一种用于多孔夹层蜂窝件的激光选区融化成形方法及装置与流程

本发明涉及激光增材制造技术领域，具体涉及一种一种用于多孔夹层蜂窝件的激光选区融化成形方法及装置。

背景技术：

激光增材制造技术是一种典型的快速成形技术，主要利用高能激光束熔化金属粉末，逐层堆积，直接成形高性能复杂金属零部件。激光选区熔化（selectivelasermelting，slm）技术是利用高能量的激光束，按照预定的扫描路径，扫描预先铺覆好的金属粉末将其完全熔化，再经冷却凝固后成形的一种技术。多孔金属一般具有质轻、比表面积大、孔隙率较高且可控等特点，多孔金属材料一般具有结构材料和功能材料的优异性能，故其应用范围很广。

铝合金多孔金属多采用传统的粉末烧结、注射成形或者电沉积等工艺制备而成，但这些制备方法的过程相对比较复杂、耗材较多，尤其对于结构复杂的多孔零件，难以成形。

技术实现要素：

为此，本发明提供一种用于多孔夹层蜂窝件的激光选区融化成形方法及装置，适用于结构复杂的多孔零件，本发明在实现多孔结构和实体结构成形的同时，能够做到节约成本，提高效率。

本发明的一种用于多孔夹层蜂窝件的激光选区融化成形方法，包括：

s1、采用三维建模软件，建立多孔夹层蜂窝件的三维模型。

s2、采用切片软件对三维模型进行切片，获得各层激光扫描路径，其中，激光扫描路径包括多孔夹层蜂窝件中的多孔结构和实体结构的激光扫描路径。

s3、根据多孔夹层蜂窝件的高度以及成形仓的尺寸，计算合金粉末用粉量。

s4、铺设合金粉末，得到粉末工作层。

s5、根据多孔夹层蜂窝件的激光扫描路径，在预设参数下对粉末工作层进行激光选区融化，以得到零件形成层。

s6、循环s4和s5，以得到完整的多孔夹层蜂窝件。

优选的，s5中的预设参数包括：多孔结构的激光器参数、实体结构的激光器参数和成形仓参数；其中，多孔结构的激光扫描路径涉及的激光器参数为：激光功率为100~200瓦，激光光斑直径为0.05~0.14毫米，扫描速度为1000~2500毫米/秒，送粉率为100%~200%；实体结构的激光扫描路径涉及的激光器参数为：激光功率为200~400瓦，激光光斑直径为0.05~0.14毫米，扫描速度为1000~2500毫米/秒，送粉率为100%~200%；成形仓参数为：成形仓内待加工多孔夹层蜂窝件成形单层层厚为20~60微米，成形仓内保护气体循环风气流电压为2.4~3.0伏特。

优选的，步骤s3包括：s31、对合金粉末进行烘干处理。

优选的，步骤s31进行烘干处理时，温度为：50~90摄氏度，烘干时间为5~10小时，采用的烘干设备为真空热处理炉。

优选的，步骤s4中在惰性气氛中进行，惰性气氛为氩气。

优选的，还包括：

s7、清除多孔夹层蜂窝件表面多余粉末；

s8、将加工完成的多孔夹层蜂窝件零件进行退火处理。

本发明还包括一种用于多孔夹层蜂窝件的激光选区融化成形装置，包括：

模型建立模块，用于采用三维建模软件，建立多孔夹层蜂窝件三维模型。

获取模块，用于采用切片软件对三维模型进行切片，获得各层激光扫描路径，激光扫描路径包括多孔结构激光扫描路径和实体结构激光扫描路径。

计算模块，根据多孔夹层蜂窝件的高度以及成形仓的尺寸，计算合金粉末用粉量。

铺设模块，用于铺设合金粉末，得到粉末工作层。

成形模块，用于根据待加工零件多孔夹层蜂窝件的激光扫描路径，在预设参数下对粉末工作层进行激光选区融化，以得到零件形成层。

循环模块，用于循环加工加工模块铺设模块和成形模块，以得到完整加工零件。

优选的，成形模块中的预设参数包括：多孔结构的激光器参数、实体结构的激光器参数和成形仓参数；其中，多孔结构的激光扫描路径涉及的激光器参数为：激光功率为100~200瓦，激光光斑直径为0.05~0.14毫米，扫描速度为1000~2500毫米/秒，送粉率为100%~200%；实体结构的激光扫描路径涉及的激光器参数为：激光功率为200~400瓦，激光光斑直径为0.05~0.14毫米，扫描速度为1000~2500毫米/秒，送粉率为100%~200%；成形仓参数为：成形仓内待加工多孔夹层蜂窝件成形单层层厚为20~60微米，成形仓内保护气体循环风气流电压为2.4~3.0伏特。

