CN102328081A - 一种高功率激光快速成形三维金属零件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率激光快速成形三维金属零件方法，可用于直接制造各种高精度、大尺寸、复杂结构金属零件。方法为：在基底表面均匀铺一层金属粉末，然后用高功率密度激光束在保护腔体内将金属粉末逐层熔化、沉积，直至整个三维零件制造完成。本发明在原有快速成形技术基础之上加以改进，选用包括多种激光器或多台激光器的组合作为能量源，采用高功率激光扫描振镜对粉末进行快速扫描，成形过程中采用了预置铺粉、增大单层沉积厚度和增大光斑直径等工艺及方法，有效解决了此前快速成形技术只能成形小型金属零件或只能近成形简单零件的缺点，且成形零件精度高、力学性能优良，成形时间短，适应于大规模生产应用。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种预置铺粉式高功率激光快速成形三维金属零件的方法，该方法尤其适用于各种大型复杂结构金属零件的快速成形。
背景技术
激光熔覆(Laser Cladding)技术是采用高能量密度激光束将特殊材料熔化并覆盖于基材表面，熔化的材料冷凝后与基材形成冶金结合的表面改性工艺过程。该技术具有熔覆层稀释率低、熔覆层成分与原熔覆材料接近等优点，因此可设计性能优越的激光熔覆材料。自上世纪八十年代发展以来，激光熔覆技术已经获得了广泛的工业应用。一般而言，熔覆时所添加的材料可以是金属粉末、丝材甚至板材，其中金属粉末因其适应性更好而成为主要形式。按照粉末供料方式的不同，激光熔覆技术又可分为预置铺粉法和同步送粉法。前者是在激光熔覆前，先以某种方式(如热喷涂或粘结剂)将合金粉末预置于基材或者零部件表面，然后采用激光束熔化这些预置的涂层，冷凝后获得激光熔覆层；后者是在激光照射基材表面的同时，将合金粉末同步送入激光辐照区域，粉末熔化、冷凝后形成熔覆层。两种方法各有特点，因此分别在不同的领域得到工业应用。
金属零部件的激光快速成形技术是将激光熔覆与快速原型(RapidPrototyping，RP)技术结合起来的一种先进制造技术，它能够实现各种三维金属零部件的无模具、全致密、高性能快速成形。其主要过程包括：①在计算机中生成零件的三维CAD实体模型，然后将模型按指定的厚度和方向进行分层切片，即将零件的三维轮廓信息转化为二维轮廓信息；②按照一定的扫描路径在基底上用激光熔覆的方法生成指定的二维形状，重复这一过程逐层堆积形成三维实体零件。自上世纪九十年代发展以来，该技术已经取得了长足的进步，在航空航天、模具生产、医学植入、特种材料加工等领域显示出广泛的应用前景。
与激光熔覆技术相似，金属零部件的激光快速制造技术有两种典型类型，一种是基于预置粉末涂层的激光快速制造技术，称为选区激光熔化技术(Selective Laser Melting，以下简称SLM技术)；另一种是基于同步送粉的激光快速制造技术，称为激光直接制造技术(Direct Laser Fabrication，以下简称DLF技术)。但DLF与SLM二者在具体实施方法与效果上有一定的区别。
