一种使用激光3d打印技术制备铝合金结构件的材料及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光快速成形制造领域，特别涉及一种使用激光3D打印技术制备铝合金结构件的材料及方法。
【背景技术】
[0002]铝合金具有密度小、热膨胀系数低、比刚度和比强度高、导热和导电性好、反光性强、无磁性、耐蚀性等诸多优异性能，是有色金属中应用最广泛的材料。例如在国防工业和民用航空方面，铝合金是飞机机体结构的主要用材，尤其在我国自主研发的战斗机上，铝合金结构件所占的比重达到机身重量的50%以上。
[0003]航空铝合金结构件一般用锻造和机械加工方法制造，然而随着航空领域竞争的愈益激烈，对飞机性能提出了更高的要求，采用锻造和机械加工方法制造铝合金结构件已不能满足航空领域快速发展的需要，表现在如下两点:
(1)航空铝合金结构件采用锻造和机械加工方法，存在以下不足:①成本高，耗时长。其加工步骤一般先要熔铸大型铝合金铸锭、锻造制坯、加工大型锻造模具，然后再用万吨级水压机等大型锻造设备锻造出零件毛坯，最后再对毛坯零件进行大量机械加工。整个工序下来，需要很长时间，有的构件，光大型模具的加工就要用一年以上的时间。要动用几万吨级的水压机来工作，成本高。②材料利用率低。材料的利用率一般只有5%?10%，其余的材料在铸模、锻造、切割和抛光工序中被损失了 ；
(2)采用锻造和机械加工方法难以满足结构整体化的要求。结构整体化是将飞机天线，主承力结构件(如飞机大梁、隔框、壁板)等十几个零件甚至几十个零件集成为尺寸从十几米?几十米的整体结构，尽量减少由于连接所付出的重量、连接所引起的应力集中以及众多中小零件制造、装配所需的工时和工装，以降低成本。结构整体化已成为新一代航空结构的发展方向，结构越来越复杂，采用锻造和机械加工方法难以进行。但整体结构件存在体积大、复杂、壁薄、刚度差、易变形、加工余量大、加工周期长、加工质量和精度很难控制等因素，造成采用锻造和机械加工方法难以满足结构整体化的要求，必须寻求一种新的制备铝合金结构件的方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有技术耗时长、材料利用率低及难以满足结构整体化的要求的不足，而提供一种使用激光3D打印技术制备铝合金结构件的材料及方法，无需任何专用模具和任何专用工装条件下，在铝合金基体上，以质量百分比为:A1:80.0，Fe:3.0，Cu:
2.0，Si:3.0，Ti:4.0, B: 3.0，Mn:1.5，C:2.0，Ce:1.5 的粉末为原料通过激光束快速熔化、凝固进行“多层熔覆堆积”，直接从零件数字模型一步完成高性能、全致密、高疲劳寿命等综合性能好的任意尺寸和形状的铝合金结构件。该方法成本低，周期短，材料利用率高(可达90%以上)，制备的零件形状和大小不受限制，可以满足结构整体化的要求。
[0005]实现本发明目的的技术方案是:
一种使用激光3D打印技术制备铝合金结构件的方法，包括如下步骤:
1)采用真空等离子旋转电极雾化方法分别制备出Al、Fe、Cu、S1、T1、B、Mn、C和稀土Ce共9种粉末，各粉末纯度多99.99%，粒度0.050?0.250 mm，将上述各粉末一定的质量百分比配制，并采用球磨机均匀混合12小时以上，粉末混合均匀后放入120°C的烘干箱烘干4小时以上，再置于激光自动送粉器中备用；
2)将厚度大于5mm的铝合金基体材料的表面用800#棕刚玉砂纸打磨20分钟、IXD抛光布抛光20分钟以上，用5%?10%的稀盐酸酸洗20分钟以上，用清水清洗，将铝合金基体放入高真空辉光等离子渗金属设备中阴极上，抽真空到1X1(T2 pa以上，在电压-500?-900V，电流3?8A参数下清洗50分钟，冷却到室温后取出，放入超声波清洗器中用丙酮清洗30分钟以上，冷却到室温后取出待用；