优选的，计算模块包括烘干单元，烘干单元用于对合金粉末进行烘干处理。

优选的，还包括：

清理模块，用于清除多孔夹层蜂窝件表面多余粉末；

退火模块，用于将加工完成的多孔夹层蜂窝件零件进行退火处理。

本发明的用于多孔夹层蜂窝件的激光选区融化成形方法及成形装置，具有以下优点：

1.本发明的用于多孔夹层蜂窝件的激光选区融化成形方法通过三维软件对多孔夹层蜂窝件进行建模，利用切片软件对多孔夹层蜂窝件进行切片获取激光扫描路径，并通过对多孔结构和实体结构的激光路径，在激光选区融化时采用不同的激光器参数进行烧结，将多孔夹层蜂窝件的多孔结构与实体结构一体成形，生产过程简单，减少了中间耗材，达到了节约成本、提高效率的目的。

2.本发明的用于多孔夹层蜂窝件的激光选区融化成形方法通过多孔夹层蜂窝件的高度以及成形仓的尺寸，对待加工的零件进行合金粉末量的计算，能够保证在零件成形的基础上，用粉量少，节省了生产成本。

3.本发明的用于多孔夹层蜂窝件的激光选区融化成形方法通过在成形仓内充入保护性气体，尤其是氩气，避免了待加工多孔夹层蜂窝件在加工过程中被氧化，成形效果更佳。

4.本发明的用于多孔夹层蜂窝件的激光选区融化成形装置，无需模具、发泡设备等配套设施，实现对结构复杂的零件的制作，尤其适用于含有多孔结构及实体结构的零件。

5.本发明的用于多孔夹层蜂窝件的激光选区融化成形方法，通过控制激光选区融化成形的工艺参数实现的对多孔夹层蜂窝件的孔隙的调整，根据具体需求快速调整参数制的产品，适用性广。

附图说明

图1是本发明涉及的多孔夹层蜂窝件结构示意图；

图2为本发明的多孔夹层蜂窝件的激光选区融化成形方法第一个具体实施例的流程图；

图3为为本发明的多孔夹层蜂窝件的激光选区融化成形方法第二个具体实施例的流程图；

图4为本发明的用于多孔夹层蜂窝件的激光选区融化成形装置的第一个实施例的结构框图。

附图标记：

10.多孔结构，11.实体结构，12.出粉孔；201.模型建立模块、202.获取模块、203.计算模块、204.铺设模块、205.成形模块、206.循环模块、207.清理模块、208.退火模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了解决结构复杂的多孔夹层蜂窝件在激光增材制造过程中出现的难以成形等问题，本发明提供一种用于多孔夹层蜂窝件的激光选区融化成形方法和装置，本发明的成形方法具有加工过程简单，易于成形，节省耗材等优点。

如图1所示，本发明中的多孔夹层蜂窝件是指待加工零件中既含有蜂窝状的多孔结构10，又含有实体结构11部分，为了清除激光烧结过程中未完全被利用的金属粉末，还包括出粉孔12，出粉孔12开设在实体结构11上，并从纵向上贯穿实体结构11。

