本发明专利技术公开了一种高功率激光快速成形三维金属零件方法，可用于直接制造各种高精度、大尺寸、复杂结构金属零件。方法为：在基底表面均匀铺一层金属粉末，然后用高功率密度激光束在保护腔体内将金属粉末逐层熔化、沉积，直至整个三维零件制造完成。本发明专利技术在原有快速成形技术基础之上加以改进，选用包括多种激光器或多台激光器的组合作为能量源，采用高功率激光扫描振镜对粉末进行快速扫描，成形过程中采用了预置铺粉、增大单层沉积厚度和增大光斑直径等工艺及方法，有效解决了此前快速成形技术只能成形小型金属零件或只能近成形简单零件的缺点，且成形零件精度高、力学性能优良，成形时间短，适应于大规模生产应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光加工
，具体涉及一种预置铺粉式高功率激光快速成形三维金属零件的方法，该方法尤其适用于各种大型复杂结构金属零件的快速成形。
技术介绍
激光熔覆(Laser Cladding)技术是采用高能量密度激光束将特殊材料熔化并覆盖于基材表面，熔化的材料冷凝后与基材形成冶金结合的表面改性工艺过程。该技术具有熔覆层稀释率低、熔覆层成分与原熔覆材料接近等优点，因此可设计性能优越的激光熔覆材料。自上世纪八十年代发展以来，激光熔覆技术已经获得了广泛的工业应用。一般而言， 熔覆时所添加的材料可以是金属粉末、丝材甚至板材，其中金属粉末因其适应性更好而成为主要形式。按照粉末供料方式的不同，激光熔覆技术又可分为预置铺粉法和同步送粉法。 前者是在激光熔覆前，先以某种方式(如热喷涂或粘结剂)将合金粉末预置于基材或者零部件表面，然后采用激光束熔化这些预置的涂层，冷凝后获得激光熔覆层；后者是在激光照射基材表面的同时，将合金粉末同步送入激光辐照区域，粉末熔化、冷凝后形成熔覆层。两种方法各有特点，因此分别在不同的领域得到工业应用。金属零部件的激光快速成形技术是将激光熔覆与快速原型(RapidPrototyping， RP)技术结合起来的一种先进制造技术，它能够实现各种三维金属零部件的无模具、全致密、高性能快速成形。其主要过程包括①在计算机中生成零件的三维CAD实体模型，然后将模型按指定的厚度和方向进行分层切片，即将零件的三维轮廓信息转化为二维轮廓信息；②按照一定的扫描路径在基底上用激光熔覆的方法生成指定的二维形状，重复这一过程逐层堆积形成三维实体零件。自上世纪九十年代发展以来，该技术已经取得了长足的进步，在航空航天、模具生产、医学植入、特种材料加工等领域显示出广泛的应用前景。与激光熔覆技术相似，金属零部件的激光快速制造技术有两种典型类型，一种是基于预置粉末涂层的激光快速制造技术，称为选区激光熔化技术(Selective Laser Melting,以下简称SLM技术)；另一种是基于同步送粉的激光快速制造技术，称为激光直接制造技术(Direct Laser Fabrication,以下简称DLF技术)。但DLF与SLM 二者在具体实施方法与效果上有一定的区别。SLM技术是以铺粉法激光熔覆为基础，与快速原型技术相结合形成的激光快速成形技术。其具体过程如下首先，在基板上用刮板或辊筒铺一层金属粉末，然后用聚焦激光束按照一定的扫描路径快速照射粉末，被照射到的粉末发生熔化、凝固，形成沉积层。沉积层形成后，将基板下降与粉末沉积厚度(即切片厚度)相同的高度，然后再铺一层粉末进行扫描，重复这样的过程直至整个零件的形成。SLM技术一般采用功率较低的激光器(50 300W)作为能量源，聚焦光斑直径一般为数十微米，预置铺粉的厚度一般为10 100 μ m。 SLM技术的这些工艺特点在成形小型、高精度、复杂结构金属零件时占据一定的优势，具体表现在①成形精度高。SLM技术单层沉积厚度薄，光斑直径小，这使得成形件具有良好的尺寸精度和表面粗糙度。而且，激光成形过程中，激光束的运动通过扫描振镜的高速扫描完成，而扫描振镜的转动惯量小，起、停加速度大，加工速度与跳转速度快等一系列特点，使得 SLM成形过程扫描速度快，定位精度、成形精度高。②可成形复杂结构零件。由于采用铺粉系统，激光作用时合金粉末处于静止状态。当激光照射在合金粉末床表面致粉末熔化形成熔池(称为静态熔池)时，熔池周围由合金粉末包围，它可支撑熔池不会产生垮塌现象，因此该技术可以成形复杂结构零件。但是，由于SLM技术单层沉积厚度较低，光斑直径也只有数十微米，根据激光熔覆技术的基本原理，所采用的激光器功率一般也只需要50 300W，这样导致SLM技术总体的制造效率较低。换句话说，尽管SLM技术的扫描速度高、精度高，但是，受激光制造效率的限制，该技术只能成形小型金属零部件。对于大尺寸、高精度、复杂结构金属零件的直接快速成形而言，SLM技术却无法得到应用。