CN104588649A - 激光直接成形悬臂结构金属零件的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光直接成形悬臂结构金属零件的工艺，其特征在于，零件模型不存在悬臂结构时，按照正常工艺熔覆。成形至悬臂层时，按以下三种方法之一提供支撑：①将金属粉末填充到零件周围，并将粉末刮平、压实，与零件当前熔覆层平齐；②将金属细网平铺到已成形零件上；③将粉末压制成的薄片置于当前熔覆层平齐处。悬臂一层不同方式的支撑对应不同的成形工艺：①、降低激光器功率并关闭送粉器，在刮平、压实后的金属粉末上空扫一层；②、先扫描轮廓，将金属细网熔融到已成形零件基体上，再降低激光器功率，填充扫描一层；③、直接按照正常工艺成形。利用前一层提供的支撑，后续可按照正常工艺成形。

Description

激光直接成形悬臂结构金属零件的工艺

技术领域

本发明涉及激光增材制造技术，特别涉及激光直接成形中利用粉末、金属细网、粉末压制成的薄片提供支撑，以成形悬臂结构零件的方法，主要用于解决三轴(甚至五轴)激光***中无法解决的悬臂结构零件成形问题。

背景技术

激光直接成形是20世纪90年代初发展起来的融合了快速成形技术和激光熔覆技术的先进制造技术。其以“离散－堆积”成形原理为基础，首先在计算机中生成功能零件的三维CAD实体模型；然后将零件的三维形状信息切片分层，转换为一系列的二维轮廓信息，层面几何信息融合成形参数生成扫描路径数控代码，在数控***控制下，采用同步送粉激光熔覆的方法按照扫描轨迹逐层熔覆堆积，最终形成三维实体零件。作为颠覆传统制造业的新技术，能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、全致密近净成形，被视为第三次工业革命，在世界范围内掀起了研究和应用的热潮。尤其适用于传统方法难以制造的特种材料或特殊形状金属零件，在航空航天、汽车工业、模具设计与制造、生物医学等领域有着广泛的应用前景。

实际对于喷粉式激光直接成形装备并不能成形任意复杂的金属零件。以三轴联动的成形设备为例，对于超过极限倾斜角度和具有悬臂结构的零件，需要添加支撑才能成形，从而降低了成形效率，且部分支撑去除困难甚至无法去除。五轴联动的成形设备可以克服较大倾斜角度的问题，但是对于某些复杂的悬臂结构仍无法成形(比如航空发动机涡轮叶片顶部的成形)。可见复杂悬臂结构限制着激光直接成形技术的广泛应用。

发明内容

针对现有激光直接成形技术中无法成形悬臂结构金属零件的问题，本发明的目的是提供一种采用预置粉末、金属细网、薄片的方法，为后续熔覆成形提供支撑，以成形含有悬臂结构金属零件的工艺。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种激光直接成形悬臂结构金属零件的工艺，其特征在于，包括下述步骤：

(1)金属零件不存在悬臂结构时，按激光成形常规工艺直接熔覆金属 粉末；

(2)熔覆至悬臂结构的一层时，按以下三种方法之一提供支撑：

①、将金属粉末填充到零件周围，并将粉末压实，并与零件当前端面平齐；

②、将金属细网平铺于零件当前端面；

③、将预制的粉末薄片平铺于零件当前端面，薄片形状与悬臂部分相同；

(3)悬臂层根据步骤(2)不同方式的支撑，对应以下不同的成形工艺：

①、对步骤(2)①的支撑，降低激光器功率并关闭送粉器，在与零件当前端面平齐的金属粉末上按悬臂轮廓扫描；使粉末部分熔化形成烧结层；

②、对步骤(2)②的支撑，先按悬臂轮廓扫描，将金属细网熔融到零件当前端面；降低激光器功率，再填充扫描一层；

③、对步骤(2)③的支撑，直接按照常规工艺继续成形；

(4)后续的成形只需按正常工艺继续熔覆，若再遇到悬臂结构，则再返回至步骤(2)。

上述工艺中，所述对步骤(2)②的预置金属粉末的支撑形式，悬臂结构成形结束后，需清理回收填充的金属粉末。

成形用金属粉末粒度为40～60μm。可优先选用材料为Ti-6Al-4V，也即TC4粉末。

本发明在激光直接成形中，选用烧结的一层粉末、同种金属的细网、粉末压制成的薄片做支撑，可以完成悬臂结构的成形，解决了悬臂结构金属零件激光直接成形困难的问题。本发明借鉴了激光选区烧结技术(SLM)中，三维模型的悬臂部分利用金属粉末做支撑，而不用再为模型搭建实体支撑。理论上可以成形任意复杂的实体零件，且由于激光直接成形零件的特点，其强度高于激光选区烧结。由于不存在不必要的实体支撑，可以最大限度提高成形效率，节省粉末。

