CN109590468B - 激光直接增材制造奥氏体不锈钢构件表面粘粉的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光直接增材制造奥氏体不锈钢构件表面粘粉的控制方法，该方法主要实现过程为：基于单因素方法开展奥氏体不锈钢粉末的准连续激光直接增材制造试验，分别获取脉冲频率和占空比对样件表面粘粉的影响规律；依据实验数据确定可有效抑制表面粘粉的脉冲频率和占空比范围。本发明可有效控制激光直接增材制造奥氏体不锈钢构件时表面粘粉现象严重的问题；此外，本发明无需增加额外装置，对于一些表面质量要求不高的零件，无需采取后置处理工艺。因此该方法简单易行且制造成本低。
Description
技术领域
本发明面向金属激光直接增材制造和激光熔覆等先进成形技术，可应用于航空航天、汽车、船舶和能源等工业制造或修复领域，具体为一种激光直接增材制造奥氏体不锈钢构件表面粘粉的控制方法。
背景技术
激光直接增材制造技术属于激光增材制造的范畴，是一种很有应用前景的先进制造技术。该技术高度融合了激光熔覆、分层制造以及数字化制造的先进理念，以三维CAD数据驱动金属构件的快速直接制造。与传统减材工艺相比，激光直接增材制造技术具有自由成形、组织性能可控、短制造流程及短制造周期等显著优势。因适用于金属、合金、陶瓷和金属基复合材料等的快速直接制造，激光直接增材制造技术在航空航天、汽车、医疗和模具制造等工业领域中得到青睐和应用。
在激光直接增材制造过程中，激光束先熔化基体形成熔池，然后熔池捕获一部分被气力同步输送的粉末粒子，最后待激光束离开后，熔池快速凝固并包覆在基体上。在大多数情况下，粉束流在基板上的分布面积大于熔池面积。因此，在温度接近于凝固温度的熔池后缘和两侧区域，有一部分粉末粒子因未来得及熔化而被粘附在增材制件的表面。根据现有文献和我们开展的大量试验研究表明，在采用基于连续激光的直接增材制造技术成形奥氏体不锈钢构件时，表面粘粉现象极其严重。这种现象极大地恶化了不锈钢构件的表面质量，进而导致其不能满足实际的工程要求，同时也在一定程度上限制了激光直接增材制造技术的广泛应用。当然，目前的增减材复合制造技术能够有效解决这一问题。但是也相应地带来了时间成本和制造成本的上升。此外，封闭的型腔和内流道的粘粉问题是后续减材制造无法解决的难题。因此，研究控制奥氏体不锈钢增材构件表面粘粉的有效方法显得更为至关重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种激光直接增材制造奥氏体不锈钢构件表面粘粉的控制方法，有效降低传统连续激光直接增材制造奥氏体不锈钢构件时的粘粉程度，进而提高激光直接增材制造技术的加工性能和降低制造成本。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种激光直接增材制造奥氏体不锈钢构件表面粘粉的控制方法，该方法主要实现过程为：基于单因素方法开展奥氏体不锈钢粉末的准连续激光直接增材制造试验，分别获取脉冲频率和占空比对样件表面粘粉的影响规律；依据实验数据确定有效抑制表面粘粉的脉冲频率为20～60Hz和占空比为20％。
所述脉冲频率＝1/脉冲周期，占空比＝脉宽×100/脉冲周期。
所述奥氏体不锈钢包括304、316和316L不锈钢。
开展奥氏体不锈钢粉末的准连续激光直接增材制造试验的具体过程包括：
1)对选定的奥氏体不锈钢粉末进行干燥；
2)选择合适的惰性气体作为载运气体和保护气体；
3)设置合适的激光功率、脉冲波形、激光光斑大小、扫描速度、送粉量、提升量和载运气体流量；
4)选定脉冲频率和占空比作为试验因素，每个试验因素设置不少于四个水平，同时保持步骤8)中的所有工艺参数恒定；分别开展脉冲频率和占空比对表面粘粉影响的单因素试验；
5)根据步骤9)，采用激光直接增材制造工艺制备样件，然后分析样件表面的粘粉量，进而得到脉冲频率和占空比分别对粘粉量的影响规律，进而确定样件表面粘粉量最少的工艺参数。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明可有效控制激光直接增材制造奥氏体不锈钢构件时表面粘粉现象严重的问题；此外，本发明无需增加额外装置，对于一些表面质量要求不高的零件，无需采取后置处理工艺。因此该方法简单易行且制造成本低。
附图说明
图1为本发明使用的准连续激光功率的输出波形；
