CN111203539B - 预制气孔缺陷、内置气孔缺陷的制备方法及预制件 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种预制气孔缺陷的制备方法、内置气孔缺陷的制备方法及内置气孔缺陷的预制件。其中，预制气孔缺陷的制备方法包括设定缺陷区；设定所述缺陷区中的气孔缺陷的体积占比；根据所述气孔缺陷的体积占比调节卫星球粉末占比、空心粉末占比以及缺陷制备工艺参数；基于激光熔化沉积工艺，采用缺陷制备粉末以及缺陷制备工艺参数逐层打印缺陷区；其中，缺陷制备粉末的粒度在45μm至106μm之间，其中的卫星球粉末占比55‑65%，空心粉末占比2.9‑3.1%；缺陷制备工艺参数包括：激光功率600W‑1000W，扫描速率400mm/min‑800mm/min，送粉速率12g/min‑20g/min，光斑直径1mm‑2mm，扫描间距0.5mm‑1mm，层厚0.15mm‑0.2mm。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种预制气孔缺陷的制备方法、内置气孔缺陷的制备方法及内置气孔缺陷的预制件。
背景技术
增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术俗称3D打印（Three DimensionPrinting）技术，目前金属增材制造技术逐渐成熟，已广泛应用于航空航天、医疗、汽车、核电等领域。其中，基于同步送粉的激光熔化沉积（Laser Melting Deposition, LMD）技术是常见的一种增材制造技术，该技术通过载粉气输送汇聚球形粉末，使用高能激光束将同步输送汇聚的金属粉末熔化，形成移动的非稳态金属熔池，在高温度梯度下小熔池快速凝固，逐层熔化堆积，最终形成实体零件，一般适用于航空航天国防装备大型复杂金属结构件低成本、短周期的快速成形，或高附加值零部件的快速修复，如航空发动机安装节***、后节平台、整体叶盘、涡轮叶片等零件。
同步送粉的激光熔化沉积金属成形/修复过程涉及温度场、应力场等多场耦合，是一个复杂的非平衡态凝固的过程，不稳定性因素多，不可避免的会产生不同类型和尺寸的缺陷，常见的有气孔、裂纹、熔合不良等。增材制造件由于组织和性能具有各向异性的特点，不同于传统的铸造、锻造、焊接等制件，产生的缺陷亦有所差异，现有缺陷检测和评价方法基本不适用于增材制造制件。因此，制备具有缺陷的增材制造标块、缺陷试样或缺陷零件，不仅能为准确地进行缺陷的无损检测做准备，同时能对增材制造中产生的缺陷精确地进行定性和定量研究，精确模拟不同类型或尺寸的缺陷对金属增材制造成形/修复件力学性能的影响，进一步研究和验证缺陷对增材制造零件可靠性的影响，对航空航天等领域增材制造零件的应用具有重大的意义。
气孔缺陷是由于金属在冷却凝固过程中析出或侵入的气体未能及时溢出，产生的球形孔洞。构件内部的气孔缺陷，一般作为裂纹萌生和扩展源，使材料的机械性能明显变差，严重影响构件的使用寿命。对于制备内置气孔缺陷金属制件，目前主要有两种方法，一种是在制件表面预制气孔再进行盖面焊接，制造出具有一定尺寸的气孔缺陷；第二种是利用激光选区熔化(SLM)3D打印直接设计气孔缺陷轮廓，直接成形内部具有气孔的制件。第一种方法制备的气孔缺陷制件已经对制件的组织、性能等进行了不同程度的破坏，第二种方法制备的气孔缺陷破坏了组织的连续性和完整性，同时还会将粉末留存在孔洞内，边界也易出现粘粉，无法成行圆滑的气孔，若直径较小的孔易被边界轮廓熔化的金属填充，则无法成形气孔。以上两种方法均不能准确模拟制件凝固过程中产生气孔缺陷的特征，不能准确表征气孔缺陷处组织结构特点，不能准确有效地评价缺陷与力学性能的影响关系。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种预制气孔缺陷的制备方法，能够准确有效地控制预制件中气孔缺陷出现的位置以及占比。
本发明的另一个目的在于提供一种内置气孔缺陷的预制件的制备方法，能够准确有效地评价处于预制件内部的气孔缺陷与力学性能的影响关系。
本发明的又一个目的在于提供一种内置气孔缺陷的预制件，由前述制备方法制成。
本发明的又一个目的在于提供一种内置气孔缺陷的零件修复件的制备方法，能够准确有效地评价处于零件修复件内部的气孔缺陷与力学性能的影响关系。
为实现前述一个目的的预制气孔缺陷的制备方法，包括：
设定缺陷区；
设定所述缺陷区中的气孔缺陷的体积占比；
根据所述气孔缺陷的体积占比调节卫星球粉末占比、空心粉末占比以及缺陷制备工艺参数；
基于激光熔化沉积工艺，采用缺陷制备粉末以及所述缺陷制备工艺参数逐层打印所述缺陷区；
其中，所述缺陷制备粉末的粒度在45μm至106μm之间，其中的所述卫星球粉末占比未55-65%，所述空心粉末占比为2.9-3.1%；
所述缺陷制备工艺参数包括：激光功率600W-1000W，扫描速率400mm/min-800mm/min，送粉速率12g/min-20g/min，光斑直径1mm-2mm，扫描间距0.5mm-1mm，层厚0.15mm-0.2mm。
