一种梯度复合结构的激光成形方法与流程

本发明涉及一种梯度复合结构的激光成形方法，属于金属特种成形加工技术领域。

背景技术：

金属梯度复合结构具有双重特性，在实际生产中得到了广泛的应用。激光成形技术通过高功率激光熔化同步输送的合金粉，在基板上逐层堆积制备近终型零件，是一种制备高性能、全致密金属零件的低成本、快速制备技术，由于该技术是通过逐点添加材料成形的特点，该技术在材料组成、凝固组织、外形尺寸上具有极大的柔性，适合于梯度复合结构的成形与制备。但梯度材料在成形过程中，由于材料组织差异性大、热物理性能不匹配而产生组织应力和热应力，最终导致过渡层界面极易发生开裂。

专利《一种激光3D打印陶瓷功能梯度结构件的方法》(申请号CN201310258054.3)公布了一种陶瓷功能梯度结构件的激光3D打印方法，利用激光3D打印系统以不同的陶瓷粉末为原料增材成形功能梯度结构件，成形过程中通过控制不同粉末的送粉量实时改变组分配比，实现陶瓷结构件各位置材料组分及功能的梯度变化。专利《金属梯度材料的激光3D打印制备方法》(申请号CN201510004371.1)提供一种高效简便的金属梯度材料激光3D打印的制备技术，通过计算机严格控制不同位置处的原料组分配比，从而真正意义上实现成分的梯度分布。专利《一种制备功能梯度结构件的方法及装置》(申请号CN201410525318.1)提供了一种制备功能梯度结构件的方法及装置，其通过母粉与辅粉间层平铺，其每层高度根据该有效区域的母粉与辅粉的质量比分数计算得到，根据每一层加工层面的信息在相应位置对母粉和辅粉进行激光扫描烧结。

上述几种为目前梯度复合结构的主流激光成形方法，均采用了控制不同组分的送粉量来达到制造梯度复合结构的目的，这种方法对于成分控制很有效，但存在一定问题，主要在于扫描轨迹均为按照轮廓逐线逐层进行，这种扫描方式不能有效解决过渡层层间应力大的问题，导致在实际制造过程中极易发生过渡层间界面开裂或过渡层强度太低等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种通过提高过渡层结合强度、最终得到成分连续过渡、界面应力较小、整体强度更高的梯度复合结构的激光成形方法。

本发明的技术解决方案：一种梯度复合结构的激光成形方法，所述的梯度复合结构由A层、过渡层(A+B)和B层组成，通过以下步骤实现：

第一步、激光成形设备准备；

预热激光成形设备，做好准备工作。本发明采用具有两个送粉装置的激光成形设备，本步骤准备工作为本领域公知技术。

第二步、设计激光成形工艺，

A2.1、建立模型，模型由A层、过渡层(A+B)和B层组成，采用剖分软件对模型各层进行层数剖分；

过渡层(A+B)剖分的层厚度要低于A层和B层剖分的层厚度，剖分的层厚度根据A层、过渡层(A+B)和B层的总厚度决定，具体厚度选择为本领域公知技术，本领域技术人员根据实际情况进行选择。一般情况下，过渡层(A+B)剖分的层厚度≤0.2mm，使过渡层(A+B)剖分的层数多一些，使其平稳过渡。

A2.2、设计过渡层(A+B)的激光扫描轨迹，

将过渡层(A+B)在厚度方向上划分为若干个循环单元，每个循环单元由4n个激光扫描层组成，n＝1,2,3,…，4n个激光扫描层中i层和i+1层为一组，i＝1,3,5…，每组中两层的激光扫描轨迹互相嵌套，每个激光扫描层根据激光光斑直径大小划分为M个区域，i层和i+1层的激光扫描轨迹间隔，即i层的激光扫描轨迹为mi，i+1层的激光扫描轨迹mi+1，每个循环单元中激光扫描层的激光扫描轨迹夹角均匀对称分布；

如图1所示，i层的激光扫描轨迹mi与i+1层的激光扫描轨迹mi+1间隔，第i层只扫描mi区域，在i+1层只扫描mi+1区域。如图2所示，n取值为1，即每个循环单元有4个激光扫描层组成，第一、二、三、四层扫描轨迹分别为图中的阴影区域，激光扫描轨迹夹角为90°；图3所示，n取值为2，即每个循环单元有8个激光扫描层组成，激光扫描轨迹夹角为45°。

