用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法，包括以下步骤：(a)根据结构件的几何特征(面积S、壁厚H、形状P)与精度要求，将各层几何模型划分成若干个区域，确定不同区域的扫描方法，所述扫描方法包括回字形、条纹形与棋盘形；(b)成型扫描：依次完成各层中不同区域的扫描、实现结构件成型；(c)外表面扫描：对成型的结构件外表面进行第二次扫描，实现结构件外表面的快速修复与热处理；本发明通过对各切片层进行分区，并选择不同的扫描方法，有效的避免了因热量集中引起的应力变形与开裂问题，提高了高温合金激光快速成型结构件的力学性能和表面精度。
【专利说明】用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属粉末熔化成型【技术领域】，涉及一种用于高温合金结构件快速成型 的激光扫描方法。
【背景技术】
[0002] 高温合金具有熔点高、高温强度高、低蒸汽压、低的膨胀系数以及在许多介质中的 耐蚀性好等一系列优良特性，广泛应用于武器装备、医疗器械和通讯发射装备等领域。但是 高温合金的成形性能差，限制了其应用范围的扩大。目前，高温合金大多采用粉末冶金成 形，这种成形工艺需要昂贵的工装模具、工艺过程复杂，难以成形三维结构复杂的零件。因 此，开发高温合金的先进成形技术已成为研究热点之一。激光快速成形作为一种新型的成 形技术具有制造过程柔性程度高、制件的力学性能和化学性能优异、可实现组分连续变化 的梯度功能材料的制造、产品的尺寸大小和复杂程度对加工难度影响很小等特点。因此，激 光快速成形技术在高温合金成型中具有广阔的应用前景。
[0003] 高温合金激光快速成型的熔池温度高且热量分布集中，极易造成变形、开裂等缺 陷。用激光进行复杂曲面的成形过程中，激光扫描方法（包括扫描路径、激光功率、扫描速 度、扫描点距、扫描间距等）的变化对扫描成形的影响作用较复杂，随着扫描方法的改变将 导致熔池热量分布的改变以及残余应力分布的改变，继而影响最终的成形结果。因此，激光 加热三维成形是一个非常复杂的成形过程。激光扫描方法及工艺参数的自动规划一直是难 以解决的问题，这已经成为制约该技术发展的瓶颈。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种改善熔池热量分布情况，可有效避免变形、 开裂缺陷的用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法。
[0005] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于高温合金结构件快速成型 的激光扫描方法，包括以下步骤：
[0006] (a)根据结构件的几何特征（面积S、壁厚H、形状P)与精度要求，将各层几何模 型划分成若干个区域，确定不同区域的扫描方法，所述扫描方法包括回字形、条纹形与棋盘 形；
[0007] (b)成型扫描：依次完成各层中不同区域的扫描，实现结构件成型；
[0008] (c)外表面扫描：对成型结构件外表面进行第二次扫描，实现结构件外表面的快 速修复与热处理。
[0009] 进一步，所述步骤（a)中扫描方法的选择原则为：
[0010] ①扫描区域面积s < 0. 2_2,或扫描区域结构件厚度Η < 0. 5_，采用"回"字形扫 描方法；②当〇· 2mm2 < S < 1. 0mm2,或0· 5mm < Η < 5mm，采用条纹形扫描方法；③当S > 1. 0mm2,或Η > 5_，采用棋盘形扫描方法。
[0011] 进一步，所述步骤（b)中结构件成型扫描的功率为200W?400W，扫描速度为 600mm/s?1000mm/s，扫描点距20 μ m?50 μ m，扫描间距0· 1mm?0· 5mm ;所述步骤（c) 中结构件外表面扫描的功率为150W?200W，扫描速度为1000mm/s?1500mm/s，扫描点距 10 μ m ?30 μ m,扫描间距 0. 05mm ?0. 2mm。
[0012] 进一步，高温合金粉末的粒径范围为10?50 μ m，在激光快速成型设备中基板上 铺设的层厚为20?50 μ m。
[0013] 进一步，激光快速成型设备中激光波长范围为300nm?10.6 μ m。
[0014] 进一步，激光快速成型过程中选用氩气作为保护气体。
[0015] 进一步，作为结构件的高温合金为铁基高温合金、镍基高温合金、钴基高温合金、 钨合金及钛合金中的一种或几种。