在一个或多个实施方式中，调节所述缺陷制备工艺参数包括：
调整所述激光功率P和扫描速率v之间的比值来控制所述缺陷区中的气孔缺陷的体积占比；
其中，P/v的比值越小，所述缺陷区中的气孔缺陷的体积占比越大。
在一个或多个实施方式中，所述缺陷制备粉末由气雾化法制备而成。
为实现前述另一目的的内置气孔缺陷的预制件的制备方法，用于激光熔化沉积工艺，包括：
获取所述预制件的三维模型；
划分所述三维模型为至少一个缺陷区以及成形区；
预设所述气孔的体积在所述缺陷区的体积中的占比大小；
根据所述气孔缺陷的体积占比调节卫星球粉末占比、空心粉末占比以及缺陷制备工艺参数；
逐层打印所述预制件，其中，针对所述缺陷区对应的层，采用缺陷制备粉末以及缺陷制备工艺参数打印；
其中，缺陷制备粉末粒度在45μm至106μm之间，其中的所述卫星球粉末占比为55-65%，所述空心粉末占比为2.9-3.1%；
所述缺陷制备工艺参数包括：激光功率600W-1000W，扫描速率400mm/min-800mm/min，送粉速率12g/min-20g/min，光斑直径1mm-2mm，扫描间距0.5mm-1mm，层厚0.15mm-0.2mm。
在一个或多个实施方式中，划分所述三维模型为多个缺陷区以及成形区，其中，针对每个所述缺陷区分别设定所述卫星球粉末占比、所述空心粉末占比以及所述缺陷制备工艺参数。
在一个或多个实施方式中，调节所述缺陷制备工艺参数包括：
调整所述激光功率P和扫描速率v之间的比值来控制所述缺陷区中的气孔缺陷的体积占比；
其中，P/v的比值越小，所述缺陷区中的气孔缺陷的体积占比越大。
在一个或多个实施方式中，所述缺陷制备粉末由气雾化法制备而成。
在一个或多个实施方式中，内置气孔缺陷的预制件的制备方法还包括：
对所述三维模型的所述缺陷区以及所述成形区进行模型处理，包括：
余量添加处理；
分层切片处理；以及，
路径规划处理。
在一个或多个实施方式中，内置气孔缺陷的预制件的制备方法还包括：
对打印完成的所述预制件进行热处理；
将打印完成的所述预制件与打印基板分割；以及，
对打印完成的所述预制件进行表面处理。
为实现前述又一目的的内置气孔缺陷的预制件，其由如前所述的制备方法制成。
为实现前述又一目的的内置气孔缺陷的零件修复件的制备方法，用于激光熔化沉积工艺，所述零件修复件包括零件本体以及零件修复区，所述零件修复区用于修复所述零件本体中的缺陷或损伤，所述制备方法包括：
分别获取所述零件本体以及所述零件修复区的三维模型；
获得所述零件本体；
划分所述零件修复区的三维模型为至少一个缺陷区以及成形区；
预设所述气孔的体积在所述缺陷区的体积中的占比大小；
根据所述气孔缺陷的体积占比调节卫星球粉末占比、空心粉末占比以及缺陷制备工艺参数；
在所述零件本体的缺陷中逐层打印所述零件修复区，其中，针对所述缺陷区对应的层，采用缺陷制备粉末以及缺陷制备工艺参数打印；
其中，所述缺陷制备粉末的粒度在45μm至106μm之间，其中的所述卫星球粉末占比为55-65%，所述空心粉末占比为2.9-3.1%；
所述缺陷制备工艺参数包括：激光功率600W-1000W，扫描速率400mm/min-800mm/min，送粉速率12g/min-20g/min，光斑直径1mm-2mm，扫描间距0.5mm-1mm，层厚0.15mm-0.2mm；
其中，通过调节所述卫星球粉末占比、所述空心粉末占比以及所述缺陷制备工艺参数来控制所述缺陷区中的气孔缺陷的体积占比。
在一个或多个实施方式中，调节所述缺陷制备工艺参数包括：
调整所述激光功率P和扫描速率v之间的比值来控制所述缺陷区中的气孔缺陷的体积占比；
其中，P/v的比值越小，所述缺陷区中的气孔缺陷的体积占比越大。
在一个或多个实施方式中，所述缺陷制备粉末由气雾化法制备而成。
在一个或多个实施方式中，内置气孔缺陷的零件修复件的制备方法中，所述零件本体中的缺陷为冶金缺陷、加工缺陷或服役缺陷，所述制备方法还包括：
在完整零件中开槽以获得所述零件本体。
在一个或多个实施方式中，内置气孔缺陷的零件修复件的制备方法还包括：
对所述零件修复区的三维模型的所述缺陷区以及所述成形区进行模型处理，包括：
余量添加处理；
分层切片处理；以及，
路径规划处理。
在一个或多个实施方式中，内置气孔缺陷的零件修复件的制备方法还包括：
对打印完成的所述零件修复件进行热处理；以及，
对打印完成的所述零件修复件进行表面处理。
本发明的增益效果在于：实现了对内置气孔缺陷的零件修复件内部的气孔缺陷进行模拟，从而得到具有自然生成气孔缺陷的零件修复件，进一步分析内置气孔缺陷与增材制造零件修复件可靠性的关系，为金属增材制造成形的应用提供有力的理论支持，具有广阔的研究和应用前景。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1示意性示出了一个实施方式内置气孔缺陷的预制件的示意图；
图2示意性地示出了预制件中包含缺陷区以及成形区处切面的示意图；
图3为用于制备如图1示出的预制件的制备方法的流程图；
