CN111331136A

CN111331136A - 一种送粉激光3d打印性能均一金属薄壁件方法

Info

Publication number: CN111331136A
Application number: CN202010084610.XA
Authority: CN
Inventors: 梁静静; 安晓龙; 李金国; 周亦胄; 孙晓峰
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2020-02-10
Filing date: 2020-02-10
Publication date: 2020-06-26

Abstract

本发明涉及激光3D打印领域，具体为一种送粉激光3D打印性能均一金属薄壁件方法。第一步准备金属基板和打印金属粉末；第二步根据需要获得的金属薄壁件实际使用形状进行三维建模并对模型进行切片处理，进行激光3D打印路径编程；第三步进行单道打印实验确定激光功率、送粉速率、打印速率、预热基板温度、确定激光光斑直径；第四步将金属薄壁件打印程序输入激光3D打印设备中进行激光3D打印尝试；第五步优化薄壁件打印工艺参数获得性能均一的金属薄壁件并对薄壁件的组织和性能进行***测试；该方法制备工艺流程一体化、短周期化、低成本化、效率高，同时获得纵向梯度性能均一的大尺寸金属薄壁件。

Description

一种送粉激光3D打印性能均一金属薄壁件方法

技术领域

本发明涉及激光3D打印领域，具体为一种送粉激光3D打印性能均一金属薄壁件方法。

背景技术

在美国《国家先进制造战略计划》、欧洲航天局《惊奇计划》、日本《增材制造科研计划》、新加坡《工业增材制造项目》以及欧盟《3D打印标准化路线图》等全球新型制造技术迅猛发展的机遇下，金属激光3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术，以数字化模型文件为基础，通过软件与数控***将特制材料逐层堆积固化，制造出实体产品的制造技术，日益成为国内外专家学者的研究热点。它与传统的，对原材料进行切削、组装的加工模式不同，是通过材料累加的原理，从无到有地制造产品的新型技术工艺。也正是由于增材制造的这种技术特点，使得它受到全球的广泛关注，将可能会给传统的制造业带来一系列深刻的变革。其中同轴送粉式金属激光3D打印技术以其成形尺寸大、可利用材料范围广、成形件的材料性能优异等特点，在航空、航天、交通、医疗与能源等领域有着广阔的应用前景，成为金属增材制造主流的工艺技术。

一般认为，常见盘形件、套筒件、壳体件、轴类件等金属零件，壁厚与内径曲率半径比值小于1:20，壁厚小于2mm的零部件称为薄壁零件。金属薄壁件具有结构紧凑、承载能力强、重量轻、高强度等优点，在工业工程领域尤其是在航空航天、船舶、汽车、模具等行业得到了广泛应用。目前，金属薄壁零件正在向大尺寸化、极薄化、复杂化方向发展。由于重量轻、刚度高、比强度高等优势，现已被广泛应用于宇航航天领域。特别是在航空国防工业中，无论是早期螺旋桨推动式飞机还是后来喷气式飞机，无论是军用歼11、歼12战斗机还是民用空客飞机，金属薄壁零件一直都是机身结构中不可或缺的组成部分。Rolls-Royce Trent800航空发动机，组成盘形类件结构的鼓筒，壁厚2～3mm，腹板最薄处厚度0.9～1.2mm，最薄发动机叶片壁厚0.2mm。可以预见，随着工业技术的逐步发展，金属薄壁零件应用会更加广泛，质量性能需求也会进一步提高金属薄壁件传统加工方法主要有两种：一、“整体制造法”，从铸造毛坯中切除或掏空整体材料85％以上而形成金属薄壁件，其最大弊端在于材料利用率非常低；二、利用车床精密加工成形，加工时极易产生误差变形和工件颤振，降低了工件的加工精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种送粉激光3D打印性能均一金属薄壁件方法。该方法可以用于激光3D打印领域制备金属薄壁件，使得制备工艺流程一体化、短周期化、低成本化、效率高，同时获得纵向梯度性能均一的大尺寸金属薄壁件，在为快速制造薄壁件领域进行产业化提供了技术支撑。