参考图2，本发明的一种用于多孔夹层蜂窝件的激光选区融化成形方法的流程图，包括：

s1、采用三维建模软件，建立多孔夹层蜂窝件的三维模型。

在本实施例中，三维建模软件包括但不限于3dstudiomax、solidworks、catia、unigraphicsnx。

s2、采用切片软件对三维模型进行切片，获得各层激光扫描路径，其中，激光扫描路径包括多孔夹层蜂窝件中的多孔结构10和实体结构11的激光扫描路径。

s3、根据多孔夹层蜂窝件的高度以及成形仓的尺寸，计算合金粉末用粉量。

在本实施例中，根据多孔夹层蜂窝件的高度以及成形仓的面积、以及合金粉末的密度进行合金粉末用量的估算，实际用粉量为估算值的2~3倍。

具体的，合金粉末为铝合金粉末，铝合金的粉末粒度为0~100微米，在本实施例中的合金粉末主要元素为al、si和mg，其中：si的质量含量为：0.2~0.45wt%，mg的质量含量为：0.2~0.45wt%，其余为al，杂质：fe的质量含量不大于0.55wt%，cu的质量含量不大于0.05wt%，mn的质量含量不大于0.45wt%，ni的质量含量不大于0.05wt%，zn的质量含量不大于0.10wt%，pb的质量含量不大于0.05wt%，sn的质量含量不大于0.05wt%，ti的质量含量不大于0.55wt%。本发明的合金粉末还包括但不限于高温合金粉末、钛合金粉末、不锈钢粉末。

如图3所示，步骤s3还包括：

s31、对合金粉末进行烘干处理。

在本实施例中，对粉末的烘干处理在真空热处理炉中进行，其中，烘干时温度为50~90摄氏度，烘干时间为5~10小时。

s4、铺设合金粉末，得到粉末工作层。

在本实施例中，先将基板固定在成形仓内的工作台上，将烘干后的合金粉末加入粉缸内，在基板上铺设一层合金粉末，并在成形仓内充入保护气体，具体的，保护气体为氩气，氩气的纯度不低于99.99%，同时，设置成形仓内的氧气浓度低于0.1%，保证在待加工零件在成形过程中成形顺畅，避免氧化。

在本实施例中，铺设合金粉末用的装置为毛刷刮刀。

s5、根据多孔夹层蜂窝件的激光扫描路径，在预设参数下对粉末工作层进行激光选区融化，以得到零件形成层。

在本实施例中，多孔夹层蜂窝件的激光扫描路径包括多孔结构10的激光扫描路径和实体结构11的激光扫描路径，在具体加工过程中，预设参数包括多孔结构10的激光器参数、实体结构11的激光器参数和成形仓参数；多孔结构10的激光扫描路径涉及的激光器参数为：激光功率为100~200瓦，激光光斑直径为0.05~0.14毫米，扫描速度为1000~2500毫米/秒，送粉率为100%~200%；实体结构11的激光扫描路径涉及的激光器参数为：激光功率为200~400瓦，激光光斑直径为0.05~0.14毫米，扫描速度为1000~2500毫米/秒，送粉率为100%~200%；在对多孔结构10和实体结构11的部位进行加工时，成形仓参数一致，成形仓参数为：成形仓内待加工多孔夹层蜂窝件成形单层层厚为20~60微米，成形仓内保护气体循环风气流电压为2.4~3.0伏特。

在上述具体实施中，激光器采用的是光纤激光器。

采用上述技术方案，对多孔结构10和实体结构11采用不同的加工参数进行加工，保证了多孔夹层蜂窝件的一体成形。同时，由于激光器的工艺参数不同，会产生不同孔隙率的多孔金属，因此，本发明适用于多规格的多孔夹层蜂窝件的加工，适用性广。

s6、循环s4和s5，以得到完整的多孔夹层蜂窝件。

在本实施例中，成形仓下降一个粉末工作层层厚的距离，粉缸上升两个粉末工作层层厚的距离，在当前烧结好的层上铺设新的合金粉末工作层，根据激光扫描路径，对新的合金粉末工作层进行加工，循环上述步骤，直至加工完成整个零件。

s7、清除多孔夹层蜂窝件表面多余粉末。

s8、将加工完成的多孔夹层蜂窝件零件进行退火处理。

在本实施例中，对加工完成的多孔加成蜂窝件进行退火处理时，使零件随炉升温至210~330摄氏度，保温1.5~5小时，取出空冷至室温。

采用上述技术方案，对多孔结构10和实体结构11采用不同的加工参数进行加工，保证了多孔夹层蜂窝件的一体成形。同时，由于激光器的工艺参数不同，会产生不同孔隙率的多孔金属，因此，本发明适用于多规格的多孔夹层蜂窝件的加工，适用性广。