图4示出了一个实施方式制造的预制件气孔缺陷的抛光态金相形貌；
图5示意性示出了另一实施方式内置气孔缺陷的零件修复件缺陷区处的剖面的示意图；
图6示出了零件修复区的剖面示意图；
图7示出了用于制备如图5示出的预制件的制备方法的流程图；
图8示出了另一实施方式制造的预制件气孔缺陷的抛光态金相形貌。
具体实施方式
下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本申请的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。
需要注意的是，在使用到的情况下，如下描述中的上、下、左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。
需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。
本发明的一个方面提供了一种预制气孔缺陷的制备方法，其通过如下步骤实现制备气孔缺陷。
首先，设定缺陷区，可以理解的是，文中所称的缺陷区是指包含所欲预制的气孔缺陷的部分，其可以是待打印零件的一部分，例如零件内部或靠近零件表面的局部区域，也可以是零件整体，即待打印零件的整体作为缺陷区。
随后设定缺陷区内的气孔缺陷体积占比，并根据气孔缺陷体积占比调节卫星球粉末占比、空心粉末占比以及缺陷制备工艺参数。
随后，基于激光熔化沉积工艺，采用缺陷制备粉末以及缺陷制备工艺参数逐层打印缺陷区，可以理解的是，文中所指的缺陷制备粉末特指用于打印缺陷区的特定粉末，缺陷制备工艺参数则指用于打印缺陷区的特定打印参数，具体地，缺陷制备粉末的种类、化学成分、物理特性可与正常打印的成形区粉末相同或不同，粉末制备工艺可相同或不同，即缺陷区和成形区的粉末可为同一粉末，仅成形工艺不同即可。详细的缺陷制备粉末以及缺陷制备工艺参数如后文所述。
其中，缺陷制备粉末的粒度在45μm至106μm之间，其中的卫星球粉末占比55-65%，空心粉末占比2.9-3.1%。需要说明的是，文中所指的粒度是指粉末颗粒的大小。一般而言，球形颗粒的粒度用直径表示。对不规则的颗粒，可将与该颗粒有相同行为的某一球体直径作为该颗粒的等效直径。粉末的粒度分布通常可以通过干筛分法或激光粒度分析仪湿法测量。卫星球粉末占比是指在缺陷制备粉末中外形呈圆球形的大小两颗粒或多颗粒粉末粘接在一起、表面具有突出结构、非光滑圆球状的卫星球粉末占总缺陷制备粉末数量的比例，在用于增材制造的粉末材料中，粉末颗粒在外形上具有多种形态，如呈圆球形、表面光滑的球形粉末；以及其他不规则形状如条状、棒状、片状等的不规则粉末。空心粉末占比是指在缺陷制备粉末中呈空心的粉末数量占总缺陷制备粉末数量的比例，用于增材制造的粉末材料中内部具有孔隙呈空心的粉末被称为空心粉末。可以理解的是，缺陷制备粉末中的球形粉末占比取决于粉末外轮廓，而缺陷制备粉末中的空心粉末占比取决于粉末内部是否具有孔隙呈空心状。在一个实施方式中，缺陷制备粉末是通过气雾化法制备而成，其是通过超音速气体将喷嘴处的金属液冲击破碎，雾化成细小熔滴经冷却后获得细小粉末颗粒，能够较为容易获得指定占比的空心粉末以及卫星球粉末。
前述的缺陷制备工艺参数包括：激光功率600W-1000W，扫描速率400mm/min-800mm/min，送粉速率12g/min-20g/min，光斑直径1mm-2mm，扫描间距0.5mm -1mm，层厚0.15mm-0.2mm。
其中，通过调节卫星球粉末占比、空心粉末占比以及缺陷制备工艺参数来控制所述缺陷区中的气孔缺陷的体积占比。可以理解的是，文中所指的缺陷区中的气孔缺陷的体积占比是指在缺陷区内所有气孔缺陷的总体积大小在缺陷区的体积大小中的占比。
具体而言，在一个实施方式中，是通过调整激光功率和扫描速率之间的比值来控制缺陷区中的气孔缺陷的体积占比，通过减少激光功率和扫描速率之间的比值能够使缺陷区中的气孔缺陷的体积占比增加，其中，当激光功率和扫描速率之间的比值小于2.5时，缺陷区中的气孔缺陷的体积占比将大于0.01%。在另一实施方式中，调节缺陷制备工艺参数的方式是根据试错来决定，如在第N+1次试验中调整了参数A，其所制备的气孔缺陷体积占比相对第N次试验中发生了增加的变化趋势，则通过不断调整参数A来实现取得标定的体积占比。另一实施方式中，还可以提供一参数数据库，用于记录每一次调整缺陷制备工艺参数后气孔缺陷占比的变化，从而对于获得确定比例的气孔缺陷，可以通过查阅参数数据库中的内容来调节缺陷制备工艺参数。
由于空心粉末内含有气体，非圆球粉末（如卫星球粉末）在实际打印过程中更易产生气孔，通过减少能量输入（降低激光功率或增加扫描速度）可以防止气体在成形过程中跑出，故通过调节空心粉末占比能够保证打印过程中产生气体，而调整激光功率以及送粉速率可以保证成形件中的气孔含量。由于增材制造件中气孔缺陷的形成主要受原材料粉末和工艺的影响，若原材料粉末中存在空心粉末，在实际打印过程中空心粉末内部的气体会随着粉末进入熔池中，若原材料粉末中存在表面凹凸不平的粉末（如卫星球粉），在同步送粉的过程中易将气体卷入熔池中，气体在熔池中若未能及时溢出，则随着熔池凝固即形成气孔。故通过调节卫星球粉末占比能够保证打印过程中产生气体，而通过减少能量输入（如降低激光功率或增大扫描速率）可加快熔池凝固速度，使熔池中的气体不能及时溢出，故通过调节激光功率以及扫描速率可以保证成形件中的气孔含量。