SLM技术是以铺粉法激光熔覆为基础，与快速原型技术相结合形成的激光快速成形技术。其具体过程如下：首先，在基板上用刮板或辊筒铺一层金属粉末，然后用聚焦激光束按照一定的扫描路径快速照射粉末，被照射到的粉末发生熔化、凝固，形成沉积层。沉积层形成后，将基板下降与粉末沉积厚度(即切片厚度)相同的高度，然后再铺一层粉末进行扫描，重复这样的过程直至整个零件的形成。SLM技术一般采用功率较低的激光器(50～300W)作为能量源，聚焦光斑直径一般为数十微米，预置铺粉的厚度一般为10～100μm。SLM技术的这些工艺特点在成形小型、高精度、复杂结构金属零件时占据一定的优势，具体表现在：①成形精度高。SLM技术单层沉积厚度薄，光斑直径小，这使得成形件具有良好的尺寸精度和表面粗糙度。而且，激光成形过程中，激光束的运动通过扫描振镜的高速扫描完成，而扫描振镜的转动惯量小，起、停加速度大，加工速度与跳转速度快等一系列特点，使得SLM成形过程扫描速度快，定位精度、成形精度高。②可成形复杂结构零件。由于采用铺粉***，激光作用时合金粉末处于静止状态。当激光照射在合金粉末床表面致粉末熔化形成熔池(称为静态熔池)时，熔池周围由合金粉末包围，它可支撑熔池不会产生垮塌现象，因此该技术可以成形复杂结构零件。
但是，由于SLM技术单层沉积厚度较低，光斑直径也只有数十微米，根据激光熔覆技术的基本原理，所采用的激光器功率一般也只需要50～300W，这样导致SLM技术总体的制造效率较低。换句话说，尽管SLM技术的扫描速度高、精度高，但是，受激光制造效率的限制，该技术只能成形小型金属零部件。对于大尺寸、高精度、复杂结构金属零件的直接快速成形而言，SLM技术却无法得到应用。主要原因在于：第一，采用该技术时制造周期过长，企业难以承受；第二，长时间的制造过程还可能导致所制造零部件性能发生不可预期的演变，如大的制造应力导致零部件变形，使得后续工艺无法继续等。
DLF技术则是以同步送粉式激光熔覆为基础，并与快速原型技术相结合的一种快速成形技术。激光成形加工时，激光束按照预先设定的路径，在数控工作台的控制下运动，对基板进行二维扫描加工。激光束扫描的同时，金属粉末通过同轴喷嘴***直接输送到高功率激光在基板上形成的熔池中，并被快速熔化、凝固形成一层熔覆层，即沉积层。当完成一层沉积层成形后，粉末喷嘴和聚焦镜一同上升与单层沉积厚度相同的高度，或者基板和所成形的零部件一同下降与单层沉积厚度相同的高度，然后继续沉积下一层，重复这一过程直至整个零件的形成。由于DLF技术采用同轴喷嘴***输送粉末，成形过程中，单层沉积厚度较高，厚度一般可达0.1～3.0mm，为防止球化现象的产生，聚焦光斑直径一般可达1.0～10.0mm。因此，根据激光熔覆技术的基本原理，成形过程中所采用的激光器功率较高，通常采用Nd:YAG或CO2激光器作为能量源，功率可达几百瓦到上万瓦。DLF的这些工艺特点使得该技术相比于SLM技术在成形效率方面大大提高，能在相对较短的时间内成形大型金属零件，克服了SLM技术只能成形小型零件的缺点。
但是，由于DLF技术采用同轴喷嘴输送粉末以及数控***控制激光束扫描，合金粉末是在运动状态下与激光束发生交互作用，并熔化、凝固成形，使得其成形效果与SLM技术相比存在有较大的差异。主要表现在：①由于采用同轴喷嘴输送金属粉末，所成形金属零部件与余下粉末的落点之间存在高度差，因此熔池无法得到周围未熔化合金粉末的支撑，难以制造具有悬空特征或者曲率半径较小、形状相对复杂的金属零部件；②DLF技术大功率、大光斑、以及动态熔池的特点，使得熔池存在的时间长，热积累大，导致零件的成形精度和表面光洁度大大降低，零件一般需要经过进一步机械加工才能使用；③在制造一些大型、结构复杂的金属零部件时，机床的运动行程短，需要频繁起、停电机，驱动工作台运动。由于电机驱动***的加速度低，激光束的扫描路径又短，因此数控机床的实际扫描速度非常有限，导致采用DLF技术在成形大型精密零部件时(例如薄壁结构)，沉积效率偏低，制造成本高。因此，与SLM技术一样，DLF技术同样无法实现大尺寸、高精度、复杂结构金属零件的快速成形。
