一种金属激光熔化增材制造方法与流程

本发明属于增材制造领域，具体说是一种金属激光熔化增材制造方法。

背景技术：

激光熔化增材制造技术，又称激光熔化3d打印，是近年来发展较快的一种先进制造技术。金属零件的激光熔化增材制造技术是通过高能激光束逐层熔化金属粉末，进而实现任意复杂的金属零件的制造，但是裂纹、孔隙仍然是激光增材制造零件的重要缺陷，连同残余应力、表面粗糙度等共同成为成形激光增材制造技术的瓶颈问题，影响激光增材制造往高性能金属零件应用推广。

技术实现要素：

本发明针对激光增材制造过程裂纹、孔隙等冶金缺陷，提供一种金属激光熔化增材制造方法，通过在激光增材制造的每一层的加工过程后，采用无损探伤方法，使得每一层激光凝固层的缺陷特征所在位置得以定位，并借助机械加工方法予以去除，再利用增材制造技术实现该切片层的修复。从而制备出无孔隙无裂纹的复杂金属零部件。

本发明提供的一种金属激光熔化增材制造方法，包括下述步骤：

(1)金属激光熔化增材制造单层加工：根据所需金属零件形状，采用三维造型软件设计出零件的三维cad模型，将文件的数据信息输送到激光增材制造装备；

(2)根据当前切片层信息，通过激光增材制造方法对切片层区域进行扫描熔化，同时通入惰性气体保护熔池；

(3)无损探伤扫描：激光扫描完毕后，立即采用无损探伤工具头，对激光熔化的区域进行遍历扫描，找到裂纹、孔隙等缺陷特征后通过控制系统记录所在区域，并把该区域简化为包容缺陷特征的圆角矩形，完毕后，将探伤工具头换成铣刀，对圆角矩形区域进行切除，切除厚度为增材制造一个切片层厚度；找不到缺陷特征直接进入步骤(6)；

(4)增材再制造：工作台高度不变，对切除区域进行金属激光熔化增材制造；

(5)回到步骤(3)；

(6)工作台下降一个切片层厚距离，重复步骤(2)，直至整个零件成形完毕；

(7)将成形零件从金属基板上取出，对成形零件进行后处理，获得所需复杂形状无孔隙无裂纹金属零件。

本发明中，激光熔化增材制造材料包括：铝基、铜基、钛基、铁基、镍基、钴基纯金属及合金。其中，激光增材制造的方法包括以下两种：(a)选区激光熔化，送粉机构在金属基板上平铺一层约为0.01～0.15mm厚度、粒径为10-100μm的金属粉末，金属粉末具体种类由金属零件的材质所定；(b)激光近净成形，通过同轴送粉器，将激光、金属粉末、保护气同时输入到基材上。

无损探伤方法为超声波探伤，功率参数由金属零件的性能要求所定。探伤工具头移动区域为当前层激光扫描区域，运动路径为遍历扫描。

所扫描的缺陷特征为孔隙、缝隙、球化等。

扫描出的缺陷所在区域特征简化为包容缺陷区域的圆角矩形，以便用一把刀具铣削加工所有区域。

机械加工为高速铣削加工，切削深度为切片层厚度。铣削刀具直径不大于圆角矩形的圆角直径。

激光增材制造、无损探伤与机械加工复合工艺方法具有以下优点：

(1)激光增材制造所产生的裂纹、孔隙等缺陷特征在打印后续层之前已被识别、去除、增材再制造；

(2)金属零件表面经过抛光等处理后无孔隙、裂纹等缺陷，可以获得符合要求的表面质量；

(3)零件合格率高、综合生产成本低。

(4)该方法与热处理、机械光整加工等方法组合在一起，能够从根本上实现高精度、高致密组织结构、无孔隙、无裂纹的精密复杂零件的制造。

附图说明

图1要进行增材制造的模型；

图2为增材制造分层文件模型；

图3为要打印的当前层激光扫描轨迹；

图4为无损探伤扫描的缺陷，以及包容缺陷的区域；

图5为机械切削后的示意图；

图6为增材再制造修复轨迹。

图中序号说明：1无损探伤发现的缺陷特征；2包容缺陷特征的简化区域。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例1：

(1)针对高性能316l不锈钢合金零件的成形，采用三维造型软件设计出零件的三维cad模型(图1)，然后由切片软件处理后保存为stl文件(图2)，将stl文件的数据信息输送到激光增材制造快速成形装备；采用选区激光熔化方法对当前切片层进行加工，送粉机构在金属基板上平铺一层约为0.02mm厚度、粒径为10μm的316l不锈钢粉末，光纤激光功率160w；图3为要打印的当前层激光扫描轨迹。

(2)对当前切片层加工完毕后，选用超声波探头，对激光熔化区域进行逐行扫描。记录缺陷特征所在位置，设置包容缺陷的圆角矩形(图4)。探伤完毕后，将超声波探头换成铣刀，对圆角矩形区域进行切除，切削厚度为切片厚度0.02mm，图5为机械切削后的示意图。

(3)重新铺粉，激光扫描切除区域，完成当前层修复再制造，图6为增材再制造修复轨迹。

(4)工作台下降一个切片层厚0.02mm，重复(1)、(2)，直至整个零件成形完毕；将成形零件从金属基板上线切割取出，即可获得所需复杂形状纳米晶高强韧无裂纹316l不锈钢金属零件。

实施例2：

(1)针对高性能钴基co-27cr-5mo-0.5ti合金零件的成形，采用三维造型软件设计出零件的三维cad模型，然后由切片软件处理后保存为stl文件，将stl文件的数据信息输送到激光增材制造快速成形装备；采用激光近净成形工艺加工当前切片层，使500w的yag激光、50g/min钴基合金粉末、ar气同时输入到基材上，层厚0.1mm；

(2)对当前切片层加工完毕后，选用超声波探头，对激光熔化区域进行逐行扫描。记录缺陷特征所在位置，设置包容圆角矩形。探伤完毕后，将超声波探头换成铣刀，对圆角矩形区域进行切除，切削厚度为切片厚度0.1mm；

(3)重新采用激光近净成形工艺加工切削去除层，完成当前层修复再制造。

(4)激光头提升一个切片厚度0.1mm，重复(1)、(2)、(3)，直至整个零件成形完毕；将成形零件从金属基板上线切割取出，即可获得所需复杂形状无空隙无裂纹钴基合金零件。

无损探伤用来探测金属材料或部件内部的裂纹或缺陷，通过无损探伤技术发现孔隙、裂纹等缺陷特征。以缺陷特征为基础扩展成基本范围区域，并被系统定位。利用机械加工方法对寻找到的区域特征进行加工，使其消除。再通过增材制造技术实现该层材料的完整制造。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
一种金属激光熔化增材制造方法，本发明通过在激光增材制造加工完每一层后，采用无损探伤方法对单层激光凝固区遍历扫描，对缺陷特征进行识别、定位以及包容区域简化，再采用机械加工方法去除缺陷区域，最后通过增材再制造方法修复切除区域。增材制造的每一层都进行激光熔化、扫描探伤、机械去除、增材再制造，如此往复进行多层加工，从而制造出无孔隙、无裂纹的复杂金属零部件。

技术研发人员：王元刚;吴蒙华;王珍;李晓鹏;李淑娴
受保护的技术使用者：大连大学
技术研发日：2017.12.22
技术公布日：2018.04.06