一种钢/铝异种金属零件激光沉积增材制造方法与流程

本发明属于激光增材制造技术领域，具体涉及一种钢/铝异种金属零件激光沉积增材制造方法，该方法尤其适用于各种复杂形状钢/铝异种金属零件的激光增材制造。

背景技术：

钢和铝合金作为现代工业中应用最广泛的两种金属材料，钢/铝异种金属复合结构零件可以充分发挥各自优势性能，具有轻质、高强、耐腐蚀等综合优势，而且可以降低零件整体设计制造成本,实现零件的结构功能一体化，受到了越来越多地重视。例如，火箭发动机的阀门和导管、汽车的车身骨架、船舶的上层建筑等均已采用钢/铝异种金属复合结构设计。钢/铝复合结构零件在各领域的应用潜力，取决于钢/铝异种金属高质量连接。

迄今为止，钢/铝异种金属的连接主要还是采用铆接、螺栓、轧制等机械连接技术。机械连接不仅生产效率低、工艺操作复杂、密封性差，而且不能实现钢和铝之间高强度的冶金结合，除此之外，机械连接一般采用搭接结构，浪费原材料，不利于结构轻量化。焊接技术由于可以实现金属冶金结合，现阶段涉及钢/铝异种金属连接的方法呈多样化，各具特色，大致可分为钎焊、固相焊、熔化焊和熔-钎焊等四大类。但是，受零件或构件尺寸、形状和装配要求以及焊接制造方法本身的限制，以及钢和铝合金的物理性能(熔点、密度、热导率、线膨胀系数等)的较大差异、极易形成脆性金属间化合物及互溶性等问题，对于复杂形状和高性能要求的钢/铝异种金属零件采用焊接技术进行制造存在难度，严重制约了钢/铝异种金属零件在工业领域更广泛的应用。

激光沉积(Laser Deposition，LD)增材制造技术是通过激光熔化同步输送的原材料，逐层堆积而实现增材制造，可以精确调控能量输入、加热位置、材料成分等，实现各种复杂形状金属零件的高质量激光自由成形制造。激光沉积增材制造技术由于具有逐点连续添加材料进行成形的特点，可以通过改变输送材料的成分、速度和制造工艺参数条件，使成形零件在不同部位具有不同的成分和性能，进而实现材料-结构-功能的一体化设计和制造，在制造异种金属零件方面具有高效率、低成本、高性能质量等特有优势。因此，研究开发钢/铝异种金属零件激光熔化沉积增材制造方法具有重要的实用价值和广阔的应用前景。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术中存在的缺陷，提供了一种钢/铝异种金属零件激光沉积增材制造方法，技术方案如下：

一种钢/铝异种金属零件激光沉积增材制造方法，本方法通过钢/铝异种金属渐进地一步连续成形或在钢成型件基体上增材制造铝合金工艺，实现复杂结构的钢/铝异种金属零件的一体化增材制造；具体步骤如下：

a.根据沉积的目标钢选择合适的基体，激光通过激光器的激光沉积增材制造头进行聚焦和调整，使其熔化送料装置输送的激光沉积送料，在基体上沉积钢部分；

b.已激光沉积成形的钢不发生熔化，激光沉积液态铝合金润湿固态的钢与钢相互扩散实现连接，形成扩散连接界面层；

c.继续进行铝部分的激光沉积增材制造至完成整个钢/铝异种金属零件。

在所述步骤b中可以根据不同类型的钢和铝合金选择添加过渡层或者无过渡层；

当所制造的钢和铝合金具有较好的润湿性时选择无过渡层；

当所制造的钢和铝合金具有较差的润湿性时选择添加过渡层。

当钢和铝合金之间选择无过渡层，激光沉积铝合金时，已激光沉积成形的钢不发生熔化，激光沉积的液态铝合金润湿固态的钢并与钢相互扩散实现连接；

当钢和铝合金之间选择添加过渡层时，先激光沉积异种金属零件的钢部分，接着激光沉积过渡层，使已激光沉积成形的钢不发生熔化，激光沉积的液态过渡层润湿固态的钢并与钢相互扩散实现连接，然后激光沉积铝合金，激光沉积第一层铝合金部分时，过渡层发生一定高度的熔化，熔化的过渡层与激光沉积的液态铝合金发生混合形成共同熔池，冷却凝固后成形铝合金部分的第一层，过渡层与铝合金部分以熔化凝固形成连接，然后进行剩余铝合金部分的激光沉积增材制造。