本发明通过设计过渡层的扫描轨迹，使得相邻两层之间的扫描轨迹互相嵌套，且对称交错，使得应力两向抵消，从而降低和抵消过渡层之间的层间应力，同时通过互相嵌套的方式使过渡层的结合由平面结合转化为立体结合。

n的取值与过渡层(A+B)的厚度相关，若过渡层(A+B)的厚度较小，n的取值一般为1、2即可，若过渡层(A+B)的厚度较大，可适当提高n的取值，如3或4；但n的取值不易过大，否则激光扫描轨迹夹角太多，增加激光成形的难度。

A2.3、确定激光成形工艺参数；

激光成形工艺参数包括激光功率和扫描速度等，激光成形工艺参数及设定为本领域公知技术，本领域技术人员根据选择的原材料、成形厚度等进行选择。

第三步、激光成形，

A3.1、成形A层；

原材料A单独送粉、激光成形，A层成形厚度根据产品要求设定，激光成形工艺参数由步骤A2.3确定。

A3.2、成形过渡层(A+B)，

A3.2.1、根据步骤A2.1过渡层(A+B)的剖分层数确定过渡层(A+B)成形时间T；

A3.2.2、确定原材料A、B的送粉速度，原材料A的送粉速度为在步骤A3.2.1确定的时间T内由100％均匀变化为0，原材料B的送粉量为在步骤A3.2.1确定的时间T内由0均匀变化为100％，在同一时间点，原材料A、B的送粉速度变化量一致，保证重量百分比连续过渡；

A3.2.3、根据步骤A3.2.2确定的原材料A、B的送粉速度，按照步骤A2.2确定的激光扫描轨迹进行逐层扫描，得到过渡层(A+B)，激光成形工艺参数由步骤A2.3确定；

A3.3、成形B层；

原材料B单独送粉、激光成形，B层成形厚度根据产品要求设定，激光成形工艺参数由步骤A2.3确定。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明通过设计过渡层的扫描轨迹，使得相邻两层之间的扫描轨迹互相嵌套，从而降低和抵消过渡层之间的层间应力，同时通过互相嵌套的方式使过渡层的结合由平面结合转化为立体结合，提高了过渡层的结合强度，最终得到成分连续过渡、界面应力较小、整体强度更高的梯度复合结构；

(2)本发明能够制备在一维、二维或三维方位呈梯度变化的结构件。

附图说明

图1为本发明相邻两层激光扫描轨迹嵌套示意图；

图2为本发明每循环单元为4个激光扫描层嵌套示意图；

图3为本发明每循环单元为8个激光扫描层嵌套示意图；

图4为梯度复合结构示意图；

图5为本发明流程图。

具体实施方式

下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。

实施例1

利用激光立体成形技术制备TA15合金和Ti2AlNb合金梯度复合结构件(尺寸50*50*60)，所用设备为激光立体成形设备，该设备包括4KW二氧化碳快轴流激光器、送粉系统、净化系统、数控系统，采用激光立体成形技术制造零件时，使用的钛合金粉末采用等离子旋转电极雾化法生产，粒度约90-400μm。

步骤如5所示：

1、初始化激光成形设备

打开激光器进行预热，按要求进行激光成形的设备各系统检查及准备工作，将TA15合金和Ti2AlNb合金粉分别装入送粉罐1和2。

2、TA15合金和Ti2AlNb合金过渡层的扫描轨迹设计

当整个TA15合金的熔覆完成后，采用激光成形设备自带的剖分软件再次对未成形的TA15合金和Ti2AlNb合金过渡层的初始层进行剖分，进行扫描轨迹设计，按照上述轨迹设计的方法，将过渡层设计为循环的互相嵌套且垂直的扫描轨迹，每个循环单元如图2所示，其中每层的剖分高度设定为0.1mm。整个过渡层厚度为25*0.1*4＝10mm。