[0016] 本发明的有益效果在于：本发明改进了传统的扫描方法，通过对各切片层进行分 区，并针对各区域选择不同的扫描方法，改变了合金粉末熔化过程中的热量分布情况，有效 避免了因热量集中引起的应力变形与开裂问题，显著提高了高温合金激光快速成型结构件 的力学性能和表面精度；工艺过程简单，可控程度高，适于推广和应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行 说明：
[0018] 图1为本发明中扫描方法示意图。
【具体实施方式】
[0019] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0020] 本实施例的用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法，包括以下步骤：
[0021] (1)利用三维造型软件建立结构件三维几何模型；然后由切片软件处理，生成多 层切片信息后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到激光快速成型设备；
[0022] (2)根据结构件的几何特征（面积S、壁厚H、形状P)与精度要求，将几何模型的各 层切片划分成若干个区域，确定不同区域的扫描方法，所述扫描方法包括回字形、条纹形与 棋盘形；
[0023] 扫描方法的选择原则为：①扫描区域面积S < 0. 2_2,或扫描区域结构件厚度Η < 0· 5mm，采用"回"字形扫描方法；②当0· 2mm2 < S < 1. 0mm2,或0· 5mm < Η < 5mm，采用 条纹形扫描方法；③当S > 1. 0mm2,或Η > 5mm，采用棋盘形扫描方法。
[0024] (3)将高温合金粉末平铺在激光快速成型设备的基板上，粉末的粒径范围为10? 50 μ m，在基板上铺设的层厚为20?50 μ m。
[0025] (4)控制激光器的扫描速度扫描烙化待加工粉末，包括两次扫描过程，第一次为成 型扫描，第二次为外表面扫描，具体的扫描过程与控制方法如下：
[0026] 成型扫描：依次完成各切片层中不同区域的扫描，实现结构件成型；激光器的扫 描功率为200W?400W，扫描速度为600mm/s?1000mm/s，扫描点距20 μ m?50 μ m，扫描间 距 0· 1mm ?0· 5mm ；
[0027] 外表面扫描：对已成型的结构件外表面进行扫描，实现结构件外表面的快速修复 与热处理；激光器的扫描功率为150W?200W，扫描速度为1000mm/ S?1500mm/s，扫描点距 10 μ m ?30 μ m,扫描间距 0. 05mm ?0. 2mm ;
[0028] 其中，激光波长范围为300nm?10. 6 μ m，保护气体为氩气。
[0029] (5)按分层信息逐层循环铺粉与熔化，即循环步骤（3)与步骤（4)，直至堆积成型。 实现熔池热量的均匀分布，消除因熔池热量分布集中所引发的成型件变形与开裂缺陷。
[0030] 本实施例所述的快速成型方法可用于金属零部件三维成型，如粉末床激光烧结 成型、激光近净成型、大型激光烧结成型等；材料选择上，适用于可在高温条件下（600°C以 上）承受较大复杂应力、且具有较强表面稳定性的高合金化金属材料，如铁基高温合金、镍 基高温合金、钴基高温合金、钛合金及鹤合金中的一种或几种。
[0031] 实施例一
[0032] 某高温合金切片层划分为Al、Bl、C1三个区域，其中A1区域面积S为0. 15mm2， 采用"回"字形扫描方法，B1区域面积S为0. 5mm2,采用条纹形扫描方法，Cl区域面积S为 2. 0_2,采用棋盘形扫描方法；
[0033] 粉末的粒径为20 μ m，层厚为50 μ m ;
[0034] 成型扫描时激光器的扫描功率为200W，扫描速度为600mm/s，扫描点距20 μ m，扫 描间距0. lm ;外表面扫描时激光器的扫描功率为150W，扫描速度为1000mm/s，扫描点距 1〇4 111，扫描间距0.05111111;
[0035] 激光波长范围为980nm，保护气体为氦气。
[0036] 实施例二
[0037] 某高温合金切片层划分为A2、B2、C2三个区域，其中A2扫描区域结构件厚度Η为 0. 4mm2,采用"回"字形扫描方法，Β2扫描区域结构件厚度Η为1. 0mm2,采用条纹形扫描方 法，C2扫描区域结构件厚度Η为6mm2,采用棋盘形扫描方法；
[0038] 粉末的粒径为25 μ m，层厚为45 μ m ;
[0039] 成型扫描时激光器的扫描功率为250W，扫描速度为700mm/s，扫描点距30 μ m，扫 描间距0. 2m;外表面扫描时激光器的扫描功率为160W，扫描速度为1100mm/s，扫描点距 15 μ m，扫描间距0.06mm;
[0040] 激光波长范围为1. 07 μ m，保护气体为氦气。
[0041] 实施例三
