CN109536946A - 一种激光熔融多金属双相围堰式增材制造方法 - Google Patents

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刘丰
孙福臻
刘阳
王化乔
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Abstract

本发明公布了一种激光熔融多金属双相围堰式增材制造方法，该方法将激光熔覆与多金属熔融填充相结合，通过激光熔覆构造围堰式结构与内堤式结构，并在围堰式结构与内堤式结构所包围的实体区域进行多金属熔融填充，利用当前成形层中金属熔体冗余热量及其在凝固时释放的相变潜热，使温度并未远离熔点的前一成形层表面再度升温以至重熔，当其再度凝固时即与同时凝固的当前成形层形成层间致密冶金结合。该方法不仅可以实现具有复杂结构金属件的直接快速成形，同时能够降低在金属材料增材制造中易产生的孔隙、疏松和裂纹缺陷率，提高金属材料增材制造成形效率和制件性能。

Description

一种激光熔融多金属双相围堰式增材制造方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，特别涉及一种激光熔融多金属双相围堰式增材制造方法。
背景技术
目前，增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术已成为国内外研究热点，该技术采用逐层堆积材料的方法制造三维实体，属于离散/堆积成形方法,即分层实体制造，与传统的去除成形(车、铣、刨、磨、钳等)方法和受迫成形(锻压、铸造粉末冶金等)方法相比，具有高精度、高性能、无污染等优点。
增材制造技术可加工原材料比较广泛，目前，诸如树脂、塑料等非金属材料的增材制造技术已有较为成熟的工业化应用。在金属材料增材制造方面，由于材料熔点高、热胀系数大、熔融后的熔体黏性与表面张力随温度变化剧烈等原因，在成形效率、成形性能、成形件变形与缺陷控制等方面还有很多难题亟待攻克。
国内外研究人员对金属材料增材制造技术进行了广泛而深入的研究，并取得了大量成果，如激光烧结成形、激光熔覆成形、真空电子束成形等。然而，之前取得的绝大多数技术成果，其物理原理都是通过单一能量源使基体（或前一成形层）金属材料与增材的金属键同时破坏并重新结合为新的键合，使层间形成致密冶金结合，藉此实现金属材料的离散/堆积成形。由于单一能量源输出功率有限、成形手段单一、成形效率受限于能量束截面面积等不利因素，在实际增材制造过程中体现出设备运行成本高、成形效率低、制造成品性价比不高等问题。因此，寻求金属材料多源高效快速增材制造方法，已经成为金属材料增材制造技术向实用化、产业化发展的关键所在。
发明内容
本发明针对现有金属材料增材制造技术存在成形效率低、制造成本高、生产周期长等问题，提出一种激光熔融多金属双相围堰式增材制造方法，通过该方法不仅可以实现具有复杂结构金属件的直接快速成形，同时将激光熔覆与多金属熔融填充相结合，通过激光熔覆构造围堰式结构与内堤式结构，并在围堰式结构与内堤式结构所包围的实体区域进行多金属熔融填充，利用当前成形层中金属熔体冗余热量及其在凝固时释放的相变潜热，使温度并未远离熔点的前一成形层表面再度升温以至重熔，当其再度凝固时即与同时凝固的当前成形层形成层间致密冶金结合，降低或杜绝在金属材料增材制造中易产生的孔隙、疏松、裂纹缺陷率，提高金属材料增材制造成形效率和制件性能。该方法的具体实施步骤为：
a. 预成形件三维模型数据处理：建立预成形件的CAD模型，利用分层软件，将建立的CAD模型沿高度方向进行分层处理，得到每一层的二维模型数据文件，将各层二维模型数据文件转换成能被激光熔覆装置和多金属熔融填充装置识别并执行的外轮廓及内孔轮廓熔覆指令和内部区域填充指令；
b. 利用激光熔覆沿外轮廓构造围堰：激光熔覆装置在外轮廓熔覆指令驱动下沿预成形件当前层外轮廓线进行同轴送粉激光熔覆，形成围堰式结构；