综上所述，由于SLM技术与DLF技术各自存在的缺点，使得现有激光快速成形技术不是局限于SLM技术的小尺寸复杂结构金属零部件的精密制造，就是局限于DLF技术的大尺寸简单结构金属零部件毛坯的制造，而无法高效率、高功率、高精度地制造出兼有尺寸大、精度高、结构复杂三个典型特征的金属零部件，制约了其更加广泛地应用于各种零部件的制造中。
发明内容
为解决上述难题，本发明的目的在于提供一种基于铺粉方式的高功率激光快速成形三维金属零件的方法，该方法同时具有高效率、高功率、高精度的快速制造特点，既可以快速成形各种大型复杂结构金属零部件，同时又可以得到较好的尺寸精度和表面粗糙度，且成形速度快、时间短，成形效率高、力学性能优良、制造成本低。
本发明提供的一种激光快速成形三维金属零件的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
第1步：根据成形零件建立三维CAD模型，并用切片软件进行分层切片离散化处理，获得各层激光扫描路径；
第2步：将基板固定在可升降的平台上，并用刮板、辊筒或者自动送粉器在基板表面均匀铺一层厚度为0.1～2.0mm的粉末；
第3步：按照预先设定好的扫描路径，采用单个或多个激光扫描振镜对基板上的粉末进行扫描，使粉末熔化并凝固，形成沉积层，加工参数：单束激光功率为1.5～20kW，聚焦光斑直径为0.5～10.0mm，搭接率为15％～30％，扫描速度为100～800mm/s；
第4步：将基板下降与单层沉积层厚度相同的高度，并在沉积层上再铺一层厚度为0.1～2.0mm的粉末；
第5步：激光束按照预先设定的扫描路径，在所述扫描振镜的控制下对重新预置的粉末进行扫描，使粉末熔化并凝固，形成新的沉积层，加工参数：单束激光功率为1～18kW，聚焦光斑直径为0.5～10.0mm，搭接率为15％～30％，扫描速度为150～1000mm/s；
第6步：重复第4～5步，逐层沉积直至整个三维零件制造完成。
本发明选用包括最高功率大于1kW的半导体激光器、Nd:YAG激光器、光纤激光器、或多台激光器的组合作为能量源，并采用单个、或同时采用多个高功率激光扫描振镜对粉末进行快速扫描。成形过程中，采用了预置铺粉、增大单层沉积厚度、加大聚焦光斑直径、加大激光功率等工艺及方法，保证了各种大型金属零部件的快速成形，且成形精度高，制造周期短。
具体而言，本发明具有以下技术效果：
①相比于SLM与DLF技术而言，本发明采用预置铺粉式高功率激光快速成形，具有明显的高效率、高功率、高精度的快速制造特点，能制造出同时具备尺寸大、精度高、结构复杂三个典型特征的金属零部件，且成形时间短，效率高。这是SLM技术与DLF技术都不具备的特点。
②相比于原有SLM技术，在保证激光功率密度足够的前提下，采取了大幅度增加单层沉积厚度、激光功率、光斑直径、扫描速度等方法，特别是光斑直径最大可以达到10mm，比现有SLM技术高出100～500倍甚至更高，因此显著增加了成形效率，尤其是大型零部件的成形效率。使得预置铺粉、选区熔化的方式能够直接、高效、快速成形各种大型复杂结构金属零件，有效克服了传统的SLM技术只能成形小型零件的难题。
③相比于同步送粉式DLF技术成形大型金属零件而言，本发明采用预置铺粉式激光快速成形，其熔池呈静止状态，且有未熔粉末作为支撑，因此能成形具有任意悬空、大曲率特征的大型三维复杂结构金属零件，且成形精度高，有效克服了DLF技术只能成形简单毛坯零件的难题。
④相比于DLF技术，本发明采用了高功率激光扫描振镜对粉末进行扫描。在成形大型金属零件时，扫描振镜的起、停加速度大，扫描速度和跳转速度快，可以确保激光束的高扫描速度，成形精度高，有效克服了DLF技术在成形大型零件时的加速度低、加工速度有限，零件制造周期较长、制造成本较高的难题。