通过本方法制备的气孔缺陷是在打印过程中自然生成，能保留气孔生成周围具有组织结构的对应连续特征，同时通过调节缺陷制备工艺参数来实现获得指定比例的气孔缺陷，为进一步评价气孔缺陷与力学性能的影响关系提供基础。
为进一步体现通过本气孔缺陷制备方法制备气孔的实现方式，以下通过实施方式1-2来具体阐明实现气孔制备的具体方式。
实施方式1
实施方式1记载了一种内置气孔缺陷的预制件的制备方法及通过该制备方法的内置气孔缺陷的预制件。
如图1示意性示出了本实施方式内置气孔缺陷的预制件的示意图，图2示意性地示出了预制件中包含缺陷区以及成形区处切面的示意图；图3为用于制备如图1示出的预制件的制备方法的流程图。
请结合参见图1以及图3，为制备如图1所示出的预制件1，可首先执行S100:获取预制件1的三维模型，具体地，可以通过三维扫描等方式获得增材制造预制件1的三维模型，该三维模型可以在三维图形处理软件如：UG、AUTOCAD等建模软件中得到表达。
随后执行步骤S101：将预制件1划分成为缺陷区10以及成形区11，文中所指的成形区可以理解为零件中除去缺陷区10的其他部分均可被视作为成形区11。其中，图1仅实例性地示出了在预制件1中划分出一个缺陷区10，可以理解的是，缺陷区10的数量也可以两个或多个。在本实施例中，预制件1中除去缺陷区10的部分均可理解为成形区11。
随后，执行S102，指定内置的气孔缺陷体积在缺陷区10体积中的占比大小，该占比大小可以根据需要模拟的实际打印零件中内置气孔缺陷体积占实际打印零件体积的占比来确定，即（内置气孔缺陷体积/缺陷区体积）*缺陷区体积/预制件体积=实际打印零件中内置气孔缺陷体积/实际打印零件体积。当预制件1中的缺陷区10数量为大于一个时，通过步骤S101中将预制件1划分成为缺陷区10以及成形区11能够快速、准确地在预制件1中按照实际比例控制缺陷。 与此同时，可根据气孔缺陷的体积占比调节卫星球粉末占比、空心粉末占比以及缺陷制备工艺参数。
随后，执行S104，逐层打印内置气孔缺陷的预制件1。其中，图2示意性地示出了预制件中包含缺陷区10以及成形区11处切面的示意图，其中，在每一如图2示出的切面中，缺陷区10部分采用缺陷制备粉末以及缺陷制备工艺参数打印该指定层，成形区11部分采用成形粉末以及成形工艺参数打印该指定层。
具体而言，缺陷制备粉末中，粉末粒度在45μm至106μm之间，卫星球粉末占比55-65%，空心粉末占比2.9-3.1%。其中，在一个实施方式中，缺陷制备粉末是由气雾化法制备，通常，其相对于旋转电极制备方法更易获得合适范围区间的卫星球粉末占比以及空心粉末占比。
缺陷制备工艺参数包括：600W-1000W，扫描速率400mm/min-800mm/min，送粉速率12g/min-20g/min，光斑直径1mm-2mm，扫描间距0.5mm-1mm，层厚0.15mm-0.2mm。其中，通过调整激光功率速率和送粉速率之间的比值来控制缺陷区中的气孔缺陷的体积占比，通过减少激光功率速率和送粉速率之间的比值能够使缺陷区中的气孔缺陷的体积占比增加。在另一实施方式中，调节缺陷制备工艺参数的方式是根据试错来决定，如在第N+1次试验中调整了参数A，其所制备的气孔缺陷体积占比相对第N次试验中发生了增加的变化趋势，则通过不断调整参数A来实现取得标定的体积占比。另一实施方式中，还可以提供一参数数据库，用于记录每一次调整缺陷制备工艺参数后气孔缺陷占比的变化，从而对于获得确定比例的气孔缺陷，可以通过查阅参数数据库中的内容来调节缺陷制备工艺参数。
通过上述缺陷制备粉末以及缺陷制备工艺参数打印而成的每层缺陷区10中，都能够自然生成内置的气孔缺陷，从而实现了在预制件1内部自然形成气孔缺陷。由于通过本方法形成的气孔缺陷是具有实际金属凝固过程特征，其能保留气孔边界处组织结构的对应连续特征，同时通过划分缺陷区以及成形区可以控制气孔产生区域的位置，相对现有技术更加能够实际模拟激光熔化沉积正常凝固过程中产生的气孔，而不对制件的组织和性能产生破坏。
通过本方法制备的内置气孔缺陷预制件有利于准确分析激光熔化沉积增材制造气孔缺陷与无损检测信号之间真实的对应关系，结合制件性能考核结果能实际分析研究气孔缺陷与制件性能的影响关系，进一步分析缺陷与增材制造零件可靠性的关系，为金属增材制造成形/修复件的应用提供有力的理论支持，具有广阔的研究和应用前景。
