一种优化金属增材制造复杂构件变形的工艺，先通过增材制造系统切片软件对复杂构件进行分层，并标记上下两层横截面变化大的层数；在非横截面变化大的标记层数，通过增材制造逐层堆积并增材成形；开始增材标记层数前，刮刀铺展粉末的速度提升，随后进行烧结；增材完成当前层后，对当前层进行激光冲击强化；进行下一层材料的快速铺粉和增材及激光冲击强化，直至增材到未标记层，刮刀铺展粉末的速度恢复为初始速度并烧结；继续增材直至完毕；本发明专利技术将激光冲击强化与金属增材制造结合，同时通过调节铺粉速度对增材过程中横截面变化较大的区域进行变形程度和缺陷的调控，以此调节层间冷却速度降低温度梯度，具有成形质量好的优点。具有成形质量好的优点。具有成形质量好的优点。
【技术实现步骤摘要】
一种优化金属增材制造复杂构件变形的工艺
[0001]本专利技术涉及金属增材制造
，具体涉及一种优化金属增材制造复杂构件变形的工艺。
技术介绍
[0002]金属增材制造具有快冷快热的特点，这种反复且剧烈的热循环导致构件内部及表面的残余应力较大，构件在增材后容易出现翘曲、开裂等现象。同时由于增材中的变形导致粉末铺展不均，零件的成形质量也会大大降低，在层间结合处出现孔隙、分层等缺陷。
[0003]使用金属增材制造技术制造的零件往往具有形状复杂的特点，经过计算机切片后，上下两层的横截面积差距较大，这使得增材过程中在烧结成型层时，成型层下方的支撑体时而是固态凝固层时而是粉末。由于粉末与固态凝固层的导热率存在量级差异，受热后不同的收缩率导致了应力的累积和裂纹的出现，因此在复杂构件中，出现了横截面变化大处成形质量差、缺陷多的问题。
[0004]目前有学者进行增材制造时使用激光冲击强化来降低内应力，申请号202210703365.5的中国专利公开了一种复合激光冲击和激光退火的金属增材制造的方法，金属成型的过程中，对由金属粉末原材成型所得金属沉积层，根据金属沉积层的层数和/或材料实施激光冲击和/或激光退火。申请号CN202011080732.8的中国专利公开了一种激光冲击可调的电弧增材制造方法，结合数值模拟实时获得增材的应力场分布，设定激光冲击路径并进行激光冲击处理。上述现有方法集中在单一的激光冲击强化与增材制造的结合上，在增材制造过程中若进行有限的表面激光冲击强化，其影响层深度约为1mm，对构件内部的应力调控作用有限；在增材制造过程中多次进行激光冲击强化则会延长层间冷却时间，这将导致温度梯度的提升以及热循环的加剧，对于复杂构件的应力调控效果有限；同时复杂构件在增材中的变形较简单构件更剧烈，层间铺粉平整度将大幅下降，这将加剧构件变形，因此选择合适的增材策略调控复杂构件残余应力是十分有必要的。
技术实现思路
[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供了一种优化金属增材制造复杂构件变形的工艺，将激光冲击强化与金属增材制造结合，同时通过调节铺粉速度对增材过程中横截面变化较大的区域进行变形程度和缺陷的调控，以此调节层间冷却速度降低温度梯度，具有成形质量好的优点。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术通过以下的技术方案来实现：
[0007]一种优化金属增材制造复杂构件变形的工艺，包括以下步骤：
[0008]1)通过增材制造系统切片软件对复杂构件进行分层，并标记上下两层横截面变化大的层数；
[0009]2)开始增材制造过程，在非横截面变化大的标记层数，通过增材制造，刮刀铺展粉末并烧结，逐层堆积并增材成形；
[0010]3)开始增材标记层数前，刮刀铺展粉末的速度提升30％以上，随后进行烧结；
[0011]4)增材完成当前层后，对当前层进行激光冲击强化，并确保激光冲击强化影响层深度大于0.5mm；
[0012]5)进行下一层材料的快速铺粉和增材，直到增材高度增加0.5m m，再次对当前层材料进行激光冲击强化，并确保激光冲击强化影响层深度大于0.5mm；
[0013]6)重复步骤3)～5)直至增材到未标记层，此后刮刀铺展粉末的速度恢复为步骤2)中的速度并烧结；
[0014]7)重复步骤2)～6)直至增材完毕，复杂构件横截面积突变区域由于引入的压应力部分中和了构件表面的残余拉应力，使变形程度减小，整个区域的孔隙缺陷得到改善。
[0015]所述增材制造指激光选区熔化(L
‑
PBF)、电子束熔化(EBM)以及其他使用金属粉末作为原材料的增材制造技术。
[0016]所述激光冲击强化应用了Q
‑
switched技术的Nd:YAG脉冲激光，激光冲击强化参数为：光斑直径1～4mm，波长1064nm，纵向重叠率1～90％，横向重叠率1～90％，脉冲能量1～100J，脉宽3～30ns，重复频率0.5～10Hz。
[0017]所述激光冲击强化影响层深度在0.5～2mm间，确保相近层具有激光冲击强化效果的同时避免频繁激光冲击强化导致层间冷却时间延长。
[0018]所述步骤1)中横截面积变化大的具体数值根据实际需要选择，面积变化百分比大于5％。
[0019]本专利技术和现有技术相比，其有益效果为：
