一种三束激光复合扫描金属粉末熔化快速成形方法技术

本发明专利技术公开了一种三束激光复合扫描的快速制造方法，该方法先利用长波长激光（ＣＯ↓［２］激光）对金属粉末进行预热、再利用短波长激光（ＹＡＧ或光纤激光）对金属粉末进行熔化、最后利用长波长激光（ＣＯ↓［２］激光）对凝固金属进行热处理。本发明专利技术使用三束激光复合扫描，即利用长波长激光预热、短波长激光熔化、再由长波长激光热处理，从而可以实现金属粉末的预热、熔化、热处理复合过程。这种三束激光复合扫描方式可减少金属零件的内应力、避免翘曲开裂、改善组织、提高性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于快速制造领域，具体涉及两束长波长激光(二氧化碳)和一束短波长激光( 光纤或Nd:YAG)的复合扫描快速成形方法，能够实现金属粉末的微区预热/熔化/热处理过程
技术介绍
采用选择性激光熔化(Sde^ve L33^ Melting SLM)技术直接制造金属零件的快速 成形装置已经有所报道，见"一种直接制造金属零件的快速成形系统"(公开号为 CN1631582A，公开日为2005年06月29日)。虽然它们能够实现直接制造任意复杂的金属零 件，但是这种扫描装置没有预热系统。在这种情况下，金属粉末被迅速移动的激光束扫描后 出现快速熔化和快速凝固现象，并且粉床温度场分布不均匀，形成较大的温度梯度和热应力 ，从而易导致金属零件出现裂纹、翘曲等现象。对粉床整体预热可以降低温度梯度，缓和热应力，从而大大减少了金属零件成形过程中 的开裂、翘曲等缺陷。且对粉床整体预热可降低激光能量输入，可以选用较快的扫描速度， 有利于提高成形金属零件的效率。但是对粉床整体预热需要对工作缸加热。然而，整个成形 装置都是由金属零部件组合而成，整体预热时机器零部件的热传导不可忽视对粉床整体预 热容易导致各种电机、激光扫描系统、激光器等电器系统的工作温度过高，妨碍机器正常运 行甚至损坏机器零部件。
技术实现思路
针对现有直接制造金属零件快速成形预热系统存在的不足，本专利技术提供了一种三束激光 复合扫描金属粉末熔化快速成形方法，该方法可以在零件成形过程中连续完成预热、凝固与 热处理过程，消除残余应力，大大减小成形零件的裂纹和翘曲现象。本专利技术提供的激光复合扫描金属粉末熔化快速成形方法，其步骤包括(1)利用波长大于10000nm的第一激光束预先沿扫描路径扫描金属粉末，提高金属粉末 温度，并控制激光功率使预热温度低于金属粉末的熔点；(2) 利用波长小于1100nm的第二激光束以相同速度紧跟第一束激光扫描过的路径重复 扫描，使金属粉末熔化，随后冷却凝固；(3) 利用波长大于10000nm的第三激光束以相同速度紧跟第二束激光扫描过的路径重复 扫描，对金属凝固区域加热，实现热处理。本专利技术方式通过长波长激光(波长大于10000nm，如C02激光)预热、短波长激光(波长 小于1100nm，如YAG激光或光纤激光)熔化、再由长波长激光退火热处理，从而在金属零件 的成形过程中连续完成预热、熔化与热处理过程。这种三束激光复合扫描方法既达到了预热 、熔化与热处理作用，消除残余应力，大大减小成形零件的裂纹和翘曲现象。这种扫描方法 适用于多种金属粉末材料成形，如成形铁基、镍基、钛基、钨基金属合金的复杂零件，并且 可以极大地减少成形过程中的翘曲和裂纹。具体而言，这种三束激光复合扫描方法具有以下优点(1) 长波长激光束具有较大的光斑直径，且金属粉末对长波长激光的吸收率较低，可 以对粉床微区进行预热或热处理，而不使金属粉末熔化；短波长激光束具有较小的光斑直径 ，较高的金属吸收率，极高的能量密度可以使金属粉末瞬间熔化。(2) 第一束长波长激光预先对需要熔化区域的金属粉末进行预热，使温度场均匀，减 缓了直接对粉末进行熔化时温度场的剧烈变化，从而降低温度梯度，缓和了应力场，最终可 减少翘曲、开裂等缺陷；(3) 第二束短波长激光熔化金属粉末时无需提供单束激光扫描的高能量密度，这样不 仅可以降低短波长激光扫描功率，还可以使用高扫描速度，从而提高扫描效率；(4) 第三束长波长激光对凝固的金属扫描可以实现热处理，消除金属内部的残余应力 、改善组织结构，有利于提高成形出的金属零件的性能；(5) 这种三束激光扫描方法比单扫描方法大大节省了成形时间，替代了传统的预热与 热处理过程，可提高零件的成形效率。