⑤本发明根据成形零件幅面的大小，灵活选择单振镜、双振镜、以及多振镜组合的方式进行扫描，即采用多头激光同时扫描的方式。它既能保证在成形大幅面、甚至是超大幅面金属结构件时实验能顺利进行，又能节省大量的加工时间，降低成本。
⑥与DLF技术和SLM技术相比，本发明同样具有良好的加工柔性，在无需任何模具的情况下可直接成形各种大型高精度、高光洁度的复杂结构金属零件。
⑦与DLF技术和SLM技术相比，本发明同样具有典型的快速熔化快速凝固特征，因此所成形的零件机械性能好，晶粒细小，致密度近100％，强度和塑性等力学性能较相同材质的锻件好。
具体实施方式
本发明提供的一种预置铺粉式激光快速成形金属零件的方法，包括下述步骤：
第1步：根据成形零件建立三维CAD模型，并用切片软件进行分层切片离散化处理，获得各层激光扫描路径，并将相关数据输入成形设备的控制***；
第2步：将经过处理后的基板固定在可升降的平台上，并用辊筒或刮板在基板表面均匀铺一层粉末，铺粉厚度为0.1～2.0mm；
第3步：按照预先设定好的扫描路径，采用单个或多个高功率激光扫描振镜(功率为1～20kW)对基板上的粉末进行快速扫描，使粉末快速熔化并凝固，形成沉积层。加工参数：单束激光功率为1.5～20kW，聚焦光斑直径为0.5～10.0mm，搭接率为15％～30％，扫描速度为100～800mm/s；
第4步：将基板下降与单层沉积层厚度相同的高度，并在沉积层上再铺一层粉末，厚度与上一层相同；
第5步：激光束按照预先设定的扫描路径，在扫描振镜的控制下对重新预置的粉末进行快速扫描，使粉末快速熔化并凝固，形成新的沉积层。加工参数：单束激光功率为1～18kW，聚焦光斑直径为0.5～10.0mm，搭接率为15％～30％，扫描速度为150～1000mm/s；
第6步：重复第4、5步，逐层沉积直至整个三维零件制造完成，待零件冷却后将其从基板上切割下来。根据所选粉末材料的不同，整个激光成形过程将在不同的保护腔体内进行。
为了更好地实现本发明，在保持成形时熔池的宽深比一定的前提下，所述单层铺粉厚度和光斑直径可根据成形零件的特征进行灵活选择。在成形薄壁结构金属零件时，单层铺粉厚度为0.1～0.5mm，聚焦光斑直径为0.5～2.5mm；在成形大型、形状相对复杂的金属结构件时，单层铺粉厚度为0.5～1.0mm，聚焦光斑直径为2.5～5.0mm；而在成形超大型简单结构件时，单层铺粉厚度1.0～2.0mm，聚焦光斑直径为5.0～10.0mm。
为了更好地实现本发明，所述高功率激光扫描振镜可根据成形零件幅面的大小，选择单、双、甚至多振镜组合的形式进行快速扫描。若采用双振镜或多振镜组合的方式进行扫描时，应使每个振镜扫描的区域大致相等。
为了更好地实现本发明，根据扫描振镜的组合需求，可选择包括单台半导体激光器、Nd:YAG激光器、光纤激光器、或者多台激光器的组合作为能量源。单台激光器对应单个扫描振镜，多台激光器组合对应多个扫描振镜组合。
为了详细地说明本发明，下面通过借助实施例来加以阐释，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
实施例1：一种大型不锈钢网格状薄壁零件预置铺粉式激光快速成形方法，步骤包括：
(1)建立该零件的三维CAD模型并存储为STL格式文件，用快速成形切片软件进行分层离散化处理，得到各层激光扫描路径，并将相关数据输入成形设备的控制***。
(2)将厚度为10mm的不锈钢基板经过表面预处理后安装在可升降的平台上，并用刮板、辊筒或者自动送粉器在基板表面均匀铺一层不锈钢粉末，粉末厚度为0.1mm。