该方法可以用于激光3D打印领域制备金属薄壁件，使得制备工艺流程一体化、短周期化、低成本化、效率高，同时获得纵向梯度性能均一的大尺寸金属薄壁件，在为快速制造薄壁件领域进行产业化提供了技术支撑。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种送粉激光3D打印性能均一金属薄壁件方法，包括如下步骤：

第一步准备金属基板和打印金属粉末；第二步根据需要获得的金属薄壁件实际使用形状进行三维建模并对模型进行切片处理，进行激光3D打印路径编程；第三步进行单道打印实验确定激光功率、送粉速率、打印速率、预热基板温度、确定激光光斑直径；第四步将金属薄壁件打印程序输入激光3D打印设备中进行激光3D打印尝试；第五步优化薄壁件打印工艺参数获得性能均一的金属薄壁件并对薄壁件的组织和性能进行***测试；

其中，金属薄壁件适用于的材料种类包括Fe-0.8C-4Cu-0.4P、Fe-20Ni-8.3Cu-1.35P 铁基合金、镍基合金、H13工具钢、316L不锈钢、铝合金、TC4钛合金、锆基非晶合金、铁基非晶合金，或者由Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Al、Ti成分组成的高熵合金。

所述的送粉激光3D打印性能均一金属薄壁件方法，该方法具体步骤如下：

(1)将金属材料切至100mm×100mm×15mm规格作为薄壁件打印所需基板，以及50mm×50mm×15mm规格作为单道打印所需基板，进行试验前，首先将基板用不同型号的砂纸打磨，控制其表面粗糙度Ra＝2.5～5.0μm，然后用无水乙醇清洗打磨后的基板，并用吹风机烘干，将其依次放入包括有CNC数控机床的手套真空箱中；

(2)试验前首先将打印用金属粉末在真空干燥箱中烘干并冷却，去除粉末中的水分，以提高粉末的均匀性和流动性，粉末粒径采用53～105μm；

(3)试验之前先把打印用金属粉末放入送粉器中，调整送粉器的转速以保证送粉速率为15～20g/min，最终目的是保证合金粉末被均匀送出，不干扰激光束出光效果，保证粉末流和激光束的汇聚效果；

(4)将烘干后的金属薄壁件基板经过过渡仓，放入惰性气体保护的手套箱内的恒温水冷铜基板工作台上，随后将导热胶依次均匀涂抹在金属薄壁件基板与水冷铜板之间的接触面区域，最终目的是保持激光3D打印过程的成形效果；

(5)利用图像处理软件Autodesk inventor建立金属薄壁件三维模型，运用软件Simplify3D对三维模型进行切片处理并采用C++进行3D打印路径G代码编程为STL 格式，然后将运行程序导入STL格式文件利用激光3D打印设备进行单道和薄壁件打印；

(6)调整激光头与金属薄壁件基板之间的距离控制为10～20mm，以确保激光束与同轴四路氩气送粉管道送出的粉末流汇聚效果良好；

(7)在CNC数控机床的数控***中加载预先设计的CNC数控G代码，打印路线为平行同向方式；随后在操控面板上依次调整需要变化的试验参数，其中包括激光输出功率、扫描速度；监控各项指标是否运行健康，符合标准后进行试验；

(8)运用IPG-YLS-6000光纤激光器设备对打印用金属粉末在 50mm×50mm×16mm的金属薄壁件基板上进行单道打印。

所述的送粉激光3D打印性能均一金属薄壁件方法，步骤(8)中，设定激光功率 P为变量，变化范围为P＝800W～2700W，扫描速度设定为v＝400～600mm/min，光斑直径为d＝2～4mm，送粉速率设定为f＝15～20g/min，并对激光功率和扫描速度进行统一量纲化处理—单位长度热输入值λ＝P/v，单位(W·S/mm)，观察并对比激光功率对单道打印层宏观形貌的影响，综合分析单道宏观形貌的粗糙情况、饱满情况，初步确定最佳单道打印的功率参数值。

