1.本发明属于零件加工技术领域，涉及一种复杂形状零件复合制造方法。
背景技术：
2.激光选区熔化成形工艺相较于传统加工工艺而言，具有柔性高、流程短、性能好、精度高等一系列优点，使得该工艺在航空航天、能源重工、汽车、医疗及模具等领域获得了广阔的应用空间。
3.然而由于激光选区熔化成形工艺的加工原理是，依靠激光能量按照由点及线，由线到面，由面到体的顺序，逐步使目标粉末先熔化再凝固，最终生成所需要的制件，所以这种工艺的成形效率并不高。基于这一问题，虽然目前通过多激光、双向铺粉、连续供粉、永久滤芯、密集排版等方案能提升成形效率，但是这些方法仍存在以下问题：(1)现有的提升均是通过设备改进或经验积累来实现，并不能从工艺原理上改变问题的本质，使得成形效率提升的效果有限，成形效率仍不高；(2)现有的改进方案，一致性差，导致零件加工批次质量不稳定。
技术实现要素：
4.针对现有复杂形状零件加工存在的成形效率低以及一致性差的技术问题，本发明提供一种复杂形状零件复合制造方法，极大的提升成形效率，确保零件加工的一致性，保证批量化生产。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种复杂形状零件复合制造方法，包括以下步骤：
7.1)根据待加工复杂形状零件所需致密度要求，选择粉末，并进行预处理；
8.2)获取待加工复杂形状零件的加工模型；
9.3)利用激光选区熔化成形工艺，将步骤1)预处理的粉末按照步骤2)的加工模型进行激光熔化得到成形零件；
10.4)利用粉末冶金烧结工艺将成形零件进行烧结，得到烧结零件；
11.5)对烧结零件进行后续处理，完成复杂形状零件制造。
12.进一步的，所述步骤1)中，高致密度零件和全致密度零件均选用粒度为-15um的致密球形粉末，多孔结构的零件选用粒度为15um～53um的致密球形粉末或粒度为15um～53um的多孔团聚烧结球形粉末。
13.进一步的，所述步骤1)中，粉末的预处理方法为，将粉末在100℃～120℃、-0.1mpa的真空条件下干燥1h～2h。
14.进一步的，所述步骤2)的加工模型获取步骤具体包括：
15.2.1)根据复杂形状零件摆放位置的轮廓确定出零件模型，并依据复杂形状零件在复合制造工艺条件下的收缩规律，对零件模型进行放缩处理；
16.2.2)根据激光选区熔化成形工艺的要求对放缩后的零件模型进行余量设置、倒角
处理以及支撑添加处理；
17.2.3)在零件模型内部且沿零件模型的高度方向上设置隔板拓扑结构，对零件模型进行分割，隔板边界与轮廓相连；并在零件模型的凸出特征处设置补缩结构；
18.2.4)提取在零件模型内设置的隔板以及轮廓作为加工模型。
19.进一步的，所述步骤2.2)中，余量包括机加余量、打磨余量以及牺牲性变形余量，所述牺牲性变形余量位于零件底部连接处，所述牺牲性变形余量的高度为5-30mm。
20.进一步的，所述步骤2.3)中，隔板厚度与轮廓厚度一致，均为0.2mm～1.5mm；隔板的高度为20mm～50mm；隔板为六面体、八面体或十二面体。
21.进一步的，所述步骤3)中，利用激光选区熔化成形设备，将预处理后的粉末按照步骤2.4)的加工模型进行层层铺粉与激光扫描，最终将步骤2.4)提取的隔板与轮廓熔化成形得到连续体，隔板与轮廓内部的粉末仍保持原来的状态，即为成形零件；
22.优选的，零件为高致密度零件和全致密度零件时，所述步骤3)中，铺粉均采用压力式铺粉方式。
23.进一步的，所述步骤3)中，激光选区熔化程度为隔板与轮廓处粉末形成烧结颈，且粉末间的连接阻断内部粉末漏出。
24.进一步的，所述步骤3)中，激光扫描过程中，激光的开关光点相互错开。
25.进一步的，所述步骤4)中，采用烧结炉进行烧结，成形零件的装炉方向与在激光选区熔化成形时的方向一致；真空度≥10-2
pa；粉末预烧结前升温速率≤8℃/min，粉末预烧结后升温速率≤12℃/min；预烧结温度为零件材料熔点的40-50％。
26.本发明的有益效果是：
27.1、本发明提供的复合制造方法，将激光选区熔化成形工艺与粉末冶金工艺相结合，用激光选区熔化工艺将隔板与轮廓成形成连续体，再用粉末烧结获得零件，提升了零件成形效率且有利于保证批量一致性。
28.2、本发明选用不同粒度范围及形貌的粉末应对不同致密度需求的零件，高致密度零件和全致密度零件均选用粒度为-15um的致密球形粉末，多孔结构的零件选用粒度为15um～53um的致密球形粉末或粒度为15um～53um的多孔团聚烧结球形粉末，；从而降低致密度对后续工艺的依赖度。