(3)采用半导体激光器作为能量源，采用单个高功率扫描振镜，按照预先设定好的扫描路径，对已经预置好的粉末层进行快速扫描，使粉末快速熔化并凝固，形成沉积层。加工参数：激光束输出功率为1.5kW，聚焦光斑直径为0.5mm，搭接率为15％，扫描速度为100mm/s。
(4)将平台连同基板下降与单层沉积层厚度相同的高度，并在沉积层上重新铺一层粉末，粉末厚度与上一层相同。
(5)激光束按照新的扫描路径对该层粉末进行扫描，使粉末完全熔化并凝固，形成新的沉积层。加工参数：激光束输出功率为1kW，聚焦光斑直径为0.5mm，搭接率为15％，扫描速度为150mm/s。
(6)重复第(4)～(5)步，逐层沉积直至整个三维零件制造完成，然后关闭激光器和控制***，待零件冷却后将其从基板上切割下来。整个激光成形过程在保护气氛腔体内进行。
实施例2：一种大型镍基高温合金薄壁零件预置铺粉式激光快速成形方法，步骤包括：
(1)建立该零件的三维CAD模型并存储为STL格式文件，用快速成形切片软件进行分层离散化处理，得到各层激光扫描路径，并将相关数据输入成形设备的控制***。
(2)将厚度为20mm的镍基高温合金基板经过表面预处理后安装在可升降的平台上，并用刮板、辊筒或者自动送粉器在基板表面均匀铺一层镍基高温合金粉末粉末，粉末厚度为0.3mm。
(3)采用Nd:YAG激光器作为能量源，采用单个高功率扫描振镜，按照预先设定好的扫描路径，对已经预置好的粉末层进行快速扫描，使粉末快速熔化并凝固，形成沉积层。加工参数：激光束输出功率为4.5kW，聚焦光斑直径为1.5mm，搭接率为20％，扫描速度为200mm/s。
(4)将平台连同基板下降与单层沉积层厚度相同的高度，并在沉积层上重新铺一层粉末，粉末厚度与上一层相同。
(5)激光束按照新的扫描路径对该层粉末进行扫描，使粉末完全熔化并凝固，形成新的沉积层。激光束输出功率为4kW，聚焦光斑直径为1.5mm，搭接率为20％，扫描速度为300mm/s。
(6)重复第(4)～(5)步，逐层沉积直至整个三维零件制造完成，然后关闭激光器和控制***，待零件冷却后将其从基板上切割下来。整个激光成形过程在保护气氛腔体内进行。
实施例3：一种具有大曲率特征的不锈钢薄壁零件预置铺粉式激光快速成形方法，步骤包括：
(1)建立该零件的三维CAD模型，并对零件大曲率形状部分添加锯齿状薄壁支撑后存储为STL格式文件，用快速成形切片软件对上述数据进行分层离散化处理，得到各层激光扫描路径数据，并将相关数据输入成形设备的控制***。
(2)将厚度为30mm的不锈钢基板经过表面预处理后安装在可升降的平台上，并用刮板、辊筒或者自动送粉器在基板表面均匀铺一层不锈钢粉末，粉末厚度为0.5mm。
(3)采用光纤激光器作为能量源，采用单个高功率扫描振镜，按照预先设定好的扫描路径，对已经预置好的粉末层进行快速扫描，使粉末快速熔化并凝固，形成沉积层。加工参数：激光束输出功率为8.5kW，聚焦光斑直径为2.5mm，搭接率为20％，扫描速度为400mm/s。
(4)将平台连同基底下降与单层沉积层厚度相同的高度，并在沉积层上重新铺一层粉末，粉末厚度与上一层相同。
(5)激光束按照新的扫描路径对该层粉末进行扫描，使粉末完全熔化并凝固，形成新的沉积层。加工参数：激光束输出功率为8kW，聚焦光斑直径为2.5mm，搭接率为20％，扫描速度为500mm/s。
(6)重复第(4)～(5)步，逐层沉积直至整个三维零件制造完成，然后关闭激光器和控制***，待零件冷却后将其从基板上切割下来，并去掉制造过程中薄壁件的支撑结构。整个激光成形过程在保护气氛腔体内进行。