在一个或多个实施方式中，缺陷区10可以是多个，故在步骤S101中需要将三维模型为多个缺陷区以及成形区，同时在S102中需要针对每个所述缺陷区分别设定所述卫星球粉末占比、所述空心粉末占比以及所述缺陷制备工艺参数。在制备缺陷中，通过针对所设定缺陷区设置参数能够解决如何控制预制件中缺陷区及缺陷的位置和特征这一技术问题。即通过设计缺陷区来模拟实际零件产生缺陷情况及特征，对不同缺陷区进行缺陷占比、缺陷大小及缺陷密集程度控制，分区能使同一制件不同特征位置获得不同的特征的缺陷。零件在成形或制备过程中通常会产生缺陷聚集的情况，若单个制备缺陷，不能实际反应整体的缺陷聚集情况和缺陷与周围的组织结构特征，达不到实际制备缺陷的效果。而采用缺陷区来模拟实际缺陷产生情况及其特征，不仅更方便、更简化缺陷预制方法，还能提高预制件作为标准件对工件缺陷检测的无损检测精度，提高缺陷对制件性能影响关系的准确性，提高缺陷对制件寿命影响的准确性。其次，如在进行某一预制件的无损检测时，需要检测预制件不同深度的缺陷在同一无损检测条件下的灵敏度，缺陷分区能实现在同一制件中缺陷在指定的深度出现，而在其他深度则不会出现，有效避免不同制件因成分、组织均匀性等差异对检测灵敏度的影响，提高检测精度，分析处于不同特征结构的不同缺陷特征对无损检测的影响，分析预制件不同特征位置在不同环境（温度、受力）状态下缺陷对性能的影响等。另一方面，在指定缺陷位置及特征（如占比、大小、密集程度）的预制件制备时，缺陷区的数量和尺寸大小决定了所用的缺陷制备工艺。缺陷区数量越多，需针对各缺陷区定制不同的缺陷占比的成形策略（如成形激光头数量、成形先后顺序、成形路径规划、分层等）。
如图3所示，在一个或多个实施方式中，内置气孔缺陷预制件的制备方法还包括：
S103：对三维模型中划分出的缺陷区10以及成形区11进行模型处理，其中，模型处理可包括：余量添加处理、分层切片处理以及路径规划处理。具体而言，余量添加处理是指在缺陷区10以及成形区11的外周轮廓处分别添加打印余量，以使得打印过程中，缺陷区10以及成形区11的边界能够相互冶金熔合连接，该冶金熔合连接方式可以是两区域边界熔池呈相互搭接的冶金结合或两区域上下层熔化沉积冶金结合。分层切片处理是指将扫描得到的三维模型通过切片划分成为多个层，为随后的逐层打印提供基础。路径规划处理则是指针对分层切片处理后形成的多个单层中，激光的扫描路径进行规划。其中，对于每个单层中的缺陷区10以及成形区11可以采用不同的送粉器以及激光发生器，打印方式可以每个单层中的缺陷区10以及成形区11先后打印，也可以是同步打印。
在一个或多个实施方式中，内置气孔缺陷预制件的制备方法还包括：S105：对打印完成的预制件1进行热处理，具体地，可为去应力热处理或进行组织调控固溶处理等。
在一个或多个实施方式中，内置气孔缺陷预制件的制备方法还包括：S106：将打印完成的预制件1与打印基板分割，在一些实施方式中，预制件1是在打印基板上进行打印，打印完毕后需要通过如线切割的方式将预制件1自打印基板上分割开。在其他一些实施方式中，预制件1无需基板进行打印，则无需该S106步骤。
在一个或多个实施方式中，内置气孔缺陷预制件的制备方法还包括：S107：对打印完成的预制件进行表面处理，具体地，可以是通过对预制件1进行打磨或机加，从而恢复制件的表面质量要求。
在一个或多个实施方式中，成形用粉末在本领域而言是指通过标准工艺制备、具有标准化学特性和物理特性的金属粉末，而配套的工艺参数则是对应该成形用粉末进行打印的行业内标准参数，通过配套的工艺参数以及成形用粉末制备的预制件不会产生或仅产生较少的气孔等缺陷。在一个实施方式中，为使得缺陷区10以及成形区11之间能够良好连接，通常选用与制备缺陷区10的缺陷制备粉末材料成分相近或相同的粉末材料作为标准粉末。
如下为采用前述实施方式1制造内置气孔缺陷的预制件的一个具体实施例，请结合参见图1至图3：
选用Hastelloy X合金粉末作为成形区11的制备粉末。
首先，确定在预制件1上气孔缺陷预制的区域的位置为制件中心，区域大小为φ5mm×1.5mm的圆柱区域，指定长方体区域内气孔缺陷占比约0.05%-0.2%。
随后，根据内置气孔缺陷的位置和尺寸，通过UG建模软件，将缺陷预制区从增材制造件三维模型中剥离出来，形成预制件1内部的缺陷区10和成形区11。
随后，对预制件1内部预制气孔缺陷区和外部成形区进行分层切片处理和路径规划处理，两区域边界熔池相互搭接，使边界呈致密的冶金结合。
随后，采用同步送粉的激光熔化沉积增材制造方法填充预制件内部预制气孔缺陷区，所用粉末为气雾化法制备的高温合金粉末，主要化学元素质量分数：Ni:49%，C: 0.05%，Cr: 21%，Co: 1.6%，Mo: 8.5%，W:0.55%，Fe:18%，Si:0.30%，Mn≤0.01%，P≤0.008%，S≤0.005%，O≤0.02%，N≤0.02%，其余为其他微量元素；粒度：45~106μm，空心粉占比约1%，卫星球粉占比约55%。成形工艺参数为：激光功率1000W，扫描速率400mm/min，送粉速率20g/min，光斑直径2mm，扫描间距1mm，层厚0.2mm，完成当前层预制气孔缺陷区成形。然后换用另一个送粉器同步输送增材制造件成形用的Hastelloy X合金粉末，配合正常成形用的工艺参数完成当前层外部成形区的制件成形，获得外部成形区致密的无缺陷的合金组织。