c. 当预成形件当前层平面为复连通域平面时，在步骤b执行完成后，利用激光熔覆装置在内孔轮廓熔覆指令驱动下沿当前层内孔轮廓线进行同轴送粉激光熔覆，形成内堤式结构；当预成形件当前层平面为单连通域平面时，则跳过本步骤直接执行步骤d；
d. 多金属熔融填充：多金属熔融填充装置在实体区域填充指令驱动下沿当前层优选填充路径连续喷射熔融的金属熔体，对预成形件当前层实体区域进行填充，当预成形件当前层平面为单连通域平面时，则对已经构造的围堰式结构所包围的实体区域沿当前层优选填充路径进行填充；当预成形件当前层平面为复连通域平面时，则对已构造的围堰式结构与内堤式结构之间的实体区域沿当前层优选填充路径进行填充；
e. 激光熔融双相围堰式逐层增材制造成形：经过逐层成形件外轮廓及内孔轮廓激光熔覆成形和实体区域多金属熔融填充，最终完成预成形金属件的激光熔融多金属双相围堰式增材制造。
进一步地，沿外轮廓线和内孔轮廓线进行的激光熔覆道次为单道次。
进一步地，多金属熔融填充实体区域路径根据如下方法进行优选：以当前层外轮廓在X、Y两个方向投影长度较短的方向作为填充道次行进方向，并以另一方向作为填充道次并列排布方向。
进一步地，所述金属围堰及内堤式结构在完全凝固后其底部与基板或前一成形层形成冶金结合，并沿轮廓线闭合。
进一步地，多金属熔融填充的金属熔体温度可根据材料热物理性质、基板或前一成形层热物理状态、成形条件等实时调节，使多金属熔融填充后凝固形成的当前成形层实体区域底部与基板或前一成形层形成冶金结合，并充满金属围堰所包围的除内堤所包围空间之外的其余所有空间。
进一步地，所述实体区域成形层与所述金属围堰内侧壁在完全凝固后形成冶金结合。
进一步地，所述实体区域成形层与所述内堤式结构外侧壁在完全凝固后形成冶金结合。
进一步地，所述激光熔覆装置与所述多金属熔融填充装置均可按照预成形件当前成形层材料信息进行相应单一或多种金属材料的激光熔覆与熔融填充。
本发明的工作原理为：利用激光熔覆沿预成形件外轮廓构筑围堰式结构并沿内孔边缘构筑内堤式结构，利用多金属熔融填充对所述围堰式结构和所述内堤式结构之间所包围的空间进行填充，使所述激光熔覆构筑的结构与所述多金属熔融填充所构筑的部分形成冶金结合，并逐层重复以上步骤直至完成预成形件增材制造。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1. 通过激光熔覆与多金属熔融填充相结合，避免了单一能量源输出功率有限、成形手段单一、成形效率受限于能量束截面面积等不利因素，能大幅提升金属材料增材制造的成形效率。
2. 通过构造围堰式结构提供成形范围约束，易于成形复杂型面、精细结构和柔性零件。
3. 易获得良好的界面结合质量，熔渣污染、热应力、残余应力、热影响区等均比较小。
4. 能够充分利用金属熔体余热及其在凝固时释放的相变潜热，使基板（或前一成形层）已凝固但温度并未远离熔点的表面重熔后再次凝固，并与当前成形层形成冶金结合。
5.根据当前成形层外轮廓在X、Y两个方向上的投影尺度对比结果对多金属熔融填充路径进行优化，能减少微裂纹的产生。
具体实施方式
为了清晰地表达出本发明的激光熔融多金属双相围堰式增材制造方法的具体实施方式，以下列举一个由A、B两种金属材料复合成形的激光熔融多金属双相围堰式增材制造实施例。
1. 利用计算机建立预成形件的三维实体模型；
2. 将该三维实体模型在Z向分层，即将该三维实体模型分成多个厚度为可加工单层厚度的层状模型；每个层状模型的数据文件中既包含该层外轮廓线形貌信息、内孔边缘形貌信息和外轮廓线与内孔边缘所包围的内部区域形貌信息，也包含所选用的一种或多种金属材料的分布区域信息；
3. 根据层状模型数据文件所包含的信息，利用计算机沿各层外轮廓线和内孔边缘生成激光熔覆路径，利用计算机生成多金属熔融填充路径；
4. 选用金属材料A的粉末状形态作为激光熔覆粉末，选用适当的激光熔覆工作参数将金属粉末A通过同轴送粉激光熔覆方式沿第一层外轮廓线熔覆于金属基板，形成围堰式结构；
5. 选用金属材料A的粉末状形态作为激光熔覆粉末，选用适当的激光熔覆工作参数将金属粉末A通过同轴送粉激光熔覆方式沿第一层内孔边缘线熔覆于金属基板，形成内堤式结构；