3、TA15合金的熔覆成形

建立TA15合金三维模型，尺寸为50mm×50mm×25mm，打开剖分软件设置好剖分参数，每层的剖分高度设定为0.3-0.5mm；机床运行速度为300-400mm/min；设定送粉速度为10-12g/min，打开送粉器1，开始TA15合金部分的稳定快速熔覆成形。

4、TA15合金和Ti2AlNb合金过渡层的熔覆成形

建立TA15合金和Ti2AlNb合金过渡层的三维模型，尺寸为50mm×50mm×10mm，打开剖分软件设置每层的剖分高度设定为0.1mm；机床运行速度为100-200mm/min。设定TA15合金的送粉速度在由10-12g/min变化到0，时间为120min；设定Ti2AlNb合金的送粉速度由0变化到10-12g/min，时间为120min；在相同时间点，TA15合金和Ti2AlNb合金的送粉总量为100％，保证重量百分比连续过渡；同时打开送粉器1和2，开始TA15合金和Ti2AlNb合金过渡层的熔覆成形。

5、Ti2AlNb合金的熔覆成形

建立Ti2AlNb合金三维模型，尺寸为50mm×50mm×25mm，打开剖分软件设置好剖分参数，每层的剖分高度设定为0.3-0.5mm；机床运行速度为300-400mm/min；设定送粉速度为10-12g/min，打开送粉器2，开始Ti2AlNb合金部分的稳定快速熔覆成形。

6、当熔覆成形完成时，停止设备；

7、关闭成形室进气阀门和激光器，将水冷机床台面降低至原始位置，工艺样件冷却后从水冷机床台面上取下，基板上成形的钛合金样件即为异种钛合金梯度复合结构样件，如图4所示。

实施例2

本实例利用激光立体成形技术制备制造尺寸为Φ130mm×200mm的TA15、Ti2AlNb钛合金梯度复合结构件样件，所用设备为激光立体成形设备，该设备包括4KW二氧化碳快轴流激光器、送粉系统、净化系统、数控系统，采用激光立体成形技术制造零件时，使用的钛合金粉末采用等离子旋转电极雾化法生产，粒度约90-400μm。

步骤如下：

1、初始化激光成形设备

打开激光器进行预热，按要求进行激光成形的设备各系统检查及准备工作，将TA15合金和Ti2AlNb合金粉分别装入送粉罐1和2。

2、TA15合金和Ti2AlNb合金过渡层的扫描轨迹设计

当整个TA15合金的熔覆完成后，采用激光成形设备自带的剖分软件再次对未成形的TA15合金和Ti2AlNb合金过渡层的初始层进行剖分，进行扫描轨迹设计，按照上述轨迹设计的方法，将过渡层设计为循环的互相嵌套且均匀对称的扫描轨迹，如图3所示，其中每层的剖分高度设定为0.1mm。整个过渡层厚度为25*0.1*8＝20mm。

3、TA15合金的熔覆成形

建立TA15合金三维模型，打开剖分软件设置好剖分参数，每层的剖分高度设定为0.3-0.5mm；机床运行速度为300-400mm/min；设定送粉速度为10-12g/min，打开送粉器1，开始TA15合金部分的稳定快速熔覆成形。

4、TA15合金和Ti2AlNb合金过渡层的熔覆成形

建立TA15合金和Ti2AlNb合金过渡层的三维模型，打开剖分软件设置每层的剖分高度设定为0.1mm；机床运行速度为100-200mm/min。设定TA15合金的送粉速度在由10-12g/min变化到0，时间为90min；设定Ti2AlNb合金的送粉速度由0变化到10-12g/min，时间为90min；同时打开送粉器1和2，开始TA15合金和Ti2AlNb合金过渡层的熔覆成形。

5、Ti2AlNb合金的熔覆成形

建立Ti2AlNb合金三维模型，打开剖分软件设置好剖分参数，每层的剖分高度设定为0.3-0.5mm；机床运行速度为300-400mm/min；设定送粉速度为10-12g/min，打开送粉器2，开始Ti2AlNb合金部分的稳定快速熔覆成形。

6、当熔覆成形完成时，停止设备；

7、关闭成形室进气阀门和激光器，将水冷机床台面降低至原始位置，工艺样件冷却后从水冷机床台面上取下，基板上成形的钛合金样件即为异种钛合金梯度复合结构样件，如图4所示。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。