所述过渡层为铝-硅合金或铝-铜合金。

所述激光器可以是光纤激光器、CO2激光器、Nd：YAG激光器或半导体激光器。

所述激光沉积送料为粉末材料或丝状材料，所述送料装置为两路、四路、六路或八路。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的目的是提供一种钢与铝合金异种金属零件激光沉积增材制造方法，能够通过钢/铝异种金属渐进地一步连续成形或钢成型件基体上增材制造铝合金等工艺，实现复杂结构的钢/铝异种金属零件的一体化增材制造。该方法采用激光沉积增材制造技术，基于钢和铝合金熔点差异较大且钢和铝之间易于形成脆性金属化合物，首先激光沉积增材制造异种金属零件的钢部分，当钢/铝异种金属零件的铝合金部分是铝-硅合金时，采用扩散连接机理，保证激光沉积成形的钢不发生熔化，激光沉积的液态铝合金润湿固态的钢并与钢相互扩散实现连接；当钢/铝异种金属零件的铝合金部分与钢部分润湿性较差时，通过添加铝-硅过渡层，采用扩散连接+熔化连接机理，保证激光沉积成形的钢不发生熔化，激光沉积的液态过渡层润湿固态的钢并与钢相互扩散实现连接，接着激光沉积异种金属零件的铝合金部分时，一定高度的过渡层熔化与激光沉积的液态铝合金发生混合形成熔化连接，然后进行剩余铝合金部分的激光沉积增材制造，直至最终完成整个钢/铝异种金属零件。本发明可以按照上述方法和步骤进行钢成型件上激光沉积铝合金增材制造钢/铝异种金属零件。

附图说明

图1a-图1b是钢/铝合金异种金属零件在无过渡层的情况下连续激光沉积增材制造过程示意图；

图2a-图2c是钢/铝合金异种金属零件在有过渡层的情况下连续激光沉积增材制造过程示意图；

图3a-图3b是在钢成型件上激光沉积增材制造铝合金获得钢/铝合金异种金属零件过程示意图。

图中：

1、激光束，2、激光沉积制造头，3、送料装置，4、基体，5、钢，6、铝合金，7、扩散连接界面，8、铝-硅过渡层，9、熔化连接层，10、钢成型件。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例，进一步说明本发明的具体内容及其实施方式。

本发明的钢/铝异种金属零件激光沉积增材制造方法，包括进行钢/铝异种金属零件渐进地一步连续激光沉积增材制造或者钢成型件上激光沉积铝合金增材制造的步骤。所述的钢/铝异种金属零件渐进地一步连续激光沉积增材制造过程中，

1、先激光沉积异种金属零件的钢部分；

2、然后激光沉积异种金属零件的铝合金部分；

3、当钢和铝合金之间无过渡层，激光沉积铝合金时，已激光沉积成形的钢不发生熔化，激光沉积的液态铝合金润湿固态的钢并与钢相互扩散实现连接；当钢和铝合金之间采用铝-硅合金过渡层时，先激光沉积异种金属零件的钢部分，接着激光沉积过渡层，使已激光沉积成形的钢不发生熔化，激光沉积的液态过渡层润湿固态的钢并与钢相互扩散实现连接，然后激光沉积铝合金，激光沉积第一层铝合金部分时，过渡层发生一定高度的熔化，熔化的过渡层与激光沉积的液态铝合金发生混合形成共同熔池，冷却凝固后成形铝合金部分的第一层，过渡层与铝合金部分以熔化凝固形成连接，然后进行剩余铝合金部分的激光沉积增材制造。