(6) 本专利技术方法能够实现金属粉床局部区域预热、熔化和热处理而不增加设备整体的 工作温度，避免了整体预热对机器的损害。附图说明图l为长波长激光先预热、短波长激光熔化、长波长激光热处理示意图。具体实施例方式该方法采用三束激光扫描，将长波长激光束预热、短波长激光熔化、长波长激光热处理 结合起来进行三束激光复合扫描成形金属零件。下面结合附图和实际过程对本专利技术作进一步详细说明。(1) SLM成形腔内先抽真空然后再通入保护性气氛，将需要成形的金属粉末平铺于成形 基板上方，铺粉厚度约O. 02 0. lmm。用三维造型软件设计出所需要成形零件的CAD模型，然 后由切片软件处理后保存为STL格式，并生成每一切片层的路径，将STL数据导入SLM设备；(2) 使用第一束激光(C02激光)，以优化的激光功率和扫描速度沿设定好的扫描路径 对粉床扫描预热；(3) 随后，使用第二束激光(YAG或光纤激光)，以优化的激光功率、与第一束激光相 同的扫描速度沿扫描路径进行扫描熔化，第二束激光光斑位置位于第一束激光光斑扫描方向 后方并相距一定距离；(4) 最后，使用第三束激光(C02激光)，以优化的激光功率和扫描速度沿扫描路径进 行扫描热处理，第三束激光光斑位置位于第二束激光光斑扫描方向后方并相距一定距离；(5) —层扫描结束后，继续成形下一层，直至整个零件加工完毕。 上述金属材料包括铁基、镍基、铜基等金属粉末材料。该扫描方法可以控制三束激光扫描的时差、激光参数，来调整预热与热处理效果。对金属粉末预热的目的是在其熔化之前 预先提高金属粉末的温度，避免了当短波长激光辐照时温度骤然提高造成较大的温度梯度， 从而大大减少裂纹和翘曲现象。热处理的目的是改善组织，减少应力，提高成形件的综合性 能。上述过程如图l所示，首先，第一束长波长激光束1照射到金属粉床7上形成长波长激光 光斑4，第二束短波长激光束2照射到预热后的金属粉床7上形成激光光斑5，第三束长波长激 光束3照射到金属粉床7上形成激光光斑6。光斑4、 5、 6以相同的间隔、同样的速度、沿相同 方向扫描。其中光斑4与金属粉末相互作用产生热量对粉床起预热作用；光斑5与金属粉末相 互作用产生较高能量密度，使金属粉末迅速熔化，随后迅速凝固；最后，光斑6对凝固的金 属进行热处理。实例l:选用粒径为20微米、球形316L不锈钢粉末进行SLM成形，通过三束激光复合扫描，目的 是制备出低应力、无翘曲、均匀组织的金属零件。通过CAD软件设计出零件图形，由切片软 件和路径软件处理后 存为STL，并将其输入到SLM装备中，进行SLM成形，每一层具体扫描方式如下使用C02激光作为第一束激光，设定激光功率为50W、扫描速度为200mm/s，沿设定好的 扫描路径对316L不锈钢粉床进行扫描预热；使用光纤激光作为第二束激光，设定激光功率为200W、扫描速度为200mm/s，沿扫描路 径进行扫描熔化，并使第二束激光光斑位置位于第一束激光光斑扫描方向后方并相距O. lmm使用C02激光作为第三束激光，设定激光功率为50W、扫描速度为200mm/s，沿扫描路径 进行扫描热处理，使第三束激光光斑位置位于第二束激光光斑扫描方向后方并相距O. lmm; 通过逐层加工，反复循环，最终成形出高质量的316L不锈钢零件。本专利技术不局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施实例和附图公开的内 容，可以采用其它多种具体实施方式实施本专利技术，因此，凡是采用本专利技术的设计结构和思路 ，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三束激光复合扫描金属粉末熔化快速成形方法，其步骤包括：　（１）利用波长大于１００００ｎｍ的第一激光束预先沿扫描路径扫描金属粉末，提高金属粉末温度，并控制激光功率使预热温度低于金属粉末的熔点；　（２）利用波长小于１１００ｎｍ的 第二激光束以相同速度紧跟第一束激光扫描过的路径重复扫描，使金属粉末熔化并凝固；　（３）利用波长大于１００００ｎｍ的第三激光束以相同速度紧跟第二束激光扫描过的路径重复扫扫描，对金属凝固区域加热，实现热处理。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：史玉升，李瑞迪，魏青松，王志刚，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]