一种实现电子束选区熔化增材制造金属零部件原位热处理的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种对增材制造金属零部件进行原位热处理的方法，特别是对电子束 选区熔化增材制造金属零部件进行原位热处理的方法。通过对金属零件在成型过程中实施 原位加热或重熔热处理，可以消除部分微观孔洞、提高零件表面光洁度、调整微观组织结 构，从而在一定范围内实现对成型件力学性能的调控。
【背景技术】
[0002] 高能束流3D打印技术是金属零部件快速成型的主要发展方向。近年来发展起来的 以高能束流（电子束、激光束、等离子束等)为热源的3D打印技术是实现金属零部件快速成 型的主要发展方向，可极大的提高金属零部件的生产效率和制造柔性，已经在航空航天、汽 车、船舶、生物医疗等领域显现出广阔的应用前景。目前已经实现商业化应用的主要有选择 性激光烧结（SLS，Selective Laser Sintering)、选择性激光恪化（SLM，Slective laser Melting)、激光净成形技术（LENS，Laser Engineered Net Shaping Technique)、金属直接 激光烧结（DMLS，Direct Metal Laser Sintering)以及电子束选区恪化（EBM，Electron Beam Melting)等。
[0003] 同其他高能束流3D打印技术相比，电子束熔化EBM 3D打印技术在制造高温金属结 构件方面具有突出的优势:EBM将材料成形、加工与热处理过程统一，具有功率大、扫描速度 快、束斑小、精度高、穿透深、能量利用率高以及加工环境真空无污染的特点，材料的微观组 织结构具有很强的可控性;此外，EBM成型过程中熔化选区外的金属粉末可以对零件起到良 好的支撑作用，尤其适合高形状复杂度的小型精密零件制造。
[0004] EBM成型过程是将具有一定粒径范围分布的金属球形粉末逐层熔化成型，通过控 制加工参数（主要包括电子束流扫描速度、电流、扫描偏移量及焦斑尺寸）可以抑制成型过 程中的宏观缺陷产生。但在原始粉末中存在的微观气孔缺陷则无法在成型过程中消除，并 可能会引入到零件产品中形成微观缺陷。在公开号为[EP2886225]的专利中，通过对EBM成 型件进行后续热等静压(HIP)处理实现零件组织致密化，可获得更为优异的力学性能。但 HIP处理会导致生产制造成本增加。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种对电子束选区熔化增材制造(简称EBM)金属零部件进行 原位热处理的方法。所述原位热处理的方法在瑞典Arcam AB公司生产的EBM设备上完成。
[0006] 所述原位热处理的方法是在标准EBM加工过程的基础上对每一熔化成型层进行二 次加热重熔，通过额外热量输入消除成型零件中的微观缺陷并实现微观组织结构控制。公 开号为US Patent 7871551的专利描述了标准EBM加工过程由（1)起始板预热--（2)铺 粉一一(3)粉末预热一一(4)轮廓熔化一一(5)成型区域熔化一一(6)后续预热共6个步骤组 成，通过重复进行(2)-(6)步骤实现零件的增材制造。
[0007]本发明提供的原位热处理成型过程包括(1)起始板预热 (2)铺粉 (3)粉末 预热一一(4)轮廓熔化一一(5)成型区域熔化一一(6)二次加热重熔一一(7)后续预热共7个 步骤，通过重复进行(2)-(7)步骤实现零件的增材制造。
[0008] 所述的二次加热重熔过程仅对成型区域进行熔化，而不进行轮廓熔化，以防止成 型件边界处发生过热膨胀，导致表面凸凹不平。
[0009] 所述的二次加热重熔参数包括电子束流扫描速度、电子束电流、扫描偏移量及焦 斑尺寸。其中，电子束流扫描速度值调节范围为2.2~10000m/ S、电子束电流调节范围为0~ 21mA、扫描偏移量调节范围为0~1.2mm、焦斑尺寸调节范围为100~300μπι(对应电子束选区 熔化增材制造设备的内部参数Focus Off set值为0-400)。通过调整加工参数组合可以控 制电子束扫描的加热熔化状态、加热熔化深度、整体热量输入和冷却速率，从而实现组织结 构控制。
[0010] 所述的二次加热重熔可通过扫描程序设定仅在成型区域局部进行，因此可实现成 型件的局部组织结构控制。
[0011] 通过所述的局部组织结构控制手段可以获得组织结构梯度变化的材料。
[0012] 通过所述的局部组织结构控制手段可以获得局部力学性能异性的材料。
[0013] 本发明的优点在于:可在零部件加工成型过程中件实施原位热处理，从而消除零 件中部分微观孔洞，同时可提高零件表面光洁度，实现微观组织结构控制并在一定范围内 实现对成型件力学性能的调控。
【附图说明】
[0014] 图1为成型件内某P点在不同二次加热重熔参数条件下经历的热历史示意图；
[0015]图2为经过不同加工参数处理的TC4合金的表面形貌：（a)为未重熔样品，（b)-(f) 为Focus Offset分别为3、10、20、40、60时的重熔样品；
[0016]图3为经过不同加工参数处理的TC4合金在单位面积内的微观缺陷数量照片：（a) 为未重熔样品，（b)-(f)为Focus Offset分别为3、10、20、40、60时的重熔样品；
[0017]图4为经过不同加工参数处理的TC4合金的微观组织形貌：（a)为未重熔样品，（b) 和(c)为Focus Offset分别为3和40时的重熔样品；
[0018]图5为未重熔样品（图中原始态)与经Focus Off set分别为3和40时重熔处理的TC4 合金的拉伸强度对比；
[0019] 图6为经过不同加工参数处理的Inconel625合金的微观组织形貌：（a)为未重熔样 品，（b)和(c)为Focus Offset分别为20和40时的重熔样品；
[0020] 图7为经过不同加工参数处理的Inconel625合金的EBSD图谱：（a)为未重熔样品， (b)和(c)为Focus Offset分别为20和40时的重熔样品。
【具体实施方式】
[0021] 下面将结合附图对本发明做进一步说明。
[0022] 本发明提供了一种实现电子束选区熔化增材制造金属零部件原位热处理的方法， 所述的原位热处理的方法是在现有EBM加工过程中增加了二次加热重熔的步骤，具体的说 是在成型区域熔化步骤之后增加了二次加热重熔的步骤，随后再进行后续预热等步骤。
[0023] 所述的二次加热重熔，仅对成型区域进行熔化。二次加热重熔的加工参数包括电 子束流扫描速度、电子束电流、扫描偏移量及焦斑尺寸。其中，电子束流扫描速度值调节范 围为2.2~10000m/s、电子束电流调节范围为0~21mA、扫描偏移量调节范围为0~1.2_、焦 斑尺寸调节范围为100~300μηι(对应电子束选区恪化增材制造设备内部参数Focus Offset 值为〇-400)。通过调整加工参数组合可以控制电子束扫描的加热熔化状态、加热熔化深 度、整体热量输入和冷却速率，从而实现组织结构控制。
[0024] 图1提供了成型件内某点P在不同二次加热重熔参数条件下经历的热历史示意图。 二次加热重熔时电子束可按照单向重复扫描或蛇形扫描方式进行，扫描偏移量为h = 0~ 1.2mm。二次加热重熔引起的热量传递将使每一生长层经历多周期的变温循环热处理。随着