随后，根据制件要求进行热处理，进行组织调控固溶处理，采用真空热处理炉，热处理制度为1175℃/1h，炉冷。
随后，将预制缺陷的增材制造件从基板上线切割下来。
最后，对增材制造件进行机加，恢复制件的表面质量要求，Ra≤0.8μm。
经检测在该工艺条件下获得的预制缺陷区域气孔缺陷占比约为0.01%，气孔直径约＜45μm。
如图4示出了经前述方法制造的预制件气孔缺陷的抛光态金相形貌，如图4所示，经过前述方法制造后的预制件上自然生成了多个气孔12，且多个气孔12周围的组织结构具有对应连续特征。
实施方式2
实施方式2记载了一种内置气孔缺陷的零件修复件的制备方法。
如图5示意性示出了本实施方式内置气孔缺陷的零件修复件缺陷区处的剖面的示意图，在本实施方式中，零件修复件1a包括零件本体100a以及零件修复区100b，修复区100b用于修复零件本体100a中的缺陷。图6示出了零件修复区100b的剖面示意图，图7示出了用于制备如图5示出的预制件的制备方法的流程图。
为制备零件修复件1a可首先执行S201:分别获取零件本体100a以及零件修复区100b的三维模型，其中，可以通过三维扫描等方式获得增材制造零件本体100a以及零件修复区100b的三维模型，该三维模型可以在三维图形处理软件如：UG、AUTOCAD等建模软件中得到表达，并在软件中进行划分。
随后可执行S203：获得零件本体100a，具体地，在如图5中所示的实施方式中，零件本体100a中的缺陷为冶金缺陷、加工缺陷或服役缺陷，如开裂、缺口等，而零件修复区100b是对应该缺口设置的修补块。故在如图7中所示的制备方法中还包括步骤：S200：获得完整零件；以及，S202：在完整零件中开槽，从而能够转到S203以获得零件本体100a。其中该完整零件可以是使用后老化的零件，通过在老化零件中的损伤部分开槽来获得零件本体100a，完整的零件也可以是通过增材制造等方式获得。该槽可以是如图中所示的梯形槽或是其他合适的槽，如U型或V型槽。其中，槽边的倾斜角通常不超过60°，槽底夹角倒圆角。在一个与图7所示步骤不同的实施方式中，零件本体100a也可以是通过直接增材制造形成，打印时同时在零件本体100a上形成需要修复的缺陷。
随后，如图6所示，划分零件修复区的三维模型为至少一个缺陷区10a以及成形区11a。
随后执行S204，指定内置的气孔缺陷体积在缺陷区10a体积中的占比大小，该占比大小可以根据需要模拟的实际打印零件中内置气孔缺陷体积占实际打印零件体积的占比来确定，即（内置气孔缺陷体积/缺陷区体积）*缺陷区体积/预制件体积=实际修复零件中内置气孔缺陷体积/实际修复零件体积，并根据气孔缺陷的体积占比调节卫星球粉末占比、空心粉末占比以及缺陷制备工艺参数。
随后执行S206：在零件本体100a的缺陷中逐层打印零件修复区100b，其中针对缺陷区10a所对应的层，采用缺陷制备粉末以及缺陷制备工艺参数打印该指定层的缺陷区，成形区11a部分采用采用成形粉末以及配套的工艺参数打印该指定层的成形区。在一个实施方式中，打印前需要为零件修复区100b的外轮廓添加打印余量，以使零件修复区100b与零件本体呈致密的冶金结合。
具体而言，缺陷制备粉末具有45至106μm之间的粒度，且在缺陷制备粉末中，卫星球粉末占比55-65%，空心粉末占比2.9-3.1%。其中，在一个实施方式中，缺陷制备粉末是由气雾化法制备，其相对于旋转电极制备方法更易获得合适范围区间的卫星球粉末占比以及空心粉末占比。
缺陷制备工艺参数包括：600W-1000W，扫描速率400mm/min-800mm/min，送粉速率12g/min-20g/min，光斑直径1mm-2mm，扫描间距0.5mm-1mm，层厚0.15mm-0.2mm。
其中，通过调整激光功率速率和送粉速率之间的比值来控制缺陷区中的气孔缺陷的体积占比，通过减少激光功率速率和送粉速率之间的比值能够使缺陷区中的气孔缺陷的体积占比增加。在另一实施方式中，调节缺陷制备工艺参数的方式是根据试错来决定，如在第N+1次试验中调整了参数A，其所制备的气孔缺陷体积占比相对第N次试验中发生了增加的变化趋势，则通过不断调整参数A来实现取得标定的体积占比。另一实施方式中，还可以提供一参数数据库，用于记录每一次调整缺陷制备工艺参数后气孔缺陷占比的变化，从而对于获得确定比例的气孔缺陷，可以通过查阅参数数据库中的内容来调节缺陷制备工艺参数。
在一个或多个实施方式中，内置气孔缺陷预制件的制备方法还包括：S205：对零件修复区100b的三维模型中划分出的缺陷区10a以及成形区11a进行模型处理，其中，模型处理可包括：余量添加处理、分层切片处理以及路径规划处理。具体而言，余量添加处理是指在缺陷区10a以及成形区11a的外周轮廓处分别添加打印余量，以使得打印过程中，缺陷区10a以及成形区11a的边界能够相互冶金熔合连接，该冶金熔合连接方式可以是两区域边界熔池呈相互搭接的冶金结合或两区域上下层熔化沉积冶金结合。分层切片处理是指将扫描得到的三维模型通过切片划分成为多个层，为随后的逐层打印提供基础。路径规划处理则是指针对分层切片处理后形成的多个单层中，激光的扫描路径进行规划。其中，对于每个单层中的缺陷区10a以及成形区11a可以采用不同的送粉器以及激光发生器，打印方式可以每个单层中的缺陷区10a以及成形区11a先后打印，也可以是同步打印。
