一种复合强化的激光熔化扫描方法技术

本发明专利技术公开了一种复合强化的激光熔化扫描方法；依次对每一扫描层进行复合强化扫描；所述复合强化扫描选用一次全熔和多次重熔复合强化扫描、一次快速预热和一次全熔的复合强化扫描或层内复合的复合强化扫描。本发明专利技术针对不同零件特征和不同截面形状尺寸通过采用一种新的复合扫描的方式，考虑材料固有热、物理等特性，综合利用多种扫描方式的优点，改变熔池形成的时序、宽度、深度等多个特性，复合强化每一层加工熔化形成的金属层的致密度、表面粗糙度，降低成形过程中的应力累积，并相应降低宏观和微观应变，继而实现零件的成功制造，达到提高零件加工成功率和零件加工质量的最终目的。

【技术实现步骤摘要】
一种复合强化的激光熔化扫描方法
本专利技术属于增材制造
，具体涉及一种复合强化的激光熔化扫描方法。
技术介绍
以增材制造技术为支撑的净近成形技术，可彻底解决常规加工中难以加工局部的难题，赋予零件各向同性、高致密、高强度的综合优异性能，大幅度提高零件的可靠性和使用寿命，是传统去除式加工工艺的实质性突破。相关研究表明，激光增材制造(3D打印)的金属零件具有致密、细小的组织，成分均匀，力学性能达到或超过锻件水平。在诸多3D打印技术当中，选择性激光熔化(SelectiveLaserMelting，SLM)粉末增材制造成形技术能够成形多种金属材料，特别是难加工金属零部件，而且成形精度较高，零件结构复杂度高，所需供电设施简单，耗能低，所用原材料为粉末。采用激光熔化(SelectiveLaserMelting，SLM)快速制造技术可以在无需任何模具和工装夹具的条件下，利用光纤激光束(功率100-500W、光斑约80m)逐层选择性地熔化微细金属粉末(当量直径约为20-50m)，制造任意复杂结构、尺寸精度达±0.1mm、致密度接近100％、材料利用率达到100％的金属零件。特别是基于激光选区熔化的金属增材制造(3D打印)技术是从20世纪90年代发展起来的一项先进制造技术，该技术依据“增材”的制造原理，对CAD模型进行切片分层处理，数控系统控制工作台按照分层软件给定的路径进行扫描，通过大功率激光融化金属粉末并层层叠加，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。按照金属粉末的添置方式，金属3D打印主要包括两种工艺技术：采用铺粉方法的激光选区熔化(SelectiveLaserMelting，SLM)技术和采用同轴送粉方法的激光净成形(LaserEngineeredNetShaping,LENS)技术，其中，激光选区熔化技术采用精细聚焦光斑快速熔化预置的金属粉末，几乎可以直接获得任意形状以及具有完全冶金结合的功能零件，致密度可达到近乎100％，尺寸精度可达20-50um，表面粗糙度达20-30um，是一种极具发展前景的增材制造技术，在航空航天、医疗、汽车、模具等领域具有广泛应用前景。具体来说，选区激光熔化工艺即通过激光束按一定轨迹路径来熔化平铺在工作缸平面上的金属粉末来形成金属熔化的分层截面，再通过铺粉机构连续不断铺送金属粉末到工作缸平面，继而不断的以铺粉-熔化-下降缸体-铺粉的时序逻辑来实现金属零件的增材制造。在激光选区熔化成形工艺(SLM)中，激光通过二维或三维振镜将激光光束进行摆动并将激光光斑在聚焦平面上移动，若通过程序来控制振镜镜片的偏转角则可将光斑按一定的轨迹进行移动，这种按一定轨迹进行移动激光光斑的方法即为扫描工艺。在SLM成形工艺中，激光扫描工艺尤为重要，因为激光光斑扫描到金属粉末材料上后会形成熔池。扫描工艺决定了形成的熔池的熔化方向、熔化时序、熔化深度、熔化宽度、熔化重叠区宽度等。由于上述激光光斑在金属粉末床上是连续由点到线、由线到图案的连续移动的过程，因此形成的熔池也是连续形成的过程，熔池在形成过程中会以固体-液体-固体的形态出现，初始固体为粉末态、终止固体为实体态，实体态熔池是以整体连贯体形成。由于金属材料热胀冷缩及晶体和晶界等固有特性的因素影响，在熔池凝固过程中或过程后会出现内部收缩或拉伸应力，内应力集中到一定程度后会形成宏观应变或微观应变，微观应变大到一定程度会引起微观裂纹，宏观应变大到一定程度会出现宏观裂纹和宏观变形。裂纹和变形的累计会导致分层制造过程中的变形、翘曲、开裂的后果，继而影响后续的逐层制造、导致零件变形及加工失败等严重问题。此外，市场上工业型3D打印机主要有，国外EOS、雷尼绍、Concept、SLMSolution四家，这四家产品大都价格昂贵、设备庞大、操作复杂，但技术水平相对较高。SLM技术是在选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering，SLS)技术的基础上发展起来的，SLS技术最开始仅用高分子粉末材料的粘结成形，制造熔模铸造的原型件，后期随着激光技术的发展，大功率高能量密度激光的出现，特别是基模光纤激光的研发成功，促成了SLM技术的实现，即采用SLS技术同样的原理，可以成形金属粉末制造金属零部件了。1995年，德国弗劳恩霍夫研究所开始研究SLM技术及其装备，2002年成功推出了SLM，可成形接近全致密的金属零部件和模具，经后期德国EOS公司及MCP公司的不断完善发展，金属零部件的性能接近同材料的锻件水平。目前，德国EOS公司和MCP公司(其中一部分为雷尼绍收购)所生产的SLM设备代表了国际最高技术水平。其中EOS公司所生产的DMLS系列设备，其突出特点是成形过程中的保护气体采用循环净化的方式，采用该公司独特的外部气体净化处理装置，保证了成形腔内气体环境的纯度。而MCP公司设备的特点是可对成形腔进行抽真空处理，粉末循环使用，合理地利用设备结构空间，采用上部给粉方式，成形同样上限尺寸零部件的条件下，保持设备的整体体积较小。目前两家公司在国际市场都有销售业绩，但EOS公司同时出售与其设备相适应的粉末材料，并对于其它耗材不提供技术保障服务。而MCP与雷尼绍公司的设备对所有的金属粉末开放，适合不同金属粉末成形实验。总而言之，目前SLM技术及其装备已趋于成熟，零部件制造也有许多应用领域，诸如口腔医学、汽车、航空航天等，不断扩展其应用市场。尽管德国在SLM技术研究和应用方面处于领先地位，但还从未开发过成形截面超过600mm×600mm以上的装备，当然也没有从事过截面超过以上尺寸的大型零部件的成形。美国首先于1995年提出高性能金属零件的激光快速制造技术，在能源部研究计划支持下，Sandia及LosAlomos国家实验室率先发展出称为LENS(LaserEngineeredNetShaping)及DLF(DirectedLightFabrication)的技术，研究了不锈钢、镍基合金、钛合金、难熔金属等材料的组织及性能，并采用该技术成功制造出铼及铱的飞机发动机喷管，显示出该技术在高性能金属零件直接成形方面的优势，并于1998年由Optomec公司成功推出商业化的LENS系统。随后美国的StanfordUniversity、UniversityofMichigan、英国的UniversityofBirmingham、UniversityofManchester、UniversityofLiverpool及加拿大的NationalResearchCouncil等也发展了分别称作为SDM(ShapeDepositionManufacturing)、DMD(DirectMetalDeposition)、DLF(DirectLaserFabrication)、DLD(DirectLaserDeposition)、LDC(LaserDirectCasting)、LC(LaserConsolidation)的技术，尽管各自的名称不同，但原理和方法是一致的，系统所配备的激光器主要有CO2气体激光器、Nd:YAG固体激光器及光纤激光器，所成形的材料包括各种不锈钢、镍基合金本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合强化的激光熔化扫描方法，其特征在于，依次对每一扫描层进行复合强化扫描；所述复合强化扫描选用一次全熔和多次重熔复合强化扫描、一次快速预热和一次全熔的复合强化扫描或层内复合的复合强化扫描。/n