钢成型件上激光沉积铝合金增材制造钢/铝异种金属零件是在机械加工(车、铣、磨等)、锻压或铸造成形的钢件上激光沉积铝合金部分，钢/铝之间可以使用如上所述的过渡层或无过渡层，采用过渡层或无过渡层进行激光沉积增材制造的方法和步骤如上所述钢/铝异种金属零件渐进地一步连续激光沉积增材制造。

如图1a-图1b是无过渡层的钢/铝异种金属零件渐进地一步连续激光沉积增材制造方法示意图，其中：图1a是异种金属零件钢部分的激光沉积增材制造示意图；图1b是异种金属零件铝部分的激光沉积增材制造示意图。针对铝-硅合金，本发明的激光沉积增材制造方法能够渐进地一步连续成形出无过渡层的钢/铝异种金属零件。

1、首先，根据沉积的目标钢选择合适的基体4，激光1通过激光沉积增材制造头2进行聚焦和调整，使其熔化送料装置3输送的丝状或粉末状原材料，在基体4上沉积钢5部分。激光参数、输送原材料的参数以及激光与送料的相对工艺参数可以激光器、送料装置和激光沉积增材制造头2进行选择、优化。

2、钢5部分激光沉积完成后，进行铝6部分激光沉积，此时已激光沉积成形的钢不发生熔化，激光沉积的液态铝合金润湿固态的钢与钢相互扩散实现连接，形成扩散连接界面层7，然后继续进行铝6部分的激光沉积增材制造至完成整个钢/铝异种金属零件。

图2a-2c是添加铝-硅过渡层的钢/铝异种金属零件渐进地一步连续激光沉积增材制造方法示意图，其中：图2a是异种金属零件钢部分的激光沉积增材制造示意图；图2b是过渡层的激光沉积增材制造示意图，图2c是异种金属零件铝部分的激光沉积增材制造示意图。针对相互润湿性较差的钢和铝合金，本发明的激光沉积增材制造方法能够渐进地一步连续成形出添加铝-硅过渡层的钢/铝异种金属零件。

1、首先，根据沉积的目标钢选择合适的基体4，激光1通过激光沉积增材制造头2进行聚焦和调整，使其熔化送料装置3输送的丝状或粉末状原材料，在基体4上沉积钢5部分。激光参数、输送原材料的参数以及激光与送料的相对工艺参数可以激光器、送料装置和激光沉积增材制造头2进行选择、优化。

2、钢5部分激光沉积完成后，进行铝-硅合金过渡层8的激光沉积，此时已激光沉积成形的钢不发生熔化，激光沉积的液态过渡层8润湿固态的钢与钢相互扩散实现连接，形成扩散连接界面7，然后进行激光沉积铝合金，激光沉积第一层铝合金部分时，过渡层发生一定高度的熔化，熔化的过渡层与激光沉积的液态铝合金发生混合形成共同熔池，冷却凝固后成形铝合金部分的第一层，过渡层与铝合金部分以熔化凝固形成熔化连接层9，最后继续进行剩余铝合金6部分的激光沉积增材制造至完成整个钢/铝异种金属零件。

图3a-3b是钢成型件上激光沉积铝合金增材制造钢/铝异种金属零件方法的示意图，其中：图3a是机械加工(车、铣、磨等)、锻压或铸造等方法获得的钢成型件示意图；图3b是钢成型件上激光沉积铝合金的示意图。如图3a-3b所示，本发明的激光沉积增材制造方法能够在钢成型件上激光沉积铝合金增材制造钢/铝异种金属零件。钢成型件10可以是采用机械加工(车、铣、磨等)、锻压或铸造等其他加工制造方法获得的，然后在钢成型件10上激光沉积铝合金。激光沉积铝合金时，可以在钢成型件和铝之间使用如上所述的铝-硅过渡层或无过渡层，采用过渡层或无过渡层进行激光沉积增材制造的方法和步骤如上所述钢/铝异种金属零件渐进地一步连续激光沉积增材制造，直至最终完成整个钢/铝异种金属零件。