可形成极高温度的熔池，达到极高的温度3500°C)，熔池的温度能接近甚至超过难熔金属的熔点，将难熔金属粉末熔化从而形成致密的烧结体。难熔金属零件可以采用以下具体步骤成形
(I)采用三维造型软件设计出零件的CAD模型，然后由切片处理软件生成多层切片信息并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到SLM快速成形系统。(2)送粉机构在工作平台上平铺一层约为0. 02、. 2mm厚度的待加工粉末(粒径约为 10^100u m)o(3)采用激光功率大于等于200W的YAG激光器或光纤激光器扫描切片并使难熔金属粉末熔化，其中扫描速度为5(Tl000mm/S。(4)重复上述步骤(2) - (3)，直到整个零件加工结束。本发明的实质是将选择性激光熔化(SLM)技术与粉末烧结技术相结合。利用SLM技术可以在金属粉床中形成极高的温度场，根据CAD设计的复杂形状切片，成形出具有任意复杂形状的难熔金属零件。实例I
(I)利用三维造型软件(如UG、Pix)/E等)设计出难熔零件的CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输入到SLM快速成形系统。(2)由送粉机构在金属基板上平铺一层约为0. 02、. 2mm厚度的W-Ni混合粉末(其中W质量分数彡80%，粒径约为10 100 u m)。
(3)采用激光功率为200W的YAG激光器或光纤激光器扫描选择扫描路径后的切片，使难熔混合金属粉末熔化，其中扫描速度为10(T300mm/S。(4)重复上述步骤(2)- (3)，直到整个零件的外壳加工结束，此时W-Ni难熔金属复杂金属零件SLM加工完成。(5)最后，对成形出的W-Ni难熔合金复杂零件进行后续加工(如抛光、熔渗等)，使零件的尺寸和形状满足零件要求。实例2
(I)利用三维造型软件(如UG、Pix)/E等)设计出难熔零件的CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输入到SLM快速成形系统。(2)由送粉机构在金属基板上平铺一层约为0.05、. 15mm厚度的钨粉(粒径约为
10^100um)o(3)采用激光功率为200W的YAG激光器或光纤激光器扫描选择加工路径后的切片，使钨粉末熔化，其中扫描速度为5(Tl000mm/S。(4)重复步骤(2)- (3)，直至具有一定复杂形状的钨金属零件加工完成。(5)将所得到的具有复杂形状的钨金属零件过机械抛光等步骤后处理，即可以得到具有一定复杂形状和尺寸的纯钨难熔金属零件。以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1.一种难熔金属零部件的近净成形方法，该方法借助于SLM快速成形系统和激光器扫描切片实现整个零件加工成型，其特征在于该方法由以下步骤实现 步骤I、采用三维造型软件设计出零件的CAD模型，然后由切片处理软件生成多层切片信息并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到SLM快速成形系统； 步骤2、送粉机构在工作平台上平铺一层约为0. 02、. 2mm厚度的待加工金属粉末(粒径约为 I(TlOOiim)； 步骤3、采用光纤激光器扫描切片，并将步骤2平铺的待加工色金属粉末全部熔化，其中扫描速度为5(Tl000mm/s ； 步骤4、重复上述步骤(2)- (3)，直到整个零件加工结束。
2.根据权利要求I所述的一种难熔金属零部件的近净成形方法，其特征在于光纤激光器可以为激光功率大于等于200W的YAG激光器。
全文摘要
一种难熔金属零部件的近净成形方法，解决PM成形方式的复杂、耗时及弥补SLM方法液相量达不到致密化30~35Vol/%的技术指标，而不能完全发挥出合金的综合性能的技术不足，采用的方法是，1、采用三维造型软件设计出零件的CAD模型，然后由切片处理软件生成多层切片信息并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到SLM快速成形系统；2、送粉机构在工作平台上平铺一层约为0.02~0.2mm厚度的待加工金属粉末(粒径约为10~100μm)；3、采用光纤激光器扫描切片，并将步骤2平铺的待加工色金属粉末全部熔化，其中扫描速度为50~1000mm/s；4、重复上述步骤(2)(3)，直到整个零件加工结束。有益效果是粉末合金化，并提高合金的结合力，更有利于液体的填充和成形致密化，从而提高合金的综合性能。
文档编号B22F3/00GK102773479SQ20121023134
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月5日 优先权日2012年7月5日
发明者刘华南, 刘锦辉, 吴桐, 肖胜兵, 谢文娟 申请人:黑龙江科技学院