主要原因在于第一，采用该技术时制造周期过长，企业难以承受；第二，长时间的制造过程还可能导致所制造零部件性能发生不可预期的演变， 如大的制造应力导致零部件变形，使得后续工艺无法继续等。DLF技术则是以同步送粉式激光熔覆为基础，并与快速原型技术相结合的一种快速成形技术。激光成形加工时，激光束按照预先设定的路径，在数控工作台的控制下运动， 对基板进行二维扫描加工。激光束扫描的同时，金属粉末通过同轴喷嘴系统直接输送到高功率激光在基板上形成的熔池中，并被快速熔化、凝固形成一层熔覆层，即沉积层。当完成一层沉积层成形后，粉末喷嘴和聚焦镜一同上升与单层沉积厚度相同的高度，或者基板和所成形的零部件一同下降与单层沉积厚度相同的高度，然后继续沉积下一层，重复这一过程直至整个零件的形成。由于DLF技术采用同轴喷嘴系统输送粉末，成形过程中，单层沉积厚度较高，厚度一般可达0. 1 3. 0mm，为防止球化现象的产生，聚焦光斑直径一般可达 1. 0 10. 0mm。因此，根据激光熔覆技术的基本原理，成形过程中所采用的激光器功率较高，通常采用Nd: YAG或CO2激光器作为能量源，功率可达几百瓦到上万瓦。DLF的这些工艺特点使得该技术相比于SLM技术在成形效率方面大大提高，能在相对较短的时间内成形大型金属零件，克服了 SLM技术只能成形小型零件的缺点。但是，由于DLF技术采用同轴喷嘴输送粉末以及数控系统控制激光束扫描，合金粉末是在运动状态下与激光束发生交互作用，并熔化、凝固成形，使得其成形效果与SLM技术相比存在有较大的差异。主要表现在①由于采用同轴喷嘴输送金属粉末，所成形金属零部件与余下粉末的落点之间存在高度差，因此熔池无法得到周围未熔化合金粉末的支撑， 难以制造具有悬空特征或者曲率半径较小、形状相对复杂的金属零部件；②DLF技术大功率、大光斑、以及动态熔池的特点，使得熔池存在的时间长，热积累大，导致零件的成形精度和表面光洁度大大降低，零件一般需要经过进一步机械加工才能使用；③在制造一些大型、 结构复杂的金属零部件时，机床的运动行程短，需要频繁起、停电机，驱动工作台运动。由于电机驱动系统的加速度低，激光束的扫描路径又短，因此数控机床的实际扫描速度非常有限，导致采用DLF技术在成形大型精密零部件时(例如薄壁结构)，沉积效率偏低，制造成本高。因此，与SLM技术一样，DLF技术同样无法实现大尺寸、高精度、复杂结构金属零件的快速成形。综上所述，由于SLM技术与DLF技术各自存在的缺点，使得现有激光快速成形技术不是局限于SLM技术的小尺寸复杂结构金属零部件的精密制造，就是局限于DLF技术的大尺寸简单结构金属零部件毛坯的制造，而无法高效率、高功率、高精度地制造出兼有尺寸大、精度高、结构复杂三个典型特征的金属零部件，制约了其更加广泛地应用于各种零部件的制造中。
技术实现思路
为解决上述难题，本专利技术的目的在于提供一种基于铺粉方式的高功率激光快速成形三维金属零件的方法，该方法同时具有高效率、高功率、高精度的快速制造特点，既可以快速成形各种大型复杂结构金属零部件，同时又可以得到较好的尺寸精度和表面粗糙度， 且成形速度快、时间短，成形效率高、力学性能优良、制造成本低。本专利技术提供的一种激光快速成本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种激光快速成形三维金属零件的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：第１步：根据成形零件建立三维ＣＡＤ模型，并用切片软件进行分层切片离散化处理，获得各层激光扫描路径；第２步：将基板固定在可升降的平台上，并用刮板、辊筒或者自动送粉器在基板表面均匀铺一层厚度为０．１～２．０ｍｍ的粉末；第３步：按照预先设定好的扫描路径，采用单个或多个激光扫描振镜对基板上的粉末进行扫描，使粉末熔化并凝固，形成沉积层，加工参数：单束激光功率为１．５～２０ｋＷ，聚焦光斑直径为０．５～１０．０ｍｍ，搭接率为１５％～３０％，扫描速度为１００～８００ｍｍ／ｓ；第４步：将基板下降与单层沉积层厚度相同的高度，并在沉积层上再铺一层厚度为０．１～２．０ｍｍ的粉末；第５步：激光束按照预先设定的扫描路径，在所述扫描振镜的控制下对重新预置的粉末进行扫描，使粉末熔化并凝固，形成新的沉积层，加工参数：单束激光功率为１～１８ｋＷ，聚焦光斑直径为０．５～１０．０ｍｍ，搭接率为１５％～３０％，扫描速度为１５０～１０００ｍｍ／ｓ；第６步：重复第４～５步，逐层沉积直至整个三维零件制造完成。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：曾晓雁，马明明，王泽敏，李祥友，胡乾午，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。