本发明可以在三个运动轴的激光金属成形设备条件下，快速制造具有悬臂结构的金属零件，适用于航空发动机叶片、内流道等复杂结构的成形。

附图说明

图1为激光直接成形***示意图。图中：1、激光束；2、载气粉末；3气氛保护罩；4、数控工作台；5、送粉喷嘴；6、基板。

图2为本发明激光直接成形悬臂零件的一个实例。其中：(a)金属零 件不含悬臂结构的部分，在基板上直接成形；(b)在预置的金属粉末上烧结一层；(c)最终成形金属零件。图中：6、基板；7、没有悬臂结构部分的零件；8、预置的金属粉末；9、在预置粉末上烧结的一层；10、粉末容器；11、最终成形的金属零件。

图3为本发明激光直接成形悬臂零件的另一个实例的形貌照片。其中：(a)利用金属网做支撑；(b)最终成形的TC4悬臂结构零件。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。

参见图1，本发明激光直接成形***包括激光器、计算机、三坐标数控工作台4、保护气及送粉器、送粉喷嘴5、气氛保护罩3等，激光器产生并传导激光束1到加工区域，三坐标数控工作台实现激光束与成形试样之间的相对运动，送粉器将载气粉末2传输到四路送粉喷嘴，使粉末流与激光束重合，气氛保护罩3保证成形室的氧含量达到加工要求。

实施例一

(1)激光直接成形悬臂结构金属零件选用材料：实验中使用的金属粉末常用Ti-6Al-4V(TC4)粉末，粉末粒度为40～60μm，基板6的材料为TC4基板。

(2)实验前将粉末置于真空干燥箱中加热到150℃，保温24h，以去除水分并增强粉末流动性；TC4基板表面用细砂纸打磨后，用丙酮溶液去除基板表面油脂和污渍，最后将基板表面用乙醇溶液清洗干净。

(3)成形过程中，高度小于3cm时在TC4基板上正常成形，主要的工艺参数为激光功率200W,扫描速度10mm/s,送粉量为4g/min，Z轴提升量为0.1mm，两道间搭接间距为0.30mm。

(4)高度为3cm时，零件轮廓形状为矩形面，矩形面的中间部分没有支撑，不能直接成形[图2(a)]。故将零件周围填充上金属粉末8，压实后刮平，使粉末与零件上表面平齐，成形悬臂层时关闭送粉器，防止送粉喷嘴将压实的粉末吹散。降低激光功率到150W，从而使粉末部分熔化，连接在一起(预置粉末上烧结的一层9)，为下一层提供支撑[图2(b)]。

(5)高度大于3mm时，按照正常工艺参数成形即可：打开送粉器，提高激光功率到200W。成形完毕后清理回收粉末，最终成形钛合金零件如图2(c)所示。

实施例二

(1)成形高度小于3cm时，与实例一采用相同工艺；成形到高度为3cm时采用钛网代替粉末做支撑[图3(a)]。

(2)在钛网上成形时，先按照正常功率扫描轮廓，将钛网熔融到已成形零件基体上。然后降低激光器功率至100W，打开送粉器，填充扫描一层。

(3)在已成形一层的支撑上，即可按照正常工艺成形，最终成形零件如图3(b)所示。

本实实例利用与金属粉末同种元素的金属细网充当支撑也可以为后续成形提供支撑。与金属粉末做支撑相比，金属细网熔覆时，悬臂层底部没有额外的粘粉，从而具有更高的成形精度。

实施例三

用预制的粉末薄片替代实施例二中的金属细网，平铺于零件当前端面，薄片形状与悬臂部分相同，可以在薄片上直接按照正常工艺成形。

Claims (4)

1.一种激光直接成形悬臂结构金属零件的工艺，其特征在于，包括下述步骤：

(1)金属零件不存在悬臂结构时，按激光成形常规工艺直接熔覆金属粉末；

(2)熔覆至悬臂结构的一层时，按以下三种方法之一提供支撑：

①、将金属粉末填充到零件周围，并将粉末压实，并与零件当前端面平齐；

②、将金属细网平铺于零件当前端面；

③、将预制的粉末薄片平铺于零件当前端面，薄片形状与悬臂部分相同；

(3)悬臂层根据步骤(2)不同方式的支撑，对应以下不同的成形工艺：

①、对步骤(2)①的支撑，降低激光器功率并关闭送粉器，在与零件当前端面平齐的金属粉末上按悬臂轮廓扫描；使粉末部分熔化形成烧结层；

②、对步骤(2)②的支撑，先按悬臂轮廓扫描，将金属细网熔融到零件当前端面；降低激光器功率，再填充扫描一层；

③、对步骤(2)③的支撑，直接按照常规工艺继续成形；

(4)后续的成形只需按正常工艺继续熔覆，若再遇到悬臂结构，则再返回至步骤(2)。

2.如权利要求1所述的激光直接成形悬臂结构金属零件的工艺，其特征在于，所述对步骤(2)②的预置金属粉末的支撑形式，悬臂结构成形结束后，需清理回收填充的金属粉末。

3.如权利要求1所述的激光直接成形悬臂结构金属零件的工艺，其特征在于，成形用金属粉末粒度为40～60μm。

4.如权利要求1所述的激光直接成形悬臂结构金属零件的工艺，其特征在于，成形用金属粉末选用材料为Ti-6Al-4V，也即TC4粉末。