3)用切片技术将需要3D打印的结构件的连续三维数模离散成层厚为600?900ym及顺序的分层切片，将需要3D打印的结构件的三维数据信息转换成一系列二维数据，并根据切片轮廓设计一定的激光工艺参数，沿由二维平面数据所确定的扫描轨迹生成每一层的数控加工程序，传递给计算机数控装置；
4)将铝合金基体放置在氮气保护装置内，预先充入一定流量的高纯氮气，使氮气保护装置腔内氧含量小于50 μ L / L ；
5)运行程序，激光束按照预定轨迹运行，通过激光自动送粉器，将步骤I)中的混合粉末喷射到激光束产生的熔池中，形成与基材冶金结合的激光熔覆层，通过每一层的数控加工程序实现逐层激光熔覆，获得一个熔覆截面，一层熔覆，激光头上升一个切片厚度的高度再熔覆第2层，并使第2层与第I层冶金结合在一起，逐层熔覆，最终得到所需要形状的三维铝合金结构件。
[0006]步骤I)所述的各粉末的质量百分比为:A1:80.0，Fe:3.0，Cu:2.0，S1:3.0，T1:4.0，B: 3.0，Mn:1.5，C:2.0，Ce:1.5。
[0007]步骤2)所述基体材料为6系列铝合金。
[0008]步骤3)使用的切片技术是基于CAD的三维实体模型切片技术，所述激光熔覆的工艺参数为:输出功率3.5?5kW，光斑直径5?8mm，扫描速度1200?2000mm/min，搭接率20% ?25%。
[0009]步骤4)所述高纯氮气流量为5?30L.mirT1，纯度彡99.99%。
[0010]步骤5)所述单个熔覆层厚度为600?900 μ m。
[0011]本发明的优点是:
将CAD三维实体模型切片技术，数字编程技术，激光快速成形技术，材料合成技术等技术融合为一体，在无需任何专用模具和工装条件下，在铝合金基体上以铝作为主要添加元素的9种混合粉末为原料通过激光束快速熔化、凝固进行“多层熔覆堆积”，直接从零件数字模型一步完成高性能、全致密、高疲劳寿命等综合性能好的任意尺寸和形状的铝合金结构件。该方法成本低，周期短，材料利用率高，可达90%以上，制备的零件形状和大小不受限制，可以满足结构整体化的要求。
[0012]适用于大型、复杂铝合金结构件的一体化快速成型制造。适用于海军舰艇、航天科技、医学领域、房屋建筑、汽车行业、电子行业等几乎全部行业的铝合金结构零件制造。
【具体实施方式】
[0013]下面通过实施例对本
【发明内容】
作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
[0014]
[0015]
[0016]实施例:
一种使用激光3D打印技术制备铝合金结构件的方法，包括如下步骤:
1)采用真空等离子旋转电极雾化方法分别制备出Al、Fe、Cu、S1、T1、B、Mn、C和稀土Ce共9种粉末，各粉末纯度多99.99%，粒度0.050?0.250 mm，将上述各粉末一定的质量百分比配制，并采用球磨机均匀混合12小时以上，粉末混合均匀后放入120°C的烘干箱烘干4小时以上，再置于激光自动送粉器中备用；
2)将厚度大于5mm的铝合金基体材料的表面用800#棕刚玉砂纸打磨20分钟、IXD抛光布抛光20分钟以上，用5%?10%的稀盐酸酸洗20分钟以上，用清水清洗，将铝合金基体放入高真空辉光等离子渗金属设备中阴极上，抽真空到1X1(T2 pa以上，在电压-500?-900V，电流3?8A参数下清洗50分钟，冷却到室温后取出，放入超声波清洗器中用丙酮清洗30分钟以上，冷却到室温后取出待用；
3)用切片技术将需要3D打印的结构件的连续三维数模离散成层厚为600?900ym及顺序的分层切片，将需要3D打印的结构件的三维数据信息转换成一系列二维数据，并根据切片轮廓设计一定的激光工艺参数，沿由二维平面数据所确定的扫描轨迹生成每一层的数控加工程序，传递给计算机数控装置；
4)将铝合金基体放置在氮气保护装置内，预先充入一定流量的高纯氮气，使氮气保护装置腔内氧含量小于50 μ L / L ；
5)运行程序，激光束按照预定轨迹运行，通过激光自动送粉器，将步骤I)中的混合粉末喷射到激光束产生的熔池中，形成与基材冶金结合的激光熔覆层，通过每一层的数