所述的送粉激光3D打印性能均一金属薄壁件方法，步骤(8)中，选取激光功率 P＝2200W，扫描速度设定为v＝480mm/min，光斑直径为d＝3mm，送粉速率为f＝18g/min，此时热输入λ＝P/v＝275W·S/mm，作为初步的最佳单道工艺参数。

所述的送粉激光3D打印性能均一金属薄壁件方法，该方法采用同轴送粉激光3D打印的设备，该设备包括：真空手套箱、激光熔覆头、激光束、金属粉末、构件、基板、导热硅胶、导热铜板、加热液体导管、工作台、激光器、光纤、送粉器、送粉桶、送粉管道，具体结构如下：

真空手套箱内设置激光熔覆头、构件、基板、导热硅胶、导热铜板、工作台，工作台的顶部依次设置导热铜板、导热硅胶、基板，构件的上方设置激光熔覆头，激光熔覆头通过管路将金属粉末送至基板表面，激光熔覆头通过激光束对金属粉末进行激光3D打印，在基板表面形成构件；导热铜板中设置循环管路，该循环管路与加热液体导管连通；激光熔覆头通过光纤与激光器连接，激光熔覆头通过送粉管道与送粉器连通，送粉器顶部设置送粉桶，送粉桶为送粉器提供金属粉末。

所述的送粉激光3D打印性能均一金属薄壁件方法，送粉桶和送粉管道为一个或两个以上，分别盛装和输送不同金属组分，根据各金属组分的百分比，设置不同的输送速率，各金属组分在输送过程中充分混合，金属粉末被打印在基板上，在打印的同时被激光束高温熔融，按照打印路径逐层打印成构件，导热铜板为基板提供所需温度。

所述的送粉激光3D打印性能均一金属薄壁件方法，高熵合金中各元素的质量百分比为：Cr：18～20％，Mn：19～21％，Fe：19～21％，Co：20～22％，Ni：20～22％， Al：0～2％，Ti：0～2％，Fe余量。

本发明的设计思想是：

与传统加工方法不同，激光3D打印技术采用切片分层制造原理进行成形，成形过程中通过预先设置程序代码实时调整激光功率、扫描速度、送粉速度等加工参数，达到改变打印层宽高比效果，以满足零部件的不同成形需求。如何利用激光3D打印技术一体化获得性能均一大尺寸金属薄壁件是该技术急需解决的问题之一。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明一体化成形纵向尺度大尺寸金属薄壁件，方便快捷利于日后产业化生产。

2、本发明适用于加工成形多种模型金属材料，适用面广。

3、本发明利用送粉激光3D打印技术可以方便调节每一层的工艺参数，达到改变打印层宽高比效果，以满足零部件的不同成形需求。

4、本发明制备的金属薄壁件同时具备了传统加工工艺金属薄壁件优异的性能，同时极大地缩短了可加工周期。

附图说明

图1是送粉激光3D打印设备简图。图中，1为真空手套箱，2为激光熔覆头，3 为激光束，4为金属粉末，5为构件，6为基板，7为导热硅胶，8为导热铜板，9为加热液体导管，10为工作台，11为激光器，12为光纤，13为送粉器，14为送粉桶，15 为送粉管道。

图2是送粉激光3D打印一体化成形金属薄壁件原理图。图中，3为激光束，4为金属粉末，6为基板，8为导热铜板，10为工作台，16为汇聚镜，17为熔池，18为打印金属薄壁件。

图3是本发明核心设计思想示意图。图中，横坐标Layers代表打印的层数，纵坐标Heatinput代表单位热输入量(W·S/mm)，Machining Mechanism of Laser 3D PrintingThin-walled Parts代表3D打印金属薄壁件机理，2200W代表输入激光功率为2200W， 10Wdecline代表打印每一层时进行逐层10W激光功率递减，20W decline代表打印每一层时进行逐层20W激光功率递减，30W decline代表打印每一层时进行逐层30W 激光功率递减。

图4是本发明实际取样位置示意图。其中，(a)为金属薄壁件实际拉伸样取样位置图，(b)为拉伸试样形状图，(c)为拉伸试样尺寸图。图中，1near-substrate region 代表金属薄壁件下部，2bottom layer bands代表金属薄壁件中下部，3middle layer bands 代表金属薄壁件中部，4upper layer bands代表金属薄壁件中上部，5top region代表金属薄壁件上部。