在一个或多个实施方式中，内置气孔缺陷预制件的制备方法还包括：S207：对打印完成的零件修复件1a进行热处理，具体地，可为去应力热处理或进行组织调控固溶处理等。
在一个或多个实施方式中，内置气孔缺陷预制件的制备方法还包括：S208：对打印完成的零件修复件进行表面处理，具体地，可以是通过对零件修复件1a进行打磨或机加，从而恢复制件的表面质量要求。
在一个或多个实施方式中，成形用粉末在本领域而言是指通过标准工艺制备、具有标准化学特性和物理特性的金属粉末，而配套的工艺参数则是对应该成形用粉末进行打印的行业内标准参数，通过配套的工艺参数以及成形用粉末制备的预制件不会产生或仅产生较少的气孔等缺陷。在一个实施方式中，为使得缺陷区10a以及成形区11a之间能够良好连接，通常选用与制备缺陷区10a的缺陷制备粉末材料相近的粉末材料作为标准粉末，另一方面，为使得零件修复区100b与零件本体100a更好的结合，二者常采用相近或相同的粉末成分。如在一个实施方式中，选用与前述实施例中的缺陷制备粉末材料相近的Hastelloy X合金粉末或GH3536合金粉末来制备成形区11a。
如下为采用前述实施方式2制造内置气孔缺陷的零件修复件1a的一个具体实施例，请结合参见图5至图7：
选用同GH3536锻件相同成分的GH3536合金粉末作为成形区11a的制备粉末。
首先，在GH3536锻件上将缺口所在的损伤区域进行机加开槽，槽的形状如图5所示，尺寸为上底约7mm，下底约3mm，深约2mm的梯形槽，获得零件本体100a。
随后，将开槽区域通过三维扫描方式获得零件修复区100b的三维结构模型。
随后，指定在GH3536锻件上气孔缺陷区10a距离锻件100a表面的深度约2mm，预制缺陷区10a气孔缺陷占比约0.45%-0.55%。
随后，根据预制气孔缺陷的位置和占比，通过CAD建模软件，将梯形槽的三维模型进行分区，形成下部预制缺陷区10a和上部成形区11a。
随后，对零件修复件1a内部预制气孔缺陷区和外部成形区进行分层切片处理和路径规划处理，两区域边界熔池相互搭接，使边界呈致密的冶金结合。其中，将梯形槽的倾斜边整体添加约0.5个光斑的余量，便于梯形槽边与零件本体搭接呈致密的冶金结合，进行下部预制气孔缺陷区和上部成形区三维模型的分层切片处理和路径规划处理。
随后，采用同步送粉的激光熔化沉积增材制造方法填充预制件内部预制气孔缺陷区，所用粉末为气雾化法制备的GH3536高温合金粉末，主要化学元素质量分数：Ni:46%，C:0.055%，Cr: 22%，Co: 2.0%，Mo: 9.5%，W: 0.7%，Fe: 19.0%，Si: 0.35%，Mn≤0.01%，P≤0.008%，S≤0.005%，O≤0.02%，N≤0.02%，其余为其他微量元素；粒度：45~106μm，空心粉占比约3%，卫星球粉占比约65%。成形工艺参数为：激光功率600W，扫描速率800mm/min，送粉速率12g/min，光斑直径1mm，扫描间距0.5mm，层厚0.15mm，填充完成预制气孔缺陷区11a的成形。然后采用成形用配套的高温合金成形工艺参数完成上部槽的填充获得致密的无缺陷的合金组织。
随后，进行真空去应力热处理，热处理制度为650℃/4h，炉冷。
最后，对增材制造缺陷预制区域的表面进行打磨，恢复制件的表面质量要求，Ra≤0.6μm。
经检测GH3536锻件激光熔化沉积修复件预制缺陷区域的孔隙率约为0.54%，，气孔直径约＜100μm。
如图8示出了经前述方法制造的预制件气孔缺陷的抛光态金相形貌,经过前述方法制造后的预制件上自然生成了多个气孔12a，且多个气孔12a的组织结构具有对应连续特征，同时由于实施方式2中的激光功率与送粉速率的比值小于实施方式1中的对应值，因而在图8中相较图4产生了更多的气孔缺陷。
通过前述实施方式实现了对内置气孔缺陷的零件修复件内部的气孔缺陷进行模拟，从而得到具有自然生成气孔缺陷的零件修复件，进一步分析内置气孔缺陷与增材制造零件修复件可靠性的关系，为金属增材制造成形的应用提供有力的理论支持，具有广阔的研究和应用前景。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种预制气孔缺陷的制备方法，其特征在于，包括：
设定缺陷区；
设定所述缺陷区中的气孔缺陷的体积占比；
根据所述气孔缺陷的体积占比调节卫星球粉末占比、空心粉末占比以及缺陷制备工艺参数；
基于激光熔化沉积工艺，采用缺陷制备粉末以及所述缺陷制备工艺参数逐层打印所述缺陷区；
其中，所述缺陷制备粉末的粒度在45μm至106μm之间，其中的所述卫星球粉末占比为55-65%，所述空心粉末占比为2.9-3.1%；
所述缺陷制备工艺参数包括：激光功率600W-1000W，扫描速率400mm/min-800mm/min，送粉速率12g/min-20g/min，光斑直径1mm-2mm，扫描间距0.5mm-1mm，层厚0.15mm-0.2mm。
