一种适用于大型金属零件的激光增材制造方法与流程

本发明属于激光增材制造技术领域，特别是涉及一种适用于大型金属零件的激光增材制造方法。

背景技术：

激光增材制造技术(Laser Additive Manufacturing，简称LAM，俗称3D打印技术)，是以合金粉末为原料，通过高功率激光对合金粉末进行原位熔化，并使熔融状态的合金粉末快速凝固并逐级沉积来制造实体零件。

激光增材制造技术的原理为：首先利用计算机三维软件设计出零件的三维模型，然后在计算机中对三维模型进行分层切片处理，使三维模型离散化为一系列的二维层面，最后利用激光进行逐层扫描并逐层添加合金粉末，最终将三维模型零件转换成实体零件。

从复杂形状的零件制造来看，激光增材制造技术与传统制造技术相比具有无法比拟的优点，其可实现近净成形，更加节约材料，无需模具和专用夹具，生产周期短且效率高，所制造的零件具有优异的力学性能，因此，在航空航天领域内，被越来越频繁的用于钛合金零件的快速制造。

但是，由于激光增材制造过程中存在快热快冷的特点，特别是零件基体和沉积层会在沉积过程中经历激光束的长时间周期性的剧烈加热和冷却，且移动的熔池会在池底的约束下快速凝固收缩，同时会伴生短时非平衡循环固态相变，这会在零件内部产生大而复杂的热应力、组织应力和机械约束力，同时伴有强烈的非稳态交互作用和应力集中现象，直接后果就是零件出现变形和开裂。

对于大型金属零件来说，经过高能激光束的长时间往复扫描后，零件内部还会产生严重的热累积效应，这将加剧零件的变形和开裂。因此，大型金属零件的激光增材制造质量一直难以掌控，严重限制了大型金属零件在激光增材制造领域内的应用。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种适用于大型金属零件的激光增材制造方法，能够有效避免零件出现变形和开裂，同时降低零件内部的热累积效应，有效提高大型金属零件的激光增材制造质量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种适用于大型金属零件的激光增材制造方法，包括如下步骤：

步骤一：零件分块

根据零件整体结构的构型特征和载荷分布特征，将零件划分成若干子块；

步骤二：子块分区

根据各个子块的形状结构特征，在各个子块内分别划分出若干扫描区域；

步骤三：子块制造

在扫描区域内采用短边往复扫描方式，并保证扫描区域内的扫描路径宽度相一致，并完成全部子块的制造；

步骤四：零件组装

将制造好的各个子块按照分块时确定的位置关系进行组装并装夹定位，并保证相邻子块接缝处留有变形余量，且相邻子块之间采用变形映射方式定位；

步骤五：零件制造

对完成定位的各个子块进行激光增材连接，直至将全部子块连接到一起并形成一个整体，零件制造完成。

当子块内的若干扫描区域划分好后，需要对扫描顺序进行排序，并按照距离最远区域优先原则进行排序。

基于子块的形状结构特征，将扫描区域分为4种类型，包括腹板类扫描区域、缘条类扫描区域、T型块类扫描区域及耳板类扫描区域，且任意子块内的扫描区域为4种类型中的一种或几种。

当子块制造完成后，需要对子块进行热处理和粗加工，再经探伤检测后确保子块无缺陷。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，能够有效避免零件出现变形和开裂，同时降低零件内部的热累积效应，有效提高大型金属零件的激光增材制造质量。

附图说明

图1为实施例中子块的扫描区域划分示意图；

图2为腹板类扫描区域示意图；

图3为缘条类扫描区域示意图；

图4为T型块类扫描区域示意图；

图5为耳板类扫描区域示意图；

图6为相邻子块之间采用变形映射方式定位后的变形抵消示意图；

图7为相邻子块之间未采用变形映射方式定位的受热变形示意图

图中，1—腹板类扫描区域，2—缘条类扫描区域，3—T型块类扫描区域，4—耳板类扫描区域。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

一种适用于大型金属零件的激光增材制造方法，包括如下步骤：

步骤一：零件分块

根据零件整体结构的构型特征和载荷分布特征，将零件划分成若干子块；通过对零件进行分块，可有效降低后续激光增材制造过程中的热累积效应，进而减小内应力，有效避免变形和开裂的出现；

步骤二：子块分区

根据各个子块的形状结构特征，在各个子块内分别划分出若干扫描区域；当子块内的若干扫描区域划分好后，需要对扫描顺序进行排序，并按照距离最远区域优先原则进行排序；如此可使扫描过程的温度分布更加均匀，进一步减小内应力和热累积效应；

如图1所示，为某一子块的扫描区域划分示意图，基于子块的形状结构特征，扫描区域分为4种类型，包括腹板类扫描区域1、缘条类扫描区域2、T型块类扫描区域3及耳板类扫描区域4，而且任意子块内的扫描区域为4种类型中的一种或几种；

步骤三：子块制造

在扫描区域内采用短边往复扫描方式，并保证扫描区域内的扫描路径宽度相一致，并完成全部子块的制造；当子块制造完成后，需要对子块进行热处理和粗加工，再经探伤检测后确保子块无缺陷；

如图2所示，为腹板类扫描区域示意图，由于腹板类扫描区域的面积较大，可先将腹板类扫描区域分割成面积近似相等的若干小区域，每个小区域分别进行短边扫描；

如图3所示，为缘条类扫描区域示意图，由于缘条类扫描区域具有较大的长宽比，因此只需在长度方向上进行短边扫描即可；

如图4所示，为T型块类扫描区域示意图，由于T型块类扫描区域的两条T型臂可视为缘条类扫描区域，则只需对两条相互垂直的T型臂分别进行短边扫描即可；

如图5所示，为耳板类扫描区域示意图，由于耳板类扫描区域多为不规则形状，则可将耳板类扫描区域分割成若干平行的缘条型区域，再对若干缘条型区域逐个进行短边扫描即可；

步骤四：零件组装

将制造好的各个子块按照分块时确定的位置关系进行组装并装夹定位，并保证相邻子块接缝处留有变形余量，且相邻子块之间采用变形映射方式定位；如图6所示，为相邻子块之间采用变形映射方式定位后的变形抵消示意图；如图7所示，为相邻子块之间未采用变形映射方式定位的受热变形示意图；可见，当相邻子块之间采用变形映射方式定位后，在进行激光增材连接时，可有效抵消由于热输入引起的热变形，有效保证了零件的尺寸精度；

步骤五：零件制造

对完成定位的各个子块进行激光增材连接，直至将全部子块连接到一起并形成一个整体，零件制造完成。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。