29.3、本发明在零件底部，位于零件与承烧板之间设置牺牲性变形余量，消除由于摩擦阻力引起的零件底部形变；沿高度方向使用有一定厚度与高度、具有自支撑特性的隔板拓扑结构对模型进行分割，并设置补缩结构，本发明保持同一零件的隔板及轮廓厚度一致，同一零件的隔板及轮廓厚度一致，取值范围为0.2mm～1.5mm；有效抵御重力引发的烧结收缩形变。
30.4、本发明在激光选区熔化成形工艺中，隔板及轮廓处粉末的激光选区熔化成形烧结程度是，激光选区熔化成形部分的粉末只形成烧结颈而非完全熔化，且粉末间的连接不会使内部粉末漏出，保证两种工艺下粉末收缩的一致性及界面熔合有效性；通过将扫描过程中激光的开关光点相互错开，确保了隔板与轮廓处粉末的状态一致性。
31.5、本发明使用真空烧结工艺，并限定粉末预烧结前/后升温速率，粉末预烧结前升温速率≤8℃/min，粉末预烧结后升温速率≤12℃/min，从而更好的提升烧结收缩的一致性。
具体实施方式
32.现结合实施例对本发明做详细的说明。
33.本发明提供一种复杂形状零件复合制造方法，包括以下步骤：
34.1)根据待加工复杂形状零件所需致密度要求选择粉末，并对粉末进行预处理；
35.2)获取待加工复杂形状零件的加工模型；
36.3)利用激光选区熔化成形工艺，将步骤1)预处理的粉末按照步骤2)的加工模型进行激光熔化得到成形零件；
37.4)利用粉末冶金烧结工艺将成形零件进行烧结，得到烧结零件；
38.5)对烧结零件进行后续处理，完成复杂形状零件制造。
39.本发明步骤1)中，高致密度零件和全致密度零件均选用粒度为-15um(粒径小于-15um)的致密球形粉末，多孔结构的零件选用粒度为15um～53um的致密球形粉末或粒度为15um～53um的多孔团聚烧结球形粉末。
40.本发明步骤1)中，预处理方法为，将粉末在100～120℃、-0.1mpa的真空条件下干燥1h～2h。
41.本发明中，步骤2)的加工模型获取步骤具体包括：
42.2.1)根据复杂形状零件摆放位置的轮廓确定出零件模型，并依据复杂形状零件在复合制造工艺条件下的收缩规律，对零件模型进行放缩处理；
43.2.2)根据激光选区熔化成形工艺的要求对放缩后的零件模型进行余量设置、倒角处理以及支撑添加处理；
44.2.3)进一步的，在零件模型内部且沿零件模型的高度方向上设置隔板拓扑结构，对零件模型进行分割，隔板边界与轮廓相连；并在零件模型的凸出特征处设置补缩结构；
45.2.4)最后，提取在零件模型内设置的隔板以及轮廓作为加工模型。
46.本发明步骤2.2)中，余量包括机加余量、打磨余量以及牺牲性变形余量，牺牲性变形余量位于零件底部连接处，具体的，是位于零件底部与承烧板之间用于通过自身形变消除零件底部形变，牺牲性变形余量高度为5mm～30mm，从而消除由于摩擦阻力引起的零件形变，提高零件的加工质量。
47.本发明步骤2.3)中，隔板厚度与轮廓厚度一致，均为0.2mm～1.5mm；隔板的高度为20mm～50mm；隔板为六面体、八面体或十二面体。
48.本发明步骤2.4)中，补缩结构为柱状结构。
49.本发明通过隔板形成的拓扑结构和补缩结构，能有效抵御重力引发的烧结收缩形变，保证加工质量，提高成形效率。
50.本发明步骤3)中，利用激光选区熔化成形设备，将预处理后的粉末按照步骤2.4)的加工模型进行层层铺粉与激光扫描，最终将步骤2.4)提取的隔板与轮廓成形得到连续体，隔板与轮廓内部的粉末仍保持原来的状态，即为成形零件。
51.优选的，零件为高致密度零件和全致密度零件时，所述步骤3)中，铺粉均采用压力式铺粉方式。
52.隔板与轮廓成形得到连续体时，成形所用的能量密度为能引起隔板与轮廓处粉末形成烧结颈而非完全熔化，且粉末间有空隙、但空隙不足以使内部粉末漏出；扫描过程中激光的开关光点相互错开，保证隔板与轮廓处粉末的烧结程度整体一致；使用能够给予粉末
压力的铺粉方式进行铺粉，提高粉末的堆积密度。
53.本发明步骤3)中，激光扫描过程中，激光的开关光点相互错开，确保隔板与轮廓处粉末的状态一致性。
54.本发明步骤4)中，采用烧结炉进行烧结，成形零件的装炉方向与在激光选区熔化成形时的方向一致；真空度≥10-2
pa；粉末预烧结前升温速率≤8℃/min，粉末预烧结后升温速率≤12℃/min；提升烧结收缩的一致性。
55.本发明中，预烧结指粉末间开始因烧结形成烧结颈，一般预烧结温度为零件材料熔点的40-50％。