[0042] 某高温合金切片层划分为A3、B3、C3三个区域，其中A3区域面积S为0. 1mm2,采用 "回"字形扫描方法，B3区域面积S为0. 8mm2,采用条纹形扫描方法，C3区域面积S为3. 0mm2， 采用棋盘形扫描方法；
[0043] 粉末的粒径为30 μ m，层厚为45 μ m ;
[0044] 成型扫描时激光器的扫描功率为400W，扫描速度为1000mm/S，扫描点距50μπι， 扫描间距〇. 5m ;外表面扫描时激光器的扫描功率为200W，扫描速度为1500mm/s，扫描点距 30 μ m，扫描间距0· 2謹；
[0045] 激光波长范围为9. 6 μ m，保护气体为氦气。
[0046] 实施例四
[0047] 某高温合金切片层划分为A4、B4、C4三个区域，其中A4扫描区域结构件厚度Η为 0. 3mm2,采用"回"字形扫描方法，Β4扫描区域结构件厚度Η为2. 0mm2,采用条纹形扫描方 法，C4扫描区域结构件厚度Η为10mm2,采用棋盘形扫描方法；
[0048] 粉末的粒径为45 μ m，层厚为40 μ m ;
[0049] 成型扫描时激光器的扫描功率为300W，扫描速度为800mm/s，扫描点距35 μ m，扫 描间距0. 3m;外表面扫描时激光器的扫描功率为180W，扫描速度为1300mm/s，扫描点距 2(^111，扫描间距0.1謹；
[0050] 激光波长范围为10. 6 μ m，保护气体为氦气。
[0051] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通 过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在 形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
【权利要求】
1. 一种用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法，其特征在于包括以下步骤： (a) 根据结构件的几何特征（面积S、壁厚H、形状P)与精度要求，将各层几何模型划分 成若干个区域，确定不同区域的扫描方法，所述扫描方法包括回字形、条纹形与棋盘形； (b) 成型扫描：依次完成各层中不同区域的扫描、实现结构件成型； (c) 外表面扫描：再对成型的结构件外表面进行扫描，实现结构件外表面的快速修复 与热处理。
2. 根据权利要求1所述的用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法，其特征在 于：所述步骤（a)中扫描方法的选择原则为： ① 扫描区域面积S < 0. 2_2,或扫描区域结构件厚度Η < 0. 5_，采用"回"字形扫描方 法； ② 当0. 2mm2 < S < 1. 0mm2,或0. 5mm < Η < 5mm，采用条纹形扫描方法； ③ 当S > 1. 0mm2,或Η > 5mm，采用棋盘形扫描方法。
3. 根据权利要求1所述的用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法，其特征在 于：所述步骤（b)中结构件成型扫描的功率为200W?400W，扫描速度为600mm/s?1000mm/ s，扫描点距20 μ m?50 μ m，扫描间距0· 1mm?0· 5mm ;所述步骤（c)中结构件外表面扫描 的功率为150W?200W，扫描速度为1000mm/s?1500mm/s，扫描点距10 μ m?30 μ m，扫描 间距0· 05mm?0· 2臟。
4. 根据权利要求1所述的用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法，其特征在 于：高温合金粉末的粒径范围为10?50 μ m，在激光快速成型设备中基板上铺设的层厚为 20 ?50 μ m〇
5. 根据权利要求1所述的用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法，其特征在 于：激光快速成型设备中激光波长范围为300nm?10. 6 μ m。
6. 根据权利要求1所述的用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法，其特征在 于：激光快速成型过程中选用氩气作为保护气体。
7. 根据权利要求1所述的用于高温合金结构件快速成型的激光扫描方法，其特征在 于：作为结构件的高温合金为铁基高温合金、镍基高温合金、钴基高温合金、钨合金及钛合 金中的一种或几种。
【文档编号】B22F3/105GK104084584SQ201410363341
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】王林志, 范树迁 申请人:中国科学院重庆绿色智能技术研究院