6. 选用金属材料B的丝材形态作为多金属熔融原料，通过送料装置将金属丝材B送入多金属熔融装置进行加热熔化，控制熔化后金属熔体以液流形式沿当前成形层外轮廓在X、Y两个方向上的投影尺度较短的方向逐道次填充于所述围堰式结构与内堤式结构之间的空白区域，每层的多金属熔融填充厚度与每层的金属围堰、内堤高度相等；
7. 重复步骤4-6，经过逐层激光熔覆与多金属熔融填充，最终完成预成形件的激光熔融多金属双相围堰式增材制造。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化、调整和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种激光熔融多金属双相围堰式增材制造方法，其特征在于，包含以下步骤：
a. 预成形件三维模型数据处理：建立预成形件的CAD模型，利用分层软件，将建立的CAD模型沿高度方向进行分层处理，得到每一层的二维模型数据文件，将各层二维模型数据文件转换成能被激光熔覆装置和多金属熔融填充装置识别并执行的外轮廓及内孔轮廓熔覆指令和实体区域填充指令；
b. 利用激光熔覆沿外轮廓构造围堰：所述激光熔覆装置在所述外轮廓熔覆指令驱动下沿预成形件当前层外轮廓线进行同轴送粉激光熔覆，形成围堰式结构；
c. 当预成形件当前层平面为复连通域平面时，在步骤b执行完成后，利用所述激光熔覆装置在所述内孔轮廓熔覆指令驱动下沿当前层内孔轮廓线进行同轴送粉激光熔覆，形成内堤式结构；当预成形件当前层平面为单连通域平面时，则跳过本步骤直接执行步骤d；
d. 多金属熔融填充：利用所述多金属熔融填充装置在所述实体区域填充指令驱动下沿当前层优选填充路径连续输出金属熔体液流，对预成形件当前层所述实体区域进行填充，当预成形件当前层平面为单连通域平面时，则对已经构造的围堰式结构所包围的实体区域沿当前层优选填充路径进行填充；当预成形件当前层平面为复连通域平面时，则对已构造的围堰式结构与内堤式结构之间的实体区域沿当前层优选填充路径进行填充；
e. 激光熔融双相围堰式逐层增材制造成形：经过逐层成形件外轮廓及内孔轮廓激光熔覆成形和实体区域多金属熔融填充，最终完成预成形金属件的激光熔融多金属双相围堰式增材制造。
2.如权利要求1所述的一种激光熔融多金属双相围堰式增材制造方法，其特征在于，沿外轮廓线和内孔轮廓线进行的激光熔覆道次为单道次。
3.如权利要求1所述的一种激光熔融多金属双相围堰式增材制造方法，其特征在于，多金属熔融填充实体区域路径根据如下方法进行优选：以当前层外轮廓在X、Y两个方向投影长度较短的方向作为填充道次行进方向，并以另一方向作为填充道次并列排布方向。
4.如权利要求1-3中任一项所述的一种激光熔融多金属双相围堰式增材制造方法，其特征在于，激光熔覆后凝固形成的金属围堰及内堤式结构底部与基板或前一成形层形成冶金结合，并沿轮廓线闭合。
5.如权利要求1-3中任一项所述的一种激光熔融多金属双相围堰式增材制造方法，其特征在于，多金属熔融填充的金属熔体温度可根据材料热物理性质、基板或前一成形层热物理状态、成形条件等实时调节，使多金属熔融填充后凝固形成的当前成形层实体区域底部与基板或前一成形层形成冶金结合，并充满金属围堰所包围的除内堤所包围空间之外的其余所有空间。
6.如权利要求1-3中任一项所述的一种激光熔融多金属双相围堰式增材制造方法，其特征在于，多金属熔融填充后凝固形成的实体区域成形层与激光熔覆后凝固形成的金属围堰内侧壁之间形成冶金结合。
7.如权利要求1-3中任一项所述的一种激光熔融多金属双相围堰式增材制造方法，其特征在于，多金属熔融填充后凝固形成的实体区域成形层与激光熔覆后凝固形成的内堤式结构外侧壁之间形成冶金结合。
8.如权利要求1-3中任一项所述的一种激光熔融多金属双相围堰式增材制造方法，其特征在于，激光熔覆装置与多金属熔融填充装置均可按照预成形件当前成形层材料信息进行相应单一或多种金属材料的激光熔覆与熔融填充。
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