56.具体的，激光选区熔化成形结束后，将所成形连续体轮廓外部的粘附粉清理干净，随后将其连同内部包裹的粉末一起放入烧结炉内进行烧结。在进行轮廓外部粘附粉清理过程中注意不能使轮廓破损，以避免内部粉末泄露。烧结炉为真空烧结炉。
57.本发明步骤5)中，后续处理依次包括线切割、去支撑、打磨以及热处理。
58.下面以两个具体的实施方式说明本发明提供的复合制造方法。
59.实施例1复杂形状致密钛合金件复合制造方法
60.本实施例提供的复杂形状零件(致密钛合金件)复合制造方法，包括以下步骤。
61.1、原料选择与处理
62.本实施例复杂形状零件为致密钛合金件，选用粒度为-15um的钛合金粉末过筛，随后在120℃、-0.1mpa的真空条件下干燥2h，得到干燥的粉末。
63.2、工艺模型的获取
64.2.1)确定零件的摆放方案确定轮廓，并依据零件在复合制造工艺条件下的收缩规律，对零件进行放缩处理。
65.2.2)根据激光选区熔化成形工艺规则对放缩后的模型进行余量设置、倒角处理、支撑添加等操作，其中零件底部，位于零件与承烧板之间牺牲性变形余量的余量高度为30mm。
66.2.3)在模型内部沿高度方向使用厚度0.2mm、高度50mm、具有自支撑特性的六面体隔板拓扑结构对其进行分割，并在模型凸出特征处设置柱状补缩结构。
67.2.4)提取最终模型内设置的隔板及0.2mm厚的轮廓作为指导激光选区熔化成形实施的工艺模型。
68.3、激光选区熔化成形
69.使用激光选区熔化成形设备按照步骤2.4)输出的工艺模型，将步骤1)干燥的粉末通过层层铺粉与激光扫描，在能引起隔板与轮廓处粉末形成烧结颈而非完全熔化、且粉末间的空隙不足以使内部粉末漏出的能量密度下，最终成形出由所提取隔板与轮廓构成的连续体，得到成形零件。铺粉过程使用能够给予粉末压力的铺粉方式进行铺粉，扫描过程中激光的开关光点相互错开。
70.4、粉末冶金烧结
71.激光选区熔化成形结束后，将所成形的连续体轮廓外部的粘附粉清理干净，将连续体连同内部包裹的粉末一起放入烧结炉内进行烧结，连续体以与激光选区熔化成形时一致的摆放方向装入真空烧结炉，在真空度≥10-2
pa的条件下进行烧结。
72.根据零件材料的熔点，预烧结温度约在840℃，烧结时840℃前的升温速率≤8℃/
min，840℃～1300℃的升温速率≤12℃/min。
73.5、零件后处理
74.烧结结束后取出烧结零件，依次进行线切割、去支撑、打磨、热处理等后处理工序，完成零件的制造加工。
75.实施案例2复杂形状零件(多孔钼合金件)复合制造
76.本实施例提供的复杂形状零件(多孔钼合金件)复合制造方法，包括以下步骤。
77.1、原料选择与处理
78.选用粒度为15um～53um的钼合金粉末过筛，随后在100℃、-0.1mpa的真空条件下干燥2h。
79.2、工艺模型的获取
80.2.1)确定零件的摆放方案，并依据零件在复合制造工艺条件下的收缩规律，对零件进行放缩处理。
81.2.2)根据激光选区熔化成形工艺规则对放缩后的模型进行余量设置、倒角处理、支撑添加等操作，其中零件底部，位于零件与承烧板之间牺牲性变形余量的余量高度为5mm。
82.2.3)在模型内部沿高度方向使用厚度1.5mm、高度20mm、具有自支撑特性的八面体隔板拓扑结构对其进行分割，并在模型凸出特征处设置柱状补缩结构。
83.2.4)提取最终模型内设置的隔板及1.5mm厚的轮廓作为指导激光选区熔化成形实施的工艺模型。
84.3、激光选区熔化成形
85.使用激光选区熔化成形设备按照步骤2.4)输出的工艺模型，将步骤1)的干燥粉末通过层层铺粉与激光扫描，在能引起隔板与轮廓处粉末形成烧结颈而非完全熔化、且粉末间的空隙不足以使内部粉末漏出的能量密度下，最终成形出由所提取隔板与轮廓构成的连续体。铺粉过程使用能够给予粉末压力的铺粉方式进行铺粉，扫描过程中激光的开关光点相互错开。
86.4、粉末冶金烧结
87.激光选区熔化成形结束后，将所成形的连续体轮廓外部的粘附粉清理干净，将连续体连同内部包裹的粉末一起放入烧结炉内进行烧结，连续体以与激光选区熔化成形时一致的摆放方向装入真空烧结炉，在真空度≥10-2
pa的条件下进行烧结。
88.根据零件材料的熔点，预烧结温度约在1300℃，烧结时1300℃前的升温速率≤8℃/min，1300℃～1900℃的升温速率≤12℃/min。
89.5、零件后处理
90.烧结结束后取出零件，视具体需求进行线切割、去支撑、打磨、热处理等后处理工序，完成零件的制造。