图5(a)-图5(c)是对三种加工工艺参数成形的金属薄壁件进行拉伸性能分析结果。其中，图5(a)为打印30层金属薄壁件时每一层进行逐层10W激光功率递减加工工艺，图5(b)为打印30层金属薄壁件时每一层进行逐层20W激光功率递减加工工艺，图5(c)为打印30层金属薄壁件时每一层进行逐层30W激光功率递减加工工艺。图中，横坐标EngineeringStrain代表工程应变(％)，纵坐标Engineering Stress 代表工程应力(MPa)，20WGradient Decline代表打印每一层时进行逐层20W激光功率递减，30W Gradient Decline代表打印每一层时进行逐层30W激光功率递减。

具体实施方式

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理。因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

下面，结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

实施例

本实施例以送粉式金属激光3D打印IN625金属薄壁件为例，实际同轴送粉激光 3D打印的设备，请参阅图1，该设备包括：真空手套箱1、激光熔覆头2、激光束3、金属粉末4、构件5、基板6、导热硅胶7、导热铜板8、加热液体导管9、工作台10、激光器11、光纤12、送粉器13、送粉桶14、送粉管道15等，具体结构如下：

真空手套箱1内设置激光熔覆头2、构件5、基板6、导热硅胶7、导热铜板8、工作台10，工作台10的顶部依次设置导热铜板8、导热硅胶7、基板6，构件5的上方设置激光熔覆头2，激光熔覆头2通过管路将金属粉末4送至基板6表面，激光熔覆头2通过激光束3对金属粉末4进行激光3D打印，在基板6表面形成构件5。导热铜板8中设置循环管路，该循环管路与加热液体导管9连通。激光熔覆头2通过光纤12与激光器11连接，激光熔覆头2通过送粉管道15与送粉器13连通，送粉器13顶部设置送粉桶14，送粉桶14为送粉器13提供金属粉末4。

送粉桶14和送粉管道15可以为多个，分别盛装和输送不同金属组分，根据各金属组分的百分比，设置不同的输送速率，各金属组分在输送过程中充分混合，金属粉末4被打印在基板6上，在打印的同时被激光束高温熔融，按照打印路径逐层打印成构件5，导热铜板8为基板6提供所需温度。

如图1-图2所示，本发明送粉激光3D打印一体化成形金属薄壁件原理如下：

第一步准备金属基板和打印金属粉末；第二步根据需要获得的金属薄壁件实际使用形状进行三维建模并对模型进行切片处理，进行激光3D打印路径编程；第三步进行单道打印实验确定激光功率、送粉速率、打印速率、预热基板温度、确定激光光斑直径等工艺参数；第四步将金属薄壁件打印程序输入激光3D打印设备中进行激光3D 打印尝试；第五步优化薄壁件打印工艺参数获得性能均一的金属薄壁件并对薄壁件的组织和性能进行***测试。该方可以用于激光3D打印领域制备金属薄壁件，使得制备工艺流程一体化、短周期化、低成本化、效率高，同时获得纵向梯度性能均一的大尺寸金属薄壁件，在为快速制造薄壁件领域进行产业化提供了技术支撑。其中，导热铜板8设置于数控机床工作台10上，基板6设置于导热铜板8上，激光束3通过汇聚镜16后聚焦形成光斑，金属粉末4经过送粉管道后形成的粉末流汇集于光斑处，通过激光束3加热在基板6上形成熔池17，在激光熔覆头2的往复移动下，将金属粉末4 熔融后打印在基板6上，熔池17凝固后形成一层以上的打印金属薄壁件18。

如图1～图5所示，本发明送粉激光3D打印性能均一金属薄壁件方法，具体步骤如下：

(1)从上海展汉金属材料公司采购的20G钢切至100mm×100mm×15mm规格作为薄壁件打印所需基板，以及50mm×50mm×15mm规格作为单道打印所需基板，单道打印是指：单道涂层单层打印。进行试验前，首先将基板用不同型号的砂纸打磨，控制其表面粗糙度Ra＝2.5～5.0μm，然后用无水乙醇清洗打磨后的基板，并用吹风机烘干，将其依次放入包括有CNC数控机床的手套真空箱中；

