一种贵金属低缺陷激光粉末床熔融成形方法及贵金属构件

本发明属于贵金属增材制造，具体涉及一种贵金属低缺陷激光粉末床熔融成形方法及贵金属构件。

背景技术：

1、铂族金属包含铂、钯、铱、铑、钌、锇，该类材料具备优异的化学稳定性、耐蚀性能、高温力学性能及催化活性，在高端功能器件、强腐蚀工况零部件、电化学功能构件、高温承载结构件等领域具备不可替代的应用价值。

2、纯铂作为铂族金属的典型代表，熔点高、原料成本昂贵，同时在近红外波段激光下粉末吸收率偏低，采用激光粉末床熔融（lpbf）成形时可稳定加工的工艺区间狭窄。传统铸造、锻造、切削加工等制备手段，受限于贵金属难加工特性与工艺本身几何成型局限，很难完成复杂三维构型、轻量化点阵架构、一体化精细贵金属构件的高效制备，制约了贵金属功能构件的结构创新与工程应用。

3、由于激光粉末床熔融增材制造技术具备极高的结构设计自由度，为贵金属复杂构件一体化制造提供了可行路径。但贵金属开展lpbf成形时，极易产生未熔合孔隙、球形气孔、匙孔型孔洞，同时伴随熔融金属飞溅、热应力诱发的组织失稳等多重缺陷，构件致密度、尺寸精度与使用性能难以保障。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种贵金属低缺陷激光粉末床熔融成形方法及贵金属构件，本发明提供的方法考虑材料吸收率，将经验工艺参数转化为可量化、可迁移的成形窗口，从而实现贵金属致密构件和点阵复杂构件的稳定制备，解决贵金属激光粉末床熔融成形（lpbf）过程中工艺窗口窄、缺陷敏感、参数迁移困难和复杂结构难以稳定成形的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供了一种贵金属激光粉末床熔融的低缺陷成形参数的确定方法，所述低缺陷成形参数包括：激光功率、扫描速度、扫描间距和贵金属粉末铺粉层厚度；所述方法包括以下步骤：

4、测定或获取贵金属粉末在激光粉末床熔融设备激光波长λ条件下的吸收率；建立贵金属粉末的有效吸收体积能量密度指标，所述有效吸收体积能量密度指标为实际吸收的单位体积能量，所述实际吸收的单位体积能量计算公式如公式（1）：

5、公式（1）；

6、公式（1）中：为实际吸收的单位体积能量，为贵金属粉末在激光粉末床熔融设备激光波长λ条件下的吸收率，

p为激光功率，为激光扫描速率，

h为扫描间距，

t为贵金属粉末铺粉层厚度；

7、根据贵金属粉末的低缺陷有效吸收体积能量窗口，在满足的条件下，根据公式（1）确定低缺陷成形参数；

e

low为避免出现熔化不足和/或未熔合缺陷的贵金属粉末实际吸收的单位体积能量的下限，

e

high为避免出现过热、深熔、匙孔孔洞和飞溅缺陷任意一种的贵金属粉末实际吸收的单位体积能量的上限。

8、优选的，所述贵金属粉末为铂族金属；所述铂族金属包括ru、rh、pd、os、ir和pt中的至少一种。

9、优选的，所述贵金属粉末为纯铂粉末；所述激光粉末床熔融设备的激光波长λ为1070 nm时，所述纯铂粉末的吸收率为0.2963。

10、优选的，所述贵金属粉末为纯铂粉末；所述纯铂粉末的低缺陷有效吸收体积能量窗口为48~73 j/mm3。

11、优选的，所述纯铂粉末的低缺陷有效吸收体积能量窗口的中心值为59 j/mm3，在满足等于低缺陷有效吸收体积能量窗口的中心值的条件下，根据公式（1）确定纯铂粉末的低缺陷成形参数。

12、本发明提供了一种贵金属低缺陷激光粉末床熔融成形方法，包括以下步骤：

13、提供贵金属粉末，按照上述技术方案所述的确定方法得到低缺陷成形参数；按照低缺陷成形参数采用激光粉末床熔融方法进行成形，得到贵金属构件。

14、优选的，所述贵金属粉末为纯铂粉末，且当所述激光粉末床熔融设备的激光波长λ为1070 nm时，所述低缺陷成形参数包括：激光功率为160~240 w，扫描间距为0.095 mm，贵金属粉末的铺粉层厚为0.020 mm，扫描速度为470~750 mm/s。

15、本发明提供了一种贵金属构件，其特征在于，所述贵金属构件由上述技术方案所述的贵金属低缺陷激光粉末床熔融成形方法制备得到。

16、优选的，所述贵金属构件为纯铂致密构件、靶材件，所述纯铂致密构件的ct测量相对密度不低于99%。

17、优选的，所述贵金属构件包括点阵构件、多孔构件、薄壁构件、曲面构件或具有内部连通孔道的复杂三维构件。

18、本发明提供了一种贵金属激光粉末床熔融的低缺陷成形参数的确定方法以及一种贵金属低缺陷激光粉末床熔融成形方法。本发明研究发现当前lpbf工艺参数的筛选优化普遍依靠名义体积能量密度(

ved=p/vht)开展经验试错，式中

p为激光功率，

v为激光扫描速率，

h为扫描间距，

t为铺粉层厚，

ved为名义体积能量密度。该指标仅体现激光器输出的输入能量，未考虑不同金属粉末对特定波长激光的吸收差异。对于贵金属材料，粉末激光吸收率随材料种类、激光波长变化明显，名义体积能量密度无法表征粉末实际耦合吸收的能量，以此得到的lpbf工艺参数适配性差；当变更激光功率、铺粉层厚、扫描间距或者更换贵金属材料体系时，已调试的工艺参数无法直接复用，参数迁移性差，需要大量重复试验迭代，研发成本高，难以实现贵金属致密构件、点阵多孔复杂构件的稳定低缺陷制备。本发明提供了一种基于有效吸收体积能量密度窗口的贵金属低缺陷激光粉末床熔融成形方法。该方法首先获取贵金属粉末在激光波长下的吸收率，并通过将名义工艺参数转化为有效吸收体积能量密度；随后基于低缺陷有效吸收体积能量窗口确定激光功率、扫描速度、扫描间距和铺粉层厚，实现贵金属低缺陷成形。对于纯铂粉末，在1070 nm激光条件下，优选有效吸收体积能量窗口为48~73 j/mm3，窗口中心约为59 j/mm3。本发明进一步将该工艺窗口用于制备tpms等贵金属点阵构件。该方法能够减少贵金属打印过程中的未熔合孔、匙孔孔洞和热失稳缺陷，并实现致密构件与复杂点阵构件的可迁移制造。与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：

19、（1）本发明将传统名义体积能量密度升级为有效吸收体积能量密度，能够反映贵金属粉末在特定激光波长下的实际能量耦合状态。

20、（2）本发明通过吸收能量密度窗口对贵金属激光粉末床熔融成形（lpbf）参数进行筛选，可避免低能量区的未熔合缺陷和高能量区的匙孔孔洞、飞溅及热失稳缺陷。

21、（3）本发明提供了参数迁移公式，可在不同激光功率、扫描间距、铺粉层厚和贵金属材料之间进行参数转换，减少反复试错。

22、（4）本发明能够实现纯铂等贵金属的高致密、低缺陷成形，适用于致密块体、薄壁结构、点阵结构和复杂三维构件。

23、（5）本发明将低缺陷成形窗口拓展到tpms等架构化点阵结构，能够提高贵金属构件的结构设计自由度，降低材料用量，并实现复杂功能构件的一体化制造。