2.如权利要求1所述的预制气孔缺陷的制备方法，其特征在于，调节所述缺陷制备工艺参数包括：
调整所述激光功率P和扫描速率v之间的比值来控制所述缺陷区中的气孔缺陷的体积占比；
其中，P/v的比值越小，所述缺陷区中的气孔缺陷的体积占比越大。
3.如权利要求1所述的预制气孔缺陷的制备方法，其特征在于，所述缺陷制备粉末由气雾化法制备而成。
4.一种内置气孔缺陷的预制件的制备方法，用于激光熔化沉积工艺，其特征在于，包括：
获取所述预制件的三维模型；
划分所述三维模型为至少一个缺陷区以及成形区；
预设所述气孔的体积在所述缺陷区的体积中的占比大小；
根据所述气孔缺陷的体积占比调节卫星球粉末占比、空心粉末占比以及缺陷制备工艺参数；
逐层打印所述预制件，其中，针对所述缺陷区对应的层，采用缺陷制备粉末以及缺陷制备工艺参数打印；
其中，缺陷制备粉末粒度在45μm至106μm之间，其中的所述卫星球粉末占比为55-65%，所述空心粉末占比为2.9-3.1%；
所述缺陷制备工艺参数包括：激光功率600W-1000W，扫描速率400mm/min-800mm/min，送粉速率12g/min-20g/min，光斑直径1mm-2mm，扫描间距0.5mm-1mm，层厚0.15mm-0.2mm。
5.如权利要求4所述的内置气孔缺陷的预制件的制备方法，其特征在于，划分所述三维模型为多个缺陷区以及成形区，其中，针对每个所述缺陷区分别设定所述卫星球粉末占比、所述空心粉末占比以及所述缺陷制备工艺参数。
6.如权利要求4所述的内置气孔缺陷的预制件的制备方法，其特征在于，调节所述缺陷制备工艺参数包括：
调整所述激光功率P和扫描速率v之间的比值来控制所述缺陷区中的气孔缺陷的体积占比；
其中，P/v的比值越小，所述缺陷区中的气孔缺陷的体积占比越大。
7.如权利要求4所述的内置气孔缺陷的预制件的制备方法，其特征在于，所述缺陷制备粉末由气雾化法制备而成。
8.如权利要求4所述的内置气孔缺陷的预制件的制备方法，其特征在于，还包括：
对所述三维模型的所述缺陷区以及所述成形区进行模型处理，包括：
余量添加处理；
分层切片处理；以及，
路径规划处理。
9.如权利要求4所述的内置气孔缺陷的预制件的制备方法，其特征在于，还包括：
对打印完成的所述预制件进行热处理；
将打印完成的所述预制件与打印基板分割；以及，
对打印完成的所述预制件进行表面处理。
10.一种内置气孔缺陷的预制件，其特征在于，由权利要求4至9中任一项所述的制备方法制成。
11.一种内置气孔缺陷的零件修复件的制备方法，用于激光熔化沉积工艺，所述零件修复件包括零件本体以及零件修复区，所述零件修复区用于修复所述零件本体中的缺陷或损伤，其特征在于，所述制备方法包括：
分别获取所述零件本体以及所述零件修复区的三维模型；
获得所述零件本体；
划分所述零件修复区的三维模型为至少一个缺陷区以及成形区；
预设所述气孔的体积在所述缺陷区的体积中的占比大小；
根据所述气孔缺陷的体积占比调节卫星球粉末占比、空心粉末占比以及缺陷制备工艺参数；
在所述零件本体的缺陷中逐层打印所述零件修复区，其中，针对所述缺陷区对应的层，采用缺陷制备粉末以及缺陷制备工艺参数打印；
其中，所述缺陷制备粉末的粒度在45μm至106μm之间，其中的所述卫星球粉末占比为55-65%，所述空心粉末占比为2.9-3.1%；
所述缺陷制备工艺参数包括：激光功率600W-1000W，扫描速率400mm/min-800mm/min，送粉速率12g/min-20g/min，光斑直径1mm-2mm，扫描间距0.5mm-1mm，层厚0.15mm-0.2mm。
12.如权利要求11所述的内置气孔缺陷的零件修复件的制备方法，其特征在于，调节所述缺陷制备工艺参数包括：
调整所述激光功率P和扫描速率v之间的比值来控制所述缺陷区中的气孔缺陷的体积占比；
其中，P/v的比值越小，所述缺陷区中的气孔缺陷的体积占比越大。
13.如权利要求11所述的内置气孔缺陷的零件修复件的制备方法，其特征在于，所述缺陷制备粉末由气雾化法制备而成。
14.如权利要求11所述的内置气孔缺陷的零件修复件的制备方法，其特征在于，所述零件本体中的缺陷为冶金缺陷、加工缺陷或服役缺陷，所述制备方法还包括：
在完整零件中开槽以获得所述零件本体。
15.如权利要求11所述的内置气孔缺陷的零件修复件的制备方法，其特征在于，还包括：
对所述零件修复区的三维模型的所述缺陷区以及所述成形区进行模型处理，包括：
余量添加处理；
分层切片处理；以及，
路径规划处理。
16.如权利要求11所述的内置气孔缺陷的零件修复件的制备方法，其特征在于，还包括：
对打印完成的所述零件修复件进行热处理；以及，
对打印完成的所述零件修复件进行表面处理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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