【技术特征摘要】
1.一种复合强化的激光熔化扫描方法，其特征在于，依次对每一扫描层进行复合强化扫描；所述复合强化扫描选用一次全熔和多次重熔复合强化扫描、一次快速预热和一次全熔的复合强化扫描或层内复合的复合强化扫描。


2.根据权利要求1所述的复合强化的激光熔化扫描方法，其特征在于，相邻扫描层间扫描方向旋转30°-90°。


3.根据权利要求1所述的复合强化的激光熔化扫描方法，其特征在于，所述一次全熔和多次重熔复合强化扫描包括：
A1、全熔扫描：将一个扫描层分为若干连续区域，依次对各个区域进行激光全熔扫描，扫描方式为倾斜分区扫描；
A2、预熔、重熔扫描：在步骤A1中全熔扫描完成后的扫描层上进行预熔扫描；预熔扫描完成后，扫描参数不变、扫描方向旋转67°进行重熔扫描；所述预熔扫描及重熔扫描均采用分区扫描。


4.根据权利要求3所述的复合强化的激光熔化扫描方法，其特征在于，步骤A1中，扫描时包含扫描层的截面轮廓。


5.根据权利要求3所述的复合强化的激光熔化扫描方法，其特征在于，所述一次全熔和多次重熔复合强化扫描还包括第三次重熔扫描：
在步骤A2扫描完成的扫描层截面面积>100mm2且长宽比>0.5时引发第三次重熔扫描；所述第三次重熔扫描的扫描参数与步骤A1、A2的扫描参数相比：激光功率参数降低一半、扫描速度提高一倍、扫描间距加大一倍。


6.根据权利要求3所述的复合强化的激光熔化扫描方法，其特征在于，相邻扫描层均选用一次全熔和多次重熔复合强化扫描时，相邻两层间扫描...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱波，李俊锋，
申请(专利权)人：上海云铸三维科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31