(2)采用的Inconel625合金打印粉末从中航迈特粉冶科技(北京)有限公司采购，产品批号为AMC-18051503-D，试验前首先将打印用金属粉末在DZF-6090型真空干燥箱中烘干并冷却，去除粉末中的水分，以提高粉末的均匀性和流动性，粉末粒径采用53～105μm；

(3)试验之前先把Inconel625合金粉末放入送粉器中，调整送粉器的转速以保证送粉速率为18g/min，最终目的是保证合金粉末被均匀送出，不干扰激光束出光效果，保证粉末流和激光束的汇聚效果；

(4)将烘干后的20G钢基板经过过渡仓，放入惰性气体保护的手套箱内的恒温水冷铜基板工作台上，随后将导热胶依次均匀涂抹在20G钢基板与水冷铜板之间的接触面区域，最终目的是保持激光3D打印过程具有良好的成形效果；

(6)调整激光头与20G钢基板之间的距离控制为15mm，以确保激光束与同轴四路氩气送粉管道送出的粉末流汇聚效果良好；

(7)在CNC数控机床的数控***中加载预先设计的CNC数控G代码，打印路线为平行同向方式。随后在操控面板上可以依次调整需要变化的试验参数，其中包括激光输出功率、扫描速度等。监控各项指标是否运行健康，符合标准后进行试验；

(8)运用IPG-YLS-6000光纤激光器设备对Inconel625合金粉末在 50mm×50mm×16mm的20G钢基板上进行单道打印，设定激光功率P为变量，变化范围为P＝800W～2700W，扫描速度设定为v＝400～600mm/min，光斑直径为d＝2～4mm，送粉速率设定为f＝15～20g/min，并对激光功率和扫描速度进行统一量纲化处理—单位长度热输入值λ＝P/v，单位(W·S/mm)，观察并对比激光功率对单道打印层宏观形貌的影响，综合分析单道宏观形貌的粗糙情况、饱满情况等影响因素，初步确定最佳单道打印的功率参数值；

(9)选取激光功率P＝2200W，扫描速度设定为v＝480mm/min，光斑直径为 d＝3mm，送粉速率为f＝18g/min，此时热输入λ＝P/v＝275W·S/mm，作为初步的最佳单道工艺参数；

(10)***地研究了恒定工艺参数30层打印、20W梯度热输入递减和30W梯度热输入递减的30层大尺寸金属薄壁件打印；其中，30层打印的含义是：单道在Z轴维度进行30层堆叠薄壁件打印，每层厚度为0.5mm左右，20W梯度热的含义是：每打印一道一层进行梯度逐层激光功率20W递减，30W梯度热的含义是：每打印一道一层进行梯度逐层激光功率30W递减，大尺寸金属薄壁件的规格尺寸是指：单道单层打印、多道多层打印尺寸大于2cm的成形件；

如图3所示，本发明核心设计思想是：3D打印过程中在保证成形性的同时进而优化大尺寸薄壁件的性能，可以进行每一道每一层的独特设计进行热输入的宏观调控，比如进行逐道激光功率30W递减或者20W递减，或者先30W下一层20W进而降低热输入，获得性能均一大尺寸金属薄壁件的工艺可控参数方法；

(11)金属薄壁模型材料适用于的材料种类包括Fe-0.8C-4Cu-0.4P、 Fe-20Ni-8.3Cu-1.35P等铁基合金、镍基合金、H13工具钢、316L不锈钢、铝合金、TC4 钛合金、锆基非晶合金、铁基非晶合金，以及由Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Al、Ti成分组成的高熵合金；其中，高熵合金中各元素的质量百分比为：Cr：18～20％，Mn：19～21％， Fe：19～21％，Co：20～22％，Ni：20～22％，Al：0～2％，Ti：0～2％，Fe余量。在具体实施方式中，基板区材料为20G钢，打印层区材料为Inconel625合金；