实施例4：一种具有悬空特征的大型铝合金结构件预置铺粉式激光快速成形方法。
采用DLF或SLM工艺直接成形，难以制造具有悬空特征的大型铝合金结构件。但是，采用本发明可以完成这一工艺。具体步骤如下：
(1)建立该零件的三维CAD模型，并对结构件悬空部分添加锯齿状薄壁支撑结构后，存储为STL格式文件；用快速成形切片软件进行分层离散化处理，得到各层激光扫描路径，并将相关数据输入成形设备的控制***。
(2)将厚度为40mm的铝合金基板经过表面预处理后安装在可升降的平台上，并用刮板、辊筒或者自动送粉器在基板表面均匀铺一层铝合金粉末，粉末厚度为0.8mm。
(3)采用光纤激光器作为能量源，采用单个高功率扫描振镜，按照预先设定好的扫描路径，对已经预置好的粉末层进行快速扫描，使粉末快速熔化并凝固，形成沉积层。加工参数：激光束输出功率为11kW，聚焦光斑直径为4.0mm，搭接率为20％，扫描速度为800mm/s。
(4)将平台连同基底下降与单层沉积层厚度相同的高度，并在沉积层上重新铺一层粉末，粉末厚度与上一层相同。
(5)激光束按照新的扫描路径对该层粉末进行扫描，使粉末完全熔化并凝固，形成新的沉积层。加工参数：激光束输出功率为10kW，聚焦光斑直径为4.0mm，搭接率为20％，扫描速度为1000mm/s。
(6)重复第(4)～(5)步，逐层沉积直至整个三维零件制造完成，然后关闭激光器和控制***，待零件冷却后将其从基板上切割下来，并去掉薄壁支撑结构。整个激光成形过程在保护气氛腔体内进行。
实施例5：一种大幅面钛合金复杂结构件预置铺粉式激光快速成形方法，步骤包括：
(1)建立该零件的三维CAD模型并存储为STL格式文件，用快速成形切片软件进行分层离散化处理，得到各层激光扫描路径，并将相关数据输入成形设备控制***。
(2)将厚度为40mm的钛合金基板经过表面预处理后安装在可升降的平台上，并用刮板、辊筒或者自动送粉器在基板表面均匀铺一层钛合金粉末，粉末厚度为1.0mm。
(3)采用两台光纤激光器作为能量源，将激光束分别导入两个高功率扫描振镜，单个振镜扫描整个二维平面1/2的区域。按照预先设定的扫描路径，对已经预置好的粉末层进行快速扫描，使粉末快速熔化并凝固，形成沉积层。加工参数：单束激光输出功率为16kW，聚焦光斑直径为5.0mm，搭接率为25％，扫描速度为500mm/s。
(4)将平台连同基底下降与单层沉积层厚度相同的高度，并在沉积层上重新铺一层粉末，粉末厚度与上一层相同。
(5)激光束按照新的扫描路径对该层粉末进行扫描，使粉末完全熔化并凝固，形成新的沉积层。加工参数：单束激光输出功率为15kW，聚焦光斑直径为5.0mm，搭接率为25％，扫描速度为600mm/s。
(6)重复第(4)～(5)步，逐层沉积直至整个三维零件制造完成，然后关闭激光器和控制***，待零件冷却后将其从基板上切割下来。整个激光成形过程在保护气氛腔体内进行。
实施例6：一种超大幅面钛合金简单结构件预置铺粉式激光快速成形方法，步骤包括：
(1)建立该零件的三维CAD模型并存储为STL格式文件，用快速成形切片软件进行分层离散化处理，得到各层激光扫描路径，并将相关数据输入成形设备控制***。
(2)将厚度为50mm的钛合金基板经过表面预处理后安装在可升降的平台上，并用刮板、辊筒或者自动送粉器在基板表面均匀铺一层钛合金粉末，粉末厚度为2.0mm。
(3)采用多台高功率二极管激光器作为能量源，将激光束分别导入四个高功率扫描振镜，单个振镜扫描整个二维平面1/4的区域。按照预先设定的扫描路径，对已经预置好的粉末层进行快速扫描，使粉末快速熔化并凝固，形成沉积层。加工参数：单束激光输出功率为20kW，聚焦光斑直径为10.0mm，搭接率为30％，扫描速度为600mm/s。