[0020](A)与常规增材制造技术相比，本专利技术针对复杂构件在增材时横截面积变化大，容易产生大形变的特点，对这部分区域每隔0.5m m进行一次激光冲击强化，分段引入残余压应力控制变形的同时降低对层间冷却时间延长的影响，防止逐层冲击强化造成层间冷却时间延长导致热循环加剧。
[0021](B)与常规增材制造技术相比，本专利技术在横截面积变化较大的区域内提高粉末铺展速度，降低冷却时间，因此热循环幅值减小；同时，粉末层厚度变小导致熔合比增大，因此烧结区域更快到达稳定状态，在降低内应力累积的同时改善孔隙等缺陷。
[0022](C)激光冲击强化弱化变形程度后进行快速铺粉，可大幅降低粉末收缩程度，提升粉末铺展均匀性，在增材中有效控制复杂构件因粉末铺展不均匀导致的变形，提升增材复杂构件的成功率。
[0023](D)与常规逐层激光冲击强化增材技术相比，为横截面变化较大区域与较小区域定制增材工艺，减少增材时间，节约增材成本；同时具有较强灵活性，通过调整激光冲击强化参数改变影响引入位错数量，选择合适的位错数量以改善构件进行后续工艺的组织性能。
附图说明
[0024]图1为本专利技术方法的流程图。
[0025]图2为本专利技术实施例中目标复杂构件示意图。
[0026]图3为本专利技术实施例的增材制造过程具体示意图。
具体实施方式
[0027]下面结合附图和实施例对本专利技术方法作详细描述。
[0028]如图1所示，实施例1，一种优化金属增材制造复杂构件变形的工艺，包括以下步骤：
[0029]1)通过增材制造系统切片软件对复杂构件进行分层，并标记上下两层横截面变化超过5％的层数，本实施例复杂构件如图2所示，部分层数被标记，同时设定刮刀低速运行时的初始速度；
[0030]2)开始增材制造过程，以激光选区熔化为例，如图3中(a)所示，在非横截面变化大的标记层数，刮刀低速运行铺粉，逐层堆积并烧结成形，直到开始增材标记的层数；在激光选区熔化工艺中，激光功率为200W，激光扫描速度为800mm/s，扫描间距为0.12mm，层厚为0.03mm，刮刀铺展粉末速度为25mm/s；
[0031]3)开始增材标记层数前，刮刀铺展粉末的速度提升30％，随后进行烧结；
[0032]4)烧结完成当前层后，如图3中(b)所示，对当前烧结层进行激光冲击强化，并确保激光冲击强化影响层深度大于0.5mm；激光冲击强化的具体参数为，光斑直径2mm，波长1064nm，纵向重叠率50％，横向重叠率50％，脉冲能量10J，重复频率5Hz；
[0033]5)进行下一层材料的快速铺粉和本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种优化金属增材制造复杂构件变形的工艺，其特征在于，包括以下步骤：1)通过增材制造系统切片软件对复杂构件进行分层，并标记上下两层横截面变化大的层数；2)开始增材制造过程，在非横截面变化大的标记层数，通过增材制造，刮刀铺展粉末并烧结，逐层堆积并增材成形；3)开始增材标记层数前，刮刀铺展粉末的速度提升30％以上，随后进行烧结；4)增材完成当前层后，对当前层进行激光冲击强化，并确保激光冲击强化影响层深度大于0.5mm；5)进行下一层材料的快速铺粉和增材，直到增材高度增加0.5mm，再次对当前层材料进行激光冲击强化，并确保激光冲击强化影响层深度大于0.5mm；6)重复步骤3)～5)直至增材到未标记层，此后刮刀铺展粉末的速度恢复为步骤2)中的速度并烧结；7)重复步骤2)～6)直至增材完毕，复杂构件横截面积突变区域由于引入的压应力部分中和了构件表面的残余拉应力，使变形程度减小，整个区域的孔隙缺陷得到改善。2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述增材制造指激光选区熔化(L
‑
PBF)、电子束熔化(EBM)以及其他使用金属粉末作为原材料的增材制造技术。3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述激光冲击强化应用了Q
‑
switched技术的Nd:YAG脉冲激光，激光冲击强化参数为：光斑直径1～4mm，波长1064nm，纵向重叠率1～90％，横向重叠率1～90％，脉冲能量1～100J，脉宽3～30ns，重复频率0.5～10Hz。4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述激光冲击强化影响层深度在0.5～2mm间，确保相近层具有激光冲击强化效果的同时避免频繁激光冲击强化导致层间冷却时间延长。5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述步骤1)中横截面积变化大的具体数值根据实际需要选择，面积变化百分比大于5％。6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，包括以下步骤：1)通过增材制造系统切片软件对复杂构...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄科，刘怡，王冰璘，汤可鑫，方学伟，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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