图2的(a)～(d)为本发明的不同占空比下制备的样件图像；(a)20％的占空比；(b)35％的占空比；(c)50％的占空比；(d)65％的占空比；
图3的(a)～(d)为不同脉冲频率下制备的样件图像；(a)20Hz的脉冲频率；(b)40Hz的脉冲频率；(c)60Hz的脉冲频率；(d)80Hz的脉冲频率。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
激光器选用IPG光电公司的YLS-5000-S4型Yd：光纤激光器，其激光输出波长为1.07μm，且可输出连续激光和准连续激光两种模式。准连续激光以矩形脉冲波输出(如图1所示)，其脉冲频率在1～5000Hz内可调，占空比在0～100％内可调。选择具有四个喷嘴的同轴送粉头。粉末材料选用气体雾化工艺制备的球形316L奥氏体不锈钢，其粒径范围是45～125μm。基板选用10mm厚的316L不锈钢基板。316L不锈钢的化学成分如表1所示。载运气体和保护气体选用纯度≥99.999％的高纯氩气。为改善粉末流动性，试验前将粉末在干燥箱中干燥30分钟以上。试验时，激光功率以矩形波形输出，激光功率、激光光斑直径、扫描速度、送粉量、提升量和载运气体流量分别设置为900W、1.32mm、400mm/min、11.63g/min、0.13mm和10l/min。样件采用单道多层往复打印的策略，打印长度为40mm，打印层数为80层。占空比和脉冲频率的设置如表2所示。
表1 316L不锈钢粉末的化学成分(质量分数％)
表2激光直接增材制造试验参数
试验方案为：首先，装入干燥后的不锈钢粉末，并在无激光下运行送粉器，直到同轴送粉头上的四个喷嘴均无堵粉现象且输出稳定的粉末流；然后，放置好不锈钢基板，并以其为参照调整同轴送粉头底端与基板的距离为14.5mm；第三，按预定的工艺参数依次打印样件，直至完成；最后，观察和比较样件，得到脉冲频率和占空比对粘粉的影响规律，并据此确定脉冲频率和占空比的最佳范围。
结果与结论：图2是脉冲频率为20Hz，占空比为20％～65％时对应的样件图像，可以看出样件表面的粘粉量(如图中的黑色区域)随占空比增大而显著增大，而且20％的占空比对应的粘粉量明显少于50％和65％的占空比对应的粘粉量。图3是占空比为20％，脉冲频率为20～80Hz时对应的样件图像。图中可以看出，脉冲频率在20～60Hz范围内时，样件表面的粘粉量几乎没有变化；而当脉冲频率增加到80Hz时，粘粉量有所增加，但增加量微小。上述分析可以得到，准连续激光的占空比对粘粉的影响非常显著，而脉冲频率对粘粉的影响微小，特别是在20～60Hz的脉冲频率内；减小占空比可以有效抑制样件表面的粘粉量。
Claims (3)
1.一种激光直接增材制造奥氏体不锈钢构件表面粘粉的控制方法，其特征在于，该方法主要实现过程为：基于单因素方法开展奥氏体不锈钢粉末的准连续激光直接增材制造试验，分别获取脉冲频率和占空比对样件表面粘粉的影响规律；依据实验数据确定有效抑制表面粘粉的脉冲频率为20～60Hz，占空比为20％；
开展奥氏体不锈钢粉末的准连续激光直接增材制造试验的具体过程包括：
1)对选定的奥氏体不锈钢粉末进行干燥；
2)选择合适的惰性气体作为载运气体和保护气体；
3)设置合适的激光功率、脉冲波形、激光光斑大小、扫描速度、送粉量、提升量和载运气体流量；
4)选定脉冲频率和占空比作为试验因素，每个试验因素设置不少于四个水平，同时保持步骤3)中的所有工艺参数恒定；分别开展脉冲频率和占空比对表面粘粉影响的单因素试验；
5)根据步骤4)，采用激光直接增材制造工艺制备样件，然后分析样件表面的粘粉量，进而得到脉冲频率和占空比分别对粘粉量的影响规律，进而确定样件表面粘粉量最少的工艺参数；
所述准连续激光以矩形脉冲波输出；
其中，激光功率、激光光斑直径、扫描速度分别设置为900W、1.32mm、400mm/min。
2.根据权利要求1所述的激光直接增材制造奥氏体不锈钢构件表面粘粉的控制方法，其特征在于，所述脉冲频率＝1/脉冲周期，占空比＝脉宽×100/脉冲周期。
3.根据权利要求1所述的激光直接增材制造奥氏体不锈钢构件表面粘粉的控制方法，其特征在于，所述奥氏体不锈钢为304、316或316L不锈钢。
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