(4)将平台连同基底下降与单层沉积层厚度相同的高度，并在沉积层上重新铺一层粉末，粉末厚度与上一层相同。
(5)激光束按照新的扫描路径对该层粉末进行扫描，使粉末完全熔化并凝固，形成新的沉积层。加工参数：单束激光输出功率为18kW，聚焦光斑直径为10.0mm，搭接率为30％，扫描速度为800mm/s。
(6)重复第(4)～(5)步，逐层沉积直至整个三维零件制造完成，然后关闭激光器和控制***，待零件冷却后将其从基板上切割下来。整个激光成形过程在保护气氛腔体内进行。
本发明在原有快速成形技术基础之上加以改进，选用包括最高功率大于1kW的半导体激光器、Nd:YAG激光器、光纤激光器、或多台激光器的组合作为能量源，成形过程中采用了预置铺粉、增大单层沉积厚度、增大光斑直径、高功率激光振镜快速扫描等工艺及方法，保证了各种大型复杂结构金属零件的快速、高精度成形。有效克服了SLM技术只能成形小型金属零件和DLF只能近成形简单零件的缺点。本发明具体实施方式并不仅局限于上述举例中的一种，通过选择不同的粉末、粉末层厚以及不同的激光加工工艺参数都可实施本发明，并能达到很好的发明效果。
Claims (4)
1.一种激光快速成形三维金属零件的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
第1步：根据成形零件建立三维CAD模型，并用切片软件进行分层切片离散化处理，获得各层激光扫描路径；
第2步：将基板固定在可升降的平台上，并用刮板、辊筒或者自动送粉器在基板表面均匀铺一层厚度为0.1～2.0mm的粉末；
第3步：按照预先设定好的扫描路径，采用单个或多个激光扫描振镜对基板上的粉末进行扫描，使粉末熔化并凝固，形成沉积层，加工参数：单束激光功率为1.5～20kW，聚焦光斑直径为0.5～10.0mm，搭接率为15％～30％，扫描速度为100～800mm/s；
第4步：将基板下降与单层沉积层厚度相同的高度，并在沉积层上再铺一层厚度为0.1～2.0mm的粉末；
第5步：激光束按照预先设定的扫描路径，在所述扫描振镜的控制下对重新预置的粉末进行扫描，使粉末熔化并凝固，形成新的沉积层，加工参数：单束激光功率为1～18kW，聚焦光斑直径为0.5～10.0mm，搭接率为15％～30％，扫描速度为150～1000mm/s；
第6步：重复第4～5步，逐层沉积直至整个三维零件制造完成。
2.根据权利要求1所述的激光快速成形三维金属零件的方法，其特征在于，在成形薄壁结构金属零件时，单层铺粉厚度为0.1～0.5mm，聚焦光斑直径为0.5～2.5mm；在成形大型、形状相对复杂的金属结构件时，单层铺粉厚度为0.5～1.0mm，聚焦光斑直径为2.5～5.0mm；而在成形超大型简单结构件时，单层铺粉厚度1.0～2.0mm，聚焦光斑直径为5.0～10.0mm。
3.根据权利要求2所述的激光快速成形三维金属零件的方法，其特征在于，所用高功率激光扫描振镜根据成形零件尺寸、幅面的大小，选择单、双、甚至多振镜组合的形式进行快速扫描；若采用双振镜或多振镜组合的方式进行扫描时，使每个振镜扫描的区域大致相等。
4.根据权利要求3所述的激光快速成形三维金属零件的方法，其特征在于，根据扫描振镜的组合需求，选择包括单台半导体激光器、Nd:YAG激光器、光纤激光器、或者多台激光器的组合作为能量源，单台激光器对应单个扫描振镜，多台激光器组合对应多个扫描振镜组合。
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