对应于上文的多孔夹层蜂窝件的激光选区融化方法，图4为本发明一实施例提供的一种用于多孔夹层蜂窝件的激光选区融化成形装置的结构框图，为了便于说明，仅示出了于本发明实施例相关的部分，参照图4，该装置包括：模型建立模块201、获取模块202、计算模块203、铺设模块204、成形模块205、循环模块206、清理模块207和退火模块208。

其中，模型建立模块201，用于采用三维建模软件，建立多孔夹层蜂窝件三维模型。

获取模块202，用于采用切片软件对三维模型进行切片，获得各层激光扫描路径，激光扫描路径包括多孔结构10激光扫描路径和实体结构11激光扫描路径。

计算模块203，根据多孔夹层蜂窝件的高度以及成形仓的尺寸，计算合金粉末用粉量。

铺设模块204，用于铺设合金粉末，得到粉末工作层。

成形模块205，用于根据待加工零件多孔夹层蜂窝件的激光扫描路径，在预设参数下对粉末工作层进行激光选区融化，以得到零件形成层。

循环模块206，用于循环加工加工模块铺设模块204和成形模块205，以得到完整加工零件。

优选的，成形模块205中的预设参数包括：多孔结构10的激光器参数、实体结构11的激光器参数和成形仓参数；其中，多孔结构10的激光扫描路径涉及的激光器参数为：激光功率为100~200瓦，激光光斑直径为0.05~0.14毫米，扫描速度为1000~2500毫米/秒，送粉率为100%~200%；实体结构11的激光扫描路径涉及的激光器参数为：激光功率为200~400瓦，激光光斑直径为0.05~0.14毫米，扫描速度为1000~2500毫米/秒，送粉率为100%~200%；成形仓参数为：成形仓内待加工多孔夹层蜂窝件成形单层层厚为20~60微米，成形仓内保护气体循环风气流电压为2.4~3.0伏特。

优选的，计算模块203包括烘干单元，烘干单元用于对合金粉末进行烘干处理。

优选的，还包括：清理模块207，用于清除多孔夹层蜂窝件表面多余粉末。

退火模块208，用于将加工完成的多孔夹层蜂窝件零件进行退火处理。

本发明还包括另一具体实施例，如下：

s1、建立零件的三维模型。

s2、用切片软件对零件三维模型进行切片，得到每层激光扫描路径。

s3、根据零件的高度及成形仓尺寸计算合金粉末用量。并对粉末进行烘干处理：温度为60摄氏度，烘干6小时。将基材固定在激光选区熔化成形设备成形缸工作平台上，再将烘干的铝合金粉末加入成形仓，粉末化学成分如下：si:10.21wt%，mg：0.28wt%，fe：0.047wt%，cu：<0.01wt%，mn：<0.01wt%，ni：0.01wt%，zn：<0.01wt%，pb：<0.001wt%，sn：<0.001wt%，ti：0.024wt%，其余为al，铝合金粉末粒度为51微米。

s4、在基板上铺设合金粉末，形成粉末工作层，在成形仓充入氩气，纯度为99.99%，并控制成形室内氧气浓度低于0.10%。

s5、启动激光成形设备，激光器依据激光扫描扫描路径进行烧结，加工好当前层，激光设备多孔部分成形参数为：激光功率155瓦，激光光斑直径为0.10毫米，扫描速度为1800毫米/秒，送粉率为150%，层厚为30微米，成形仓内循环风气流电压为2.65伏特；实体部分成形参数为：激光功率330瓦，激光光斑直径为0.10毫米，扫描速度为1500毫米/秒，送粉率为150%，层厚为30微米，成形仓内循环风气流电压为2.65伏特。成形缸下降一个粉末工作层层厚，粉末缸上升1.5个粉末工作层层厚，同时毛刷刮刀在当前层铺上一个粉末工作层层厚的粉末。

s6、重复步骤s4和s5直至零件加工完毕，停止成形。

s7、打开成形仓，将成形完成的零件上的粉末清理干净。

s8、对加工完成的零件进行热处理，热处理时，零件随炉升温至210摄氏度，保温3小时，出炉空冷至室温。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。