(12)如图4所示，实验用到的拉伸试样尺寸以及实际取样位置，首先使用从粗粒度到细粒度不同型号的砂纸进行打磨使拉伸试样表面光滑，然后用2000#砂纸进行手动抛光，最后放入盛有无水酒精或者丙酮的超声波仪中清洗后用风筒吹干。另外，本实验利用从日本岛津仪器有限公司采购的型号为AGIC-100kN万能材料实验机对吹干后的拉伸试样进行拉伸试验，测试样品的空间取样位置以及具体尺寸附图，拉伸速率设置为2mm/min，一组数据大约2W多测试点，可以保证拉伸数据的精确性；

(13)如图5所示，对拉伸性能数据分析可知，我们获得了性能均一的金属薄壁件即第三种工艺方法所制备的30层金属薄壁件，同时该加工工艺参数可根据实际需求可变可控。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种送粉激光3D打印性能均一金属薄壁件方法，其特征在于，包括如下步骤：

其中，金属薄壁件适用于的材料种类包括Fe-0.8C-4Cu-0.4P、Fe-20Ni-8.3Cu-1.35P铁基合金、镍基合金、H13工具钢、316L不锈钢、铝合金、TC4钛合金、锆基非晶合金、铁基非晶合金，或者由Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Al、Ti成分组成的高熵合金。

2.按照权利要求1所述的送粉激光3D打印性能均一金属薄壁件方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：

(5)利用图像处理软件Autodesk inventor建立金属薄壁件三维模型，运用软件Simplify3D对三维模型进行切片处理并采用C++进行3D打印路径G代码编程为STL格式，然后将运行程序导入STL格式文件利用激光3D打印设备进行单道和薄壁件打印；

(8)运用IPG-YLS-6000光纤激光器设备对打印用金属粉末在50mm×50mm×16mm的金属薄壁件基板上进行单道打印。

3.按照权利要求2所述的送粉激光3D打印性能均一金属薄壁件方法，其特征在于，步骤(8)中，设定激光功率P为变量，变化范围为P＝800W～2700W，扫描速度设定为v＝400～600mm/min，光斑直径为d＝2～4mm，送粉速率设定为f＝15～20g/min，并对激光功率和扫描速度进行统一量纲化处理—单位长度热输入值λ＝P/v，单位(W·S/mm)，观察并对比激光功率对单道打印层宏观形貌的影响，综合分析单道宏观形貌的粗糙情况、饱满情况，初步确定最佳单道打印的功率参数值。

4.按照权利要求2所述的送粉激光3D打印性能均一金属薄壁件方法，其特征在于，步骤(8)中，选取激光功率P＝2200W，扫描速度设定为v＝480mm/min，光斑直径为d＝3mm，送粉速率为f＝18g/min，此时热输入λ＝P/v＝275W·S/mm，作为初步的最佳单道工艺参数。

5.按照权利要求1或2所述的送粉激光3D打印性能均一金属薄壁件方法，其特征在于，该方法采用同轴送粉激光3D打印的设备，该设备包括：真空手套箱、激光熔覆头、激光束、金属粉末、构件、基板、导热硅胶、导热铜板、加热液体导管、工作台、激光器、光纤、送粉器、送粉桶、送粉管道，具体结构如下：

6.按照权利要求5所述的送粉激光3D打印性能均一金属薄壁件方法，其特征在于，送粉桶和送粉管道为一个或两个以上，分别盛装和输送不同金属组分，根据各金属组分的百分比，设置不同的输送速率，各金属组分在输送过程中充分混合，金属粉末被打印在基板上，在打印的同时被激光束高温熔融，按照打印路径逐层打印成构件，导热铜板为基板提供所需温度。

7.按照权利要求1所述的送粉激光3D打印性能均一金属薄壁件方法，其特征在于，高熵合金中各元素的质量百分比为：Cr：18～20％，Mn：19～21％，Fe：19～21％，Co：20～22％，Ni：20～22％，Al：0～